安科瑞 陳聰

摘要：傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力能源主要來源于汽油燃燒，這不僅會加劇我國化石能源短缺的窘迫現(xiàn)狀，還會產(chǎn)生各種污染尾氣，背離了我國“綠色環(huán)保”發(fā)展理念。同時(shí)，電動(dòng)汽車作為一種新興產(chǎn)業(yè)，以電產(chǎn)能，具有“、低噪聲、節(jié)能環(huán)保”的特點(diǎn)，它的出現(xiàn)，有效地緩解了環(huán)境能源問題。主要對電動(dòng)汽車無序充電對電網(wǎng)的影響展開了研究，從用戶出行方式、出發(fā)時(shí)刻以及出行距離等特征進(jìn)行分析。引入了電動(dòng)汽車用戶響應(yīng)有序充電策略的電價(jià)啟動(dòng)閾值和關(guān)閉閾值，提出了分時(shí)電價(jià)的制定方法。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車，無序充電，有序充電，傳統(tǒng)汽車

0.引言

21世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入了快速道，帶來的結(jié)果是擴(kuò)大了城市化范圍，顯著提高了人們的生活水平質(zhì)量，人們的通勤距離也由此增加，不斷刺激人們對小汽車的需求，使得機(jī)動(dòng)車數(shù)量呈井噴式增長。與此同時(shí)，城市汽車保有量的指數(shù)級的增加，產(chǎn)生的城市交通與能源、環(huán)境之間的矛盾日益突出，影響阻礙了城市的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。作為一個(gè)石油等化石資源嚴(yán)重匱乏的發(fā)展中國家，有著自己特殊的國情，經(jīng)濟(jì)已經(jīng)進(jìn)入到高速增長時(shí)期，卻陷入資源消耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重的窘迫困境。基于資源高度匱乏和環(huán)境嚴(yán)重污染這一現(xiàn)狀，應(yīng)采用“環(huán)保型、節(jié)約型”的可持續(xù)發(fā)展策略。而傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力能源主要來自于汽油燃燒，這不僅會加劇我國化石能源短缺的窘迫現(xiàn)狀，還會產(chǎn)生各種污染尾氣：一氧化碳、二氧化硫、碳?xì)浠衔锏龋箿厥倚?yīng)和環(huán)境污染加重。因此，傳統(tǒng)汽車已不再適應(yīng)當(dāng)今的綠色發(fā)展模

式，環(huán)保型能源取代化石能源已是一種趨勢。

電能作為清潔型能源的代表之一，具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?jù)研究報(bào)告，在未來的幾十年，電能的使用比例將會劇增，成為主要的終端能源。因此，越來越多的產(chǎn)品以使用電能作為動(dòng)力能源，這不僅減少了對環(huán)境的污染，同時(shí)有利于建設(shè)節(jié)能環(huán)保型社會。

電動(dòng)汽車作為一種新興產(chǎn)業(yè)，是由電能取代化石能源的典型產(chǎn)品，代表著未來汽車的發(fā)展方向，具有“，低噪聲，節(jié)能環(huán)保”的特點(diǎn)，它的出現(xiàn)，有效地緩解了環(huán)境污染、溫室效應(yīng)、能源短缺等嚴(yán)重問題。從長遠(yuǎn)看，將汽車工業(yè)作為我國支柱性產(chǎn)業(yè)，既要頒布實(shí)施各種政策進(jìn)行發(fā)展扶持，又要解決能源和環(huán)境污染問題。

