【摘要】為了解決居民區(qū)充電設(shè)施不足導(dǎo)致的 “充電難”以及電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)導(dǎo)致的負(fù)荷波動(dòng)過(guò)大等問(wèn)題,提出一種考慮居民區(qū)公共充電樁電動(dòng)汽車(chē)接納量的兩階段有序充電模型。一階段模型優(yōu)先考慮居民區(qū)公共充電樁的電動(dòng)汽車(chē)接納量,二階段模型根據(jù)一階段的結(jié)果,共同進(jìn)行私人樁與公共樁的有序充電安排。最后對(duì)某充電樁數(shù)目受限的居民小區(qū)進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果表明提出的有序充電策略能夠更合理地安排公共樁用戶的充電計(jì)劃。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車(chē);居民區(qū);有序充電;公共樁

0 引言

新能源技術(shù)得到大力發(fā)展與推廣,電動(dòng)汽車(chē)(EV)數(shù)量也隨之快速增長(zhǎng)。EV 的充電行為若無(wú)法得到正確控制,則會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)很大影響。因此,EV 的有序充電策略已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。居民小區(qū)為 EV 的主要充電場(chǎng)所,但目前小區(qū)充電設(shè)施的建設(shè)難以跟上 EV 的增長(zhǎng)速度。其主要原因包括:小區(qū)的變壓器容量有限、增容費(fèi)用高昂,居民沒(méi)有固定停車(chē)位,無(wú)法申請(qǐng)充電樁。為了緩解充電設(shè)施緊張的問(wèn)題,居民區(qū)通常會(huì)配建公共充電車(chē)位,通過(guò)充電車(chē)位分時(shí)共享機(jī)制,為用戶充電創(chuàng)造條件?；赥OPSIS方法建立了居民區(qū) EV 有序充電策略?；趨?a target="_blank">數(shù)控制和有效區(qū)間控制提出了兩種充電策略,并通過(guò)算例仿真驗(yàn)證其有效性。文獻(xiàn)通過(guò)網(wǎng)格選取法規(guī)劃EV的充電時(shí)段并通過(guò)遺傳算法進(jìn)行驗(yàn)證。然而上述研究多為居民區(qū)充電樁充足的情況,對(duì)充電樁不足情況的研究較少,因此本文通過(guò)將居民區(qū)充電樁劃分為公共樁以及私人樁,提出一種兩階段模型有序充電策略,并對(duì)所提策略進(jìn)行算例分析,驗(yàn)證方法的可行性。

1 計(jì)及公共樁數(shù)目的有序充電策略

EV充電樁根據(jù)歸屬權(quán)的不同,可分為由個(gè)人購(gòu)買(mǎi)的安裝于私人停車(chē)位的私人充電樁與由小區(qū)物業(yè)或相關(guān)服務(wù)商在小區(qū)公共區(qū)域內(nèi)建設(shè)的公共充電樁。私人用戶具有“一車(chē)一樁”的接電條件,可選擇在任意時(shí)間段進(jìn)行充電,充電時(shí)間較靈活,具有較大的調(diào)整空間。公共樁歸屬權(quán)不為個(gè)人,難以安排EV長(zhǎng)時(shí)間占用停車(chē)位來(lái)進(jìn)行有序充電,通常應(yīng)優(yōu)先滿足用戶的充電需求,之后才能進(jìn)行有序充電的調(diào)控。在優(yōu)先滿足公共樁用戶充電需求的情況下,本文將 EV 的接納狀態(tài)分為三類(lèi)。

(1)充電樁溢出狀態(tài),即公共樁的數(shù)目 Ncom 不小于有充電需求的公共樁用戶的數(shù)目 Ndem 。

(2)充電樁充足狀態(tài),即 Ncom

(3)充電樁不足狀態(tài),即 Ncom

1.2 有序充電流程

(1)初始化,讀取基礎(chǔ)負(fù)荷、公共樁用戶上報(bào)的充電需求數(shù)目、行程安排以及電池狀態(tài)等參數(shù)。

(2)判斷上報(bào)的充電需求數(shù)目與居民區(qū)內(nèi)公共樁的數(shù)目大小,當(dāng) Ncom ≥Ndem 時(shí),處于充電樁溢出狀態(tài),采取常規(guī)有序充電策略;當(dāng) Ncom

