【摘要】為了解決居民區充電設施不足導致的 “充電難”以及電動汽車接入電網導致的負荷波動過大等問題,提出一種考慮居民區公共充電樁電動汽車接納量的兩階段有序充電模型。一階段模型優先考慮居民區公共充電樁的電動汽車接納量,二階段模型根據一階段的結果,共同進行私人樁與公共樁的有序充電安排。最后對某充電樁數目受限的居民小區進行仿真分析,仿真結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劃。

【關鍵詞】電動汽車;居民區;有序充電;公共樁

0 引言

新能源技術得到大力發展與推廣,電動汽車(EV)數量也隨之快速增長。EV 的充電行為若無法得到正確控制,則會對電力系統的安全經濟運行帶來很大影響。因此,EV 的有序充電策略已成為當下的研究熱點。居民小區為 EV 的主要充電場所,但目前小區充電設施的建設難以跟上 EV 的增長速度。其主要原因包括:小區的變壓器容量有限、增容費用高昂,居民沒有固定停車位,無法申請充電樁。為了緩解充電設施緊張的問題,居民區通常會配建公共充電車位,通過充電車位分時共享機制,為用戶充電創造條件。基于TOPSIS方法建立了居民區 EV 有序充電策略。基于參數控制和有效區間控制提出了兩種充電策略,并通過算例仿真驗證其有效性。文獻通過網格選取法規劃EV的充電時段并通過遺傳算法進行驗證。然而上述研究多為居民區充電樁充足的情況,對充電樁不足情況的研究較少,因此本文通過將居民區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,并對所提策略進行算例分析,驗證方法的可行性。

1 計及公共樁數目的有序充電策略

EV充電樁根據歸屬權的不同,可分為由個人購買的安裝于私人停車位的私人充電樁與由小區物業或相關服務商在小區公共區域內建設的公共充電樁。私人用戶具有“一車一樁”的接電條件,可選擇在任意時間段進行充電,充電時間較靈活,具有較大的調整空間。公共樁歸屬權不為個人,難以安排EV長時間占用停車位來進行有序充電,通常應優先滿足用戶的充電需求,之后才能進行有序充電的調控。在優先滿足公共樁用戶充電需求的情況下,本文將 EV 的接納狀態分為三類。

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

(2)充電樁充足狀態,即 Ncom

(3)充電樁不足狀態,即 Ncom

1.2 有序充電流程

(1)初始化,讀取基礎負荷、公共樁用戶上報的充電需求數目、行程安排以及電池狀態等參數。

(2)判斷上報的充電需求數目與居民區內公共樁的數目大小,當 Ncom ≥Ndem 時,處于充電樁溢出狀態,采取常規有序充電策略;當 Ncom

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

2、有序充電模型

(1)目標函數

日前階段確定公共樁對EV的接納狀態,因此以居民區公共樁 EV 接納量 Nxn為目標函數:

(2)EV 充電約束

假設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時刻 EV 實際充電功率與額定充電功率;Ln,t為EV在t時刻的充電狀態變量。

（3）公共充電樁使用約束

EV需要占用公共樁的停車位才可以充電,且只能進行1次充電:

式中,yn,t為 EV 開始使用公共樁停車位的狀態變量;un,t 為t時刻 EV 是否占用公共樁停車位的狀態變量。

同一時間占用公共樁停車位的 EV 數目不超過公共充電樁的數目:

（4）深夜時段調度約束

考慮到居民正常的作息時間,當公共樁用戶在深夜時段返回時,不會改變公共樁停車位的占用狀態:

(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:

當處于充電樁不足狀態時,部分 EV 的充電需求無法得到滿足:

(6)變壓器容量約束

基礎負荷與EV充電負荷疊加后,不能超過居民區變壓器的負載能力:

2.2日內階段

在求取公共樁EV接納量后,考慮到日前模型的多解性,以日前階段優化結果作為約束條件,以在不影響公共樁EV 接納量的基礎上進行日內有序充電優化。

(1)目標函數

為了減小居民區負荷波動對上級電網的影響,以小與配電網的交互功率波動為目標,同時考慮用戶的充電成本以及公共樁用戶排隊的等待時間,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

以同時帶有私人樁與公共樁的某居民小區驗證本文所提居民區電動汽車有序充電策略。分時電價見表1,變壓器額定容量與基礎負荷。假設居民區內有50輛EV配備有私人 樁。公 共 樁 上 報 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,充電方式為一樁一充。EV返回時刻與出行時刻分別服從 N(17.47,3.41)、N(8.92,3.24)的正態分布,返回時的SOC服從 N(0.51,0.18)的正態分布,期望SOC均設為0.9。

真結果。可以看出,無序充電時,負荷在用戶返回的高峰時期顯著增長,又因用戶返回高峰時段與負荷峰時段部分重合(16:00~22:00),出現了 “峰上加峰”的現象,高負荷為1359.9kW,使得變壓器過載,影響用電安全;而在本文策略中,部分充電行為轉移到了谷時段(00:00~08:00),負荷的峰谷差值降低了38.19%,總充電成本降低了37.61%,實現了電網側與用戶側的 “雙贏”,同時完成充電的公共樁 EV 由36輛上升到了42輛,居民區的電動汽車接納量得到了顯著的提升。