1. 電動(dòng)汽車無序充電

隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的與日俱增，充電需求也會不斷增加，這無疑會給電網(wǎng)帶來巨大的沖擊。不同電動(dòng)汽車用戶選擇充電的時(shí)間不同，到達(dá)充電站進(jìn)行充電的行為也是相互獨(dú)立的，具有較大的隨機(jī)性、靈活性和不確定性的特點(diǎn)，從電動(dòng)汽車用戶行為的角度，只考慮電動(dòng)汽車用戶的充電滿意度，也就是說，用戶即到即充，不考慮電網(wǎng)負(fù)荷曲線峰谷以及負(fù)荷波動(dòng)的情況下，對電動(dòng)汽車無序充電對電網(wǎng)負(fù)荷的影響。會給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了巨大的損害，造成電網(wǎng)負(fù)荷曲線峰上加峰，峰谷差值和負(fù)荷波動(dòng)，電力損耗增加以及變壓器過載等不良影響。同時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷超過電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷就會影響電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，長時(shí)間高負(fù)荷甚至可能會導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。

1. 電動(dòng)汽車有序充電策略研究

為了達(dá)到減小電網(wǎng)損害，穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行，削峰填谷等目的，考慮以分時(shí)電價(jià)策略為基礎(chǔ)，在電價(jià)上充分引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶在不同時(shí)間段進(jìn)行有序充電。基于電網(wǎng)層，以電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)為優(yōu)化為目標(biāo)；基于用戶層，以用戶總費(fèi)用為優(yōu)化為目標(biāo)。，提出了雙層優(yōu)化目標(biāo)下的有序充電策略，該策略能夠有效的引導(dǎo)用戶充電。

2.1分時(shí)電價(jià)策略

由政治經(jīng)濟(jì)學(xué)一般理論可知“價(jià)格是商品價(jià)值的貨幣表現(xiàn)，是商品與貨幣換比例的指數(shù)，也是商品經(jīng)濟(jì)*有的重要經(jīng)濟(jì)范疇”。作為電動(dòng)汽車的擁有者，除了前期購買電動(dòng)汽車的成本外，后期電動(dòng)汽車的充電費(fèi)用也是一筆不菲的開銷。而分時(shí)電價(jià)策略的制定實(shí)施，為所有電動(dòng)汽車用戶大開方便之門，讓用戶在一天之中可以自由選擇充電時(shí)間段的同時(shí)，也可以更大限度地為車主節(jié)省充電費(fèi)用。

2.2有序充電策略分析

有序充電策略是基于分時(shí)電價(jià)提出的，在一定程度上能夠改變用戶的充電行為習(xí)慣。有序充電調(diào)度的核心思想是：在保證電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)和電動(dòng)汽車用戶充電費(fèi)用的同時(shí)，盡可能的將谷時(shí)段的可利用的充電設(shè)備全部利用起來，減少充電設(shè)施的空閑率。

有序充電策略旨在有效調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車用戶充電過程，即在滿足電動(dòng)汽車用戶充電期望需求的條件下，為了達(dá)到避開電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段，減小峰谷差率，降低無序集中充電對電網(wǎng)的影響的目的，通過一定的手段合理調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車在一天時(shí)間內(nèi)的充電時(shí)間段和充電功率。當(dāng)電動(dòng)汽車保有量持續(xù)增加時(shí)，充電需求也會不斷增加，如果谷時(shí)段可利用的充電設(shè)備已經(jīng)全部利用完，就不得不選擇在平時(shí)段和峰時(shí)段進(jìn)行充電，此時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車用戶在平時(shí)段進(jìn)行充電。當(dāng)電動(dòng)汽車保有量繼續(xù)增加時(shí)，將會導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷增加甚至持續(xù)處于高峰狀態(tài)以及用戶滿意度下降，這不利于電動(dòng)汽車的未來長期發(fā)展。為了保證電網(wǎng)負(fù)荷穩(wěn)定性和電動(dòng)汽車的穩(wěn)步發(fā)展，不僅需要保證充電設(shè)施的均衡利用以及電能的質(zhì)量，還需要保證足夠數(shù)量的充電設(shè)備來滿足用戶的充電需求，同時(shí)提升電網(wǎng)的電動(dòng)汽車充電接入數(shù)量。由此可見，電動(dòng)汽車的有序充電策略研究，不僅對電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷有參考價(jià)值，在充電站內(nèi)充電設(shè)備數(shù)量的規(guī)劃建設(shè)以及投入使用也具有一定的指導(dǎo)意義。