(3)求解日內(nèi)階段有序充電模型得到充電計(jì)劃,判斷公共充電樁的接納量 Nxn,當(dāng) Nxn

2、有序充電模型

(1)目標(biāo)函數(shù)

日前階段確定公共樁對(duì)EV的接納狀態(tài),因此以居民區(qū)公共樁 EV 接納量 Nxn為目標(biāo)函數(shù):

(2)EV 充電約束

假設(shè)EV采用恒功率充電模式,充電功率約束為:

式中,Pch,n,t、Pch,max分別為t時(shí)刻 EV 實(shí)際充電功率與額定充電功率;Ln,t為EV在t時(shí)刻的充電狀態(tài)變量。

（3）公共充電樁使用約束

EV需要占用公共樁的停車(chē)位才可以充電,且只能進(jìn)行1次充電:

式中,yn,t為 EV 開(kāi)始使用公共樁停車(chē)位的狀態(tài)變量;un,t 為t時(shí)刻 EV 是否占用公共樁停車(chē)位的狀態(tài)變量。

同一時(shí)間占用公共樁停車(chē)位的 EV 數(shù)目不超過(guò)公共充電樁的數(shù)目:

（4）深夜時(shí)段調(diào)度約束

考慮到居民正常的作息時(shí)間,當(dāng)公共樁用戶在深夜時(shí)段返回時(shí),不會(huì)改變公共樁停車(chē)位的占用狀態(tài):

(5)充電需求滿足約束

如果EV使用了公共樁,就必須滿足其充電需求:

當(dāng)處于充電樁不足狀態(tài)時(shí),部分 EV 的充電需求無(wú)法得到滿足:

(6)變壓器容量約束

基礎(chǔ)負(fù)荷與EV充電負(fù)荷疊加后,不能超過(guò)居民區(qū)變壓器的負(fù)載能力:

2.2日內(nèi)階段

在求取公共樁EV接納量后,考慮到日前模型的多解性,以日前階段優(yōu)化結(jié)果作為約束條件,以在不影響公共樁EV 接納量的基礎(chǔ)上進(jìn)行日內(nèi)有序充電優(yōu)化。

(1)目標(biāo)函數(shù)

為了減小居民區(qū)負(fù)荷波動(dòng)對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響,以小與配電網(wǎng)的交互功率波動(dòng)為目標(biāo),同時(shí)考慮用戶的充電成本以及公共樁用戶排隊(duì)的等待時(shí)間,有:

式中,Nxn,max為日前階段得到的公共樁 EV 大的接納量。

3 算例分析

以同時(shí)帶有私人樁與公共樁的某居民小區(qū)驗(yàn)證本文所提居民區(qū)電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略。分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表1,變壓器額定容量與基礎(chǔ)負(fù)荷。假設(shè)居民區(qū)內(nèi)有50輛EV配備有私人 樁。公 共 樁 上 報(bào) 的 充 電 需 求 為 50 輛。EV 電池容量均為35kWh,充電效率為0.95,充電功率為3kW。公共充電樁共10臺(tái),充電方式為一樁一充。EV返回時(shí)刻與出行時(shí)刻分別服從 N(17.47,3.41)、N(8.92,3.24)的正態(tài)分布,返回時(shí)的SOC服從 N(0.51,0.18)的正態(tài)分布,期望SOC均設(shè)為0.9。

真結(jié)果?？梢钥闯?無(wú)序充電時(shí),負(fù)荷在用戶返回的高峰時(shí)期顯著增長(zhǎng),又因用戶返回高峰時(shí)段與負(fù)荷峰時(shí)段部分重合(16:00~22:00),出現(xiàn)了 “峰上加峰”的現(xiàn)象,高負(fù)荷為1359.9kW,使得變壓器過(guò)載,影響用電安全;而在本文策略中,部分充電行為轉(zhuǎn)移到了谷時(shí)段(00:00~08:00),負(fù)荷的峰谷差值降低了38.19%,總充電成本降低了37.61%,實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)的 “雙贏”,同時(shí)完成充電的公共樁 EV 由36輛上升到了42輛,居民區(qū)的電動(dòng)汽車(chē)接納量得到了顯著的提升。