4、安科瑞AcrelCloud-9000充電站運營平臺

4.1平臺概述

安科瑞充電站運營平臺依托物聯網、云計算、互聯網、大數據、AI等技術，對充電站配電系統的運行、電能消耗、電能質量、充電安全和行為安全進行實時監控和預警，為充電站的可靠、安全、經濟運行提供保障，并及時切除安全隱患、避免電氣火災發生，從而保障人員的生命財產安全，打造“安全、高效、舒適、綠色”的“人—車—樁—電網—互聯網—多種增值業務”的智慧充電站，提升充電站的社會和經濟價值。

4.2適用場合

可廣泛應用于醫院、學校、酒店、體育場等公共建筑；商業廣場、產業園等綜合園區；企業、住宅小區等場所。

4.3系統結構

平臺采用分層分布式結構，主要由感知層、網絡層和平臺層三個部分組成，詳細拓撲結構如下：

現場設備層：連接于網絡中的各類傳感器，包括多功能電力儀表、汽車充電樁、電瓶車充電樁、電能質量分析儀表、電氣火災探測器、限流式保護器、煙霧傳感器、測溫裝置、智能插座、攝像頭等。

網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器和數據服務器，完成對現場所有智能設備的數據交換，可在PC端或移動端實現實時監測充電站配電系統運行狀態、充電樁的工作狀態、充電過程及人員行為，并完成微信、支付寶在線支付等應用。

多功能電力儀表、汽車充電樁、電瓶車充電樁、電氣火災探測器、限流式保護器、智能插座可通過全網通4G通訊模組與平臺直接通訊。

電能質量分析儀表、煙霧傳感器和測溫裝置通過RS485，攝像頭通過RJ45與智能網關通訊，再由智能網關通訊通過4G統一與平臺通訊。

限流式保護器既可以通過4G連接平臺，也可以通過RS485連接網關。

平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能聯網的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

4.4相關產品介紹

4.4.17KW交流充電樁AEV-AC007D

產品功能

1）智能監測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能，如運行狀態監測、故障狀態監測、充電計量與計費以及充電過程的聯動控制等。

2）智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能，可將計量信息通過RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網絡運營平臺。

3）云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現實時監控，財務報表分析等等。

4）保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能。

5）材質可靠：保證長期使用并抵御復雜天氣環境。

4）適配車型：滿足國標充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國標的電動汽車，適應不同車型的不同功率。

7）資產安全：產品全部由中國平安保險承保，充分保障設備、車輛、人員的安全。

4.4.2直流充電樁系列

4.4.3電氣火災探測器ARCM300-Z

名稱

圖片

功能

電氣火災監控裝置

三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、COSφ），視在電能、四象限電能計算，單回路剩余電流監測，4路溫度監測，2路繼電器輸出，2路開關量輸入，事件記錄，內置時鐘，點陣式LCD顯示，1路獨立RS485/Modbus通訊，支持4G/NB等多種無線上傳方案，支持斷電報警上傳功能。

4.4.4限流式保護器ASCP200

產品功能：

1）短路保護：保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號；

2）過載保護：當線路電流過載且持續時間超過動作時間（3~40秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發出聲光報警信號；

3）表內超溫保護：當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發出聲光報警信號；

4）組網通訊：保護器具有1路RS485接口，可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。

4.5平臺功能

4.5.1首頁

平臺首頁顯示充電站的位置及在線情況，統計充電站的充電數據

4.5.2實時監控

1）充電站監控

可以按站點名稱進行篩選，顯示站點詳情、充電槍列表、統計訂單信息、故障記錄，點擊某個充電槍編號后在進入充電槍監控頁面實時監測變壓器負荷（搭配ACM300T、ADW300），當負荷超過50%時，系統會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為50%，當變壓器負荷超過80%時，系統將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。如圖所示：

統計當前充電站各充電樁回路的數據；通過卡片的形式展現充電樁的數據；顯示故障列表；如圖所示：

2）充電樁監控

顯示充電樁充電數據；顯示各回路的充電狀態；可以對充電中的回路進行手動終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設備監控

顯示限流式保護器的狀態，包括線路中的剩余電流、溫度及異常報警，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聯的所有故障信息。如圖所示：

2）故障派發

故障派發中記錄了當前待派發的故障信息。如圖所示：

3）故障處理

故障處理中記錄了當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，可查看指定時段關聯站點和關聯樁的能耗信息并顯示對應的能耗趨勢圖。如圖所示：

4.5.5故障分析

在故障分析中，可查看相關時間內的故障數、故障狀態、故障類型、趨勢分析以及故障列表。如圖所示：

4.5.4財務報表

在財務報表中，可根據時間查看關聯站點的財務數據。如圖所示：

4.5.7收益查詢

在收益查詢中，可查看總的收益統計、收益變化曲線圖、支付占比餅圖以及實際收益報表。如圖所示：

5、結語

本文所提策略通過對EV進行合理充放電調度,有效減小了負荷峰谷差及波動,降低了用戶的充電成本,提高EV入網后配電網運行的經濟性和安全性,保證了電網與EV車 主 的 利 益, 更多地滿足了公共樁用戶的充電需求。

參考文獻

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者介紹：

葉丹，女，任職于江蘇安科瑞電能服務股份有限公司，從事電動汽車有序充電的設計及商務咨詢，手機：19821800313（微信同號），QQ:2743338183，郵箱:2743338183@qq.com

審核編輯 黃宇