2.3電動(dòng)汽車用戶側(cè)優(yōu)化

一般情況下，電動(dòng)汽車用戶充電有兩種不同的目的要求，一是實(shí)用性，即電池荷電量滿足正常的行駛需求；二是經(jīng)濟(jì)性，即充電費(fèi)用極可能的低，至少在自己的接受范圍內(nèi)。在實(shí)用性上，電動(dòng)汽車用戶充電后的電量能夠達(dá)到自己的期望值，滿足日常的行駛作為基本的充電要求。而優(yōu)化目標(biāo)是在滿足基本充電需求的前提下才能繼續(xù)進(jìn)行，因此，本文考慮將該要求作為優(yōu)化模型中的約束條件。與此同時(shí)，在滿足實(shí)用性后，用戶也希望滿足自己的經(jīng)濟(jì)需求，也就是說，盡可能的降低充電所花的費(fèi)用，此費(fèi)用越低越好，用戶的滿意度也會越高。

2.4電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)優(yōu)化

有序充電策略在考慮電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)時(shí)，就是為了減小電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)。在滿足電動(dòng)汽車用戶充電期望需求的條件下，通過一定的手段合理調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車在一天時(shí)間內(nèi)的充電時(shí)間段和時(shí)間段的充電功率，這樣就能夠避開電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)段，有利于減小電網(wǎng)峰谷差和提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2.5結(jié)合考慮雙目標(biāo)非線性規(guī)劃

在研究有序充電策略時(shí)，單獨(dú)考慮用戶側(cè)充電費(fèi)用成本或者電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷波動(dòng)，都是欠缺考慮的。在只考慮用戶側(cè)充電成本的情況下，為了達(dá)到降低充電費(fèi)用成本的目的，越多的用戶選擇在低谷時(shí)段充電越佳。但這可能會導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷的另一高峰，造成本末倒置，達(dá)不到預(yù)想的削峰填谷的效果；而只考慮電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)負(fù)荷波動(dòng)的情況下，單純的減小電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)而不考慮用戶的充電費(fèi)用，導(dǎo)致電動(dòng)汽車用戶因?yàn)槌潆娰M(fèi)用高昂而滿意度下降，這將會不利于甚至阻礙電動(dòng)汽車的中長期發(fā)展。

雙目標(biāo)非線性規(guī)劃綜合考慮了用戶側(cè)與電網(wǎng)側(cè)，既能夠盡可能的降低用戶充電費(fèi)用，提高了用戶滿意度，又可以限度減小電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)安全性，實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的雙贏局面。

2.6約束條件

提出有序充電策略的目的僅僅是為了把用電負(fù)荷“高峰”向用電負(fù)荷“低谷”轉(zhuǎn)移，達(dá)到優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)和節(jié)省用戶充電費(fèi)用的目的。既然用戶響應(yīng)有序充電，就不會存在過充的情況，故刪除電瓶安全約束，但同樣需要滿足電網(wǎng)基礎(chǔ)負(fù)荷不變、充電時(shí)間約束、充電時(shí)間段約束、單臺充電設(shè)備的充電功率約束、充電容量約束、充電需求約束、充電車輛數(shù)量約束等條件。與此同時(shí)，為了保證電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)需求，新增以下約束條件：

1. 電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷約束

若電網(wǎng)總負(fù)荷超過了電網(wǎng)所能承載的負(fù)荷，則易導(dǎo)致電網(wǎng)受損，而提出有序充電策略的目的正是為了保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，因此，電網(wǎng)任意時(shí)段的實(shí)際總負(fù)荷都不應(yīng)該大于電網(wǎng)系統(tǒng)所能承載的負(fù)荷。

1. 充電費(fèi)用約束

電動(dòng)汽車用戶積極響應(yīng)有序充電策略，是為了能夠節(jié)約充電成本，即有序充電策略下的用戶充電成本應(yīng)該小于無序充電時(shí)的成本。