4、安科瑞AcrelCloud-9000充電站運(yùn)營(yíng)平臺(tái)

4.1平臺(tái)概述

安科瑞充電站運(yùn)營(yíng)平臺(tái)依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，對(duì)充電站配電系統(tǒng)的運(yùn)行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障，并及時(shí)切除安全隱患、避免電氣火災(zāi)發(fā)生，從而保障人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，打造“安全、高效、舒適、綠色”的“人—車(chē)—樁—電網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)—多種增值業(yè)務(wù)”的智慧充電站，提升充電站的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4.2適用場(chǎng)合

可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、酒店、體育場(chǎng)等公共建筑；商業(yè)廣場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)園等綜合園區(qū)；企業(yè)、住宅小區(qū)等場(chǎng)所。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺(tái)層三個(gè)部分組成，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：連接于網(wǎng)絡(luò)中的各類(lèi)傳感器，包括多功能電力儀表、汽車(chē)充電樁、電瓶車(chē)充電樁、電能質(zhì)量分析儀表、電氣火災(zāi)探測(cè)器、限流式保護(hù)器、煙霧傳感器、測(cè)溫裝置、智能插座、攝像頭等。

網(wǎng)絡(luò)通訊層：包含現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺(tái)管理層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，可在PC端或移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電站配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、充電樁的工作狀態(tài)、充電過(guò)程及人員行為，并完成微信、支付寶在線支付等應(yīng)用。

多功能電力儀表、汽車(chē)充電樁、電瓶車(chē)充電樁、電氣火災(zāi)探測(cè)器、限流式保護(hù)器、智能插座可通過(guò)全網(wǎng)通4G通訊模組與平臺(tái)直接通訊。

電能質(zhì)量分析儀表、煙霧傳感器和測(cè)溫裝置通過(guò)RS485，攝像頭通過(guò)RJ45與智能網(wǎng)關(guān)通訊，再由智能網(wǎng)關(guān)通訊通過(guò)4G統(tǒng)一與平臺(tái)通訊。

限流式保護(hù)器既可以通過(guò)4G連接平臺(tái)，也可以通過(guò)RS485連接網(wǎng)關(guān)。

平臺(tái)搭建在客戶自己配置的服務(wù)器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能聯(lián)網(wǎng)的地方，通過(guò)有權(quán)限的賬號(hào)登陸網(wǎng)頁(yè)以及手機(jī)APP查看各處的運(yùn)行情況。

4.4相關(guān)產(chǎn)品介紹

4.4.17KW交流充電樁AEV-AC007D

產(chǎn)品功能

1）智能監(jiān)測(cè)：充電樁智能控制器對(duì)充電樁具備測(cè)量、控制與保護(hù)的功能，如運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)、充電計(jì)量與計(jì)費(fèi)以及充電過(guò)程的聯(lián)動(dòng)控制等。

2）智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能，可將計(jì)量信息通過(guò)RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。

3）云平臺(tái)：具備連接云平臺(tái)的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等。

4）保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能。

5）材質(zhì)可靠：保證長(zhǎng)期使用并抵御復(fù)雜天氣環(huán)境。

4）適配車(chē)型：滿足國(guó)標(biāo)充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國(guó)標(biāo)的電動(dòng)汽車(chē)，適應(yīng)不同車(chē)型的不同功率。

7）資產(chǎn)安全：產(chǎn)品全部由中國(guó)平安保險(xiǎn)承保，充分保障設(shè)備、車(chē)輛、人員的安全。

4.4.2直流充電樁系列

4.4.3電氣火災(zāi)探測(cè)器ARCM300-Z

名稱

圖片

功能

電氣火災(zāi)監(jiān)控裝置

三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、COSφ），視在電能、四象限電能計(jì)算，單回路剩余電流監(jiān)測(cè)，4路溫度監(jiān)測(cè)，2路繼電器輸出，2路開(kāi)關(guān)量輸入，事件記錄，內(nèi)置時(shí)鐘，點(diǎn)陣式LCD顯示，1路獨(dú)立RS485/Modbus通訊，支持4G/NB等多種無(wú)線上傳方案，支持?jǐn)嚯妶?bào)警上傳功能。

4.4.4限流式保護(hù)器ASCP200

產(chǎn)品功能：

1）短路保護(hù)：保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

2）過(guò)載保護(hù)：當(dāng)線路電流過(guò)載且持續(xù)時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3~40秒可設(shè)）時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

3）表內(nèi)超溫保護(hù)：當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)器實(shí)施超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

4）組網(wǎng)通訊：保護(hù)器具有1路RS485接口，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.5平臺(tái)功能

4.5.1首頁(yè)

平臺(tái)首頁(yè)顯示充電站的位置及在線情況，統(tǒng)計(jì)充電站的充電數(shù)據(jù)

4.5.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

1）充電站監(jiān)控

可以按站點(diǎn)名稱進(jìn)行篩選，顯示站點(diǎn)詳情、充電槍列表、統(tǒng)計(jì)訂單信息、故障記錄，點(diǎn)擊某個(gè)充電槍編號(hào)后在進(jìn)入充電槍監(jiān)控頁(yè)面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器負(fù)荷（搭配ACM300T、ADW300），當(dāng)負(fù)荷超過(guò)50%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為50%，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過(guò)80%時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開(kāi)始充電，直到負(fù)荷下降為止。如圖所示：

統(tǒng)計(jì)當(dāng)前充電站各充電樁回路的數(shù)據(jù)；通過(guò)卡片的形式展現(xiàn)充電樁的數(shù)據(jù)；顯示故障列表；如圖所示：

2）充電樁監(jiān)控

顯示充電樁充電數(shù)據(jù)；顯示各回路的充電狀態(tài)；可以對(duì)充電中的回路進(jìn)行手動(dòng)終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設(shè)備監(jiān)控

顯示限流式保護(hù)器的狀態(tài)，包括線路中的剩余電流、溫度及異常報(bào)警，如圖所示：

4.5.3故障管理

1）故障查詢

故障查詢中記錄了登錄用戶相關(guān)聯(lián)的所有故障信息。如圖所示：

2）故障派發(fā)

故障派發(fā)中記錄了當(dāng)前待派發(fā)的故障信息。如圖所示：

3）故障處理

故障處理中記錄了當(dāng)前待處理的故障信息。如圖所示：

4.5.4能耗分析

在能耗分析中，可查看指定時(shí)段關(guān)聯(lián)站點(diǎn)和關(guān)聯(lián)樁的能耗信息并顯示對(duì)應(yīng)的能耗趨勢(shì)圖。如圖所示：

4.5.5故障分析

在故障分析中，可查看相關(guān)時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)、故障狀態(tài)、故障類(lèi)型、趨勢(shì)分析以及故障列表。如圖所示：

4.5.4財(cái)務(wù)報(bào)表

在財(cái)務(wù)報(bào)表中，可根據(jù)時(shí)間查看關(guān)聯(lián)站點(diǎn)的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)。如圖所示：

4.5.7收益查詢

在收益查詢中，可查看總的收益統(tǒng)計(jì)、收益變化曲線圖、支付占比餅圖以及實(shí)際收益報(bào)表。如圖所示：

5、結(jié)語(yǔ)

本文所提策略通過(guò)對(duì)EV進(jìn)行合理充放電調(diào)度,有效減小了負(fù)荷峰谷差及波動(dòng),降低了用戶的充電成本,提高EV入網(wǎng)后配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性,保證了電網(wǎng)與EV車(chē) 主 的 利 益, 更多地滿足了公共樁用戶的充電需求。

參考文獻(xiàn)

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

作者介紹：

葉丹，女，任職于江蘇安科瑞電能服務(wù)股份有限公司，從事電動(dòng)汽車(chē)有序充電的設(shè)計(jì)及商務(wù)咨詢，手機(jī)：19821800313（微信同號(hào)），QQ:2743338183，郵箱:2743338183@qq.com

審核編輯 黃宇