在保證滿足充電需求的前提下，以電動(dòng)汽車響應(yīng)有序充電策略需滿足的條件為約束，從電網(wǎng)系統(tǒng)和電動(dòng)汽車用戶兩個(gè)角度出發(fā)，以電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和用戶充電費(fèi)用為目標(biāo)，以提高電網(wǎng)運(yùn)營經(jīng)濟(jì)安全性和節(jié)約用戶費(fèi)用成本的非線性雙目標(biāo)規(guī)劃策略。該策略，可推斷電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和用戶費(fèi)用成本的有序充電策略和電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)。

1. 有序充電的作用

為了減小無序充電對電網(wǎng)的不良影響，提出了電動(dòng)汽車有序充電策略。首先引入了EV用戶積極響應(yīng)有序充電策略的電價(jià)啟動(dòng)閾值和關(guān)閉閾值，提出了分時(shí)電價(jià)的制定方法；其次，綜合考慮電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷波動(dòng)及電動(dòng)汽車用戶側(cè)充電費(fèi)用，以充電容量、充電需求、充電時(shí)長等為約束條件，提出了基于分時(shí)電價(jià)下的雙目標(biāo)非線性規(guī)劃策略，結(jié)果表明，該策略下的有序充電，能夠有效地減小電網(wǎng)負(fù)荷曲線波動(dòng)，保障了用電質(zhì)量，有利于電網(wǎng)長久穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，能夠限度節(jié)省電動(dòng)汽車用戶充電費(fèi)用，提高了用戶滿意度，有利于電動(dòng)汽車長期發(fā)展。后續(xù)工作可以繼續(xù)研究實(shí)時(shí)電價(jià)下的有序充電策略，比較分時(shí)電價(jià)與實(shí)時(shí)電價(jià)的優(yōu)劣性。

4安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)選型方案

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5.總結(jié)

傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力能源主要來源于汽油燃燒，這不僅會加劇我國化石能源短缺的窘迫現(xiàn)狀，還會產(chǎn)生各種污染尾氣，背離了我國“綠色環(huán)保”發(fā)展理念。而電動(dòng)汽車作為一種新興產(chǎn)業(yè)，以電產(chǎn)能，具有“，低噪聲，節(jié)能環(huán)保”的特點(diǎn)，它的出現(xiàn)，有效地緩解了環(huán)境能源問題。因此，大力發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)成為了*世界的共識。

本文研究了電動(dòng)汽車無序充電對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。首先從用戶出行方式、出發(fā)時(shí)刻以及出行距離等特征進(jìn)行分析，其次，通過用戶荷電狀態(tài)期望值與電動(dòng)汽車的初始荷電狀態(tài)，以電動(dòng)汽車用戶的人均滿意度為目標(biāo)，充電時(shí)長、充電功率、用戶需求等為約束條件，反應(yīng)了無序充電對電網(wǎng)帶來的影響。

在無序充電研究的基礎(chǔ)上，提出了雙目標(biāo)規(guī)劃下的電動(dòng)汽車有序充電策略。首先引入了EV用戶能夠積極響應(yīng)有序充電策略的電價(jià)啟動(dòng)閾值和關(guān)閉閾值，提出了分時(shí)電價(jià)的制定方法；其次，綜合考慮電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)及EV用戶側(cè)，以電網(wǎng)負(fù)荷曲線波動(dòng)和EV用戶充電費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，以充電容量、充電需求、充電時(shí)長等為約束條件，建立了基于分時(shí)電價(jià)下的雙目標(biāo)非線性規(guī)劃策略。

參考文獻(xiàn)：

1. 謝遠(yuǎn)德.電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃及有序充電策略研究

2. 謝遠(yuǎn)德,張鄰,鄧沙麗,何潔朦.電動(dòng)汽車充電設(shè)施優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局研究

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05版