胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：為解決大規模電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充電導致電網(wǎng)出現“峰上加峰"現象，依據電動(dòng)汽車(chē)充電地點(diǎn)的不同將配電網(wǎng)劃分為居民區、辦公區、商業(yè)區微電網(wǎng)，提出基于峰谷差、分時(shí)電價(jià)、用戶(hù)充電滿(mǎn)意度多目標下的電動(dòng)汽車(chē)充電模式，建立了微電網(wǎng)內運營(yíng)商峰谷差—用戶(hù)充電費用少和充電滿(mǎn)意度的雙盈多目標優(yōu)化調度模型，采用上海市實(shí)際居民辦公商業(yè)混合體，基于MATLAB/NSGA?Ⅱ算法求解負荷整形度；采取粒子群優(yōu)化算法求解電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主達到充電滿(mǎn)意度；實(shí)現對電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)刻和充電功率的引導。實(shí)際算例仿真結果表明，該方法能有效降低配電網(wǎng)負荷峰谷差，提高電動(dòng)汽車(chē)充電效率，滿(mǎn)足用戶(hù)充電需求。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)群；電動(dòng)汽車(chē)；分時(shí)電價(jià)；多目標優(yōu)化調度；雙層優(yōu)化

為了應對全球氣候變暖和化石能源日益短缺的挑戰，中國提出了“雙碳"目標。國家電網(wǎng)公司發(fā)布了“碳達峰、碳中和"行動(dòng)方案。開(kāi)發(fā)和利用各種新型清潔能源，將電動(dòng)汽車(chē)（electricvehicle，EV）

與分布式能源相結合，對實(shí)現多種能源的優(yōu)勢互補具有十分重要的意義。大量電動(dòng)汽車(chē)接入微電網(wǎng)，對微電網(wǎng)群的協(xié)調優(yōu)化運行帶來(lái)了新的挑戰。隨著(zhù)分布式新能源的發(fā)展，傳統的單一微網(wǎng)模式已經(jīng)處于劣勢。微電網(wǎng)群將多個(gè)單一的微電網(wǎng)結合在一起，增強了微網(wǎng)系統的穩定性，使可再生能源能夠靈活滿(mǎn)足電力的多元化需求，并減少了電動(dòng)汽車(chē)充電負荷對傳統大電網(wǎng)的影響。在城市中，電動(dòng)汽車(chē)數量眾多，其電池具有電源與負荷的雙重特性，與分布式電源具有互補性。發(fā)展城市風(fēng)光儲一體化，可以減少遠距離輸電損耗，實(shí)現能源利用的。

電動(dòng)汽車(chē)充電難、充電價(jià)格不合理等問(wèn)題日益突出。文獻提出了電價(jià)引導的策略，通過(guò)制定動(dòng)態(tài)電價(jià)引導EV車(chē)主進(jìn)行有序充電，降低系統峰谷差，減少運行成本。文獻［提出電動(dòng)車(chē)智慧傳輸路徑，通過(guò)云傳輸來(lái)實(shí)現電動(dòng)車(chē)的充電協(xié)調與資源優(yōu)化匹配功能。文獻通過(guò)在樓宇中安裝風(fēng)力發(fā)電機，模擬了電動(dòng)汽車(chē)在樓宇中的充電行為特征，驗證了其在城市中的應用可能性。EV充電站具有分布式特點(diǎn)，在經(jīng)濟相對發(fā)達充電站密集的區域，輔以光伏發(fā)電，一定程度上減輕了電網(wǎng)負擔，并提高了供電可靠性。以往對于EV優(yōu)化調度的研究以單層優(yōu)化、單目標優(yōu)化為主，但EV優(yōu)化調度是復雜的多目標優(yōu)化問(wèn)題，因此文獻建立了包含EV的雙層優(yōu)化模型，通過(guò)博弈實(shí)現了充電站收益與電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主利益之間的平衡。隨機性與不確定性是EV充電時(shí)空需求方面的明顯特點(diǎn)，導致充電樁利用率不高，因此需要在電動(dòng)汽車(chē)充電優(yōu)化調度方面進(jìn)行研究。

基于以上背景，本文針對基于負荷變化制定分時(shí)充電電價(jià)的電動(dòng)汽車(chē)有序充電優(yōu)化調度策略進(jìn)行了研究。我們構建了運營(yíng)商—用戶(hù)雙層多目標優(yōu)化調度模型，將配電網(wǎng)劃分成居民區、辦公區、商業(yè)區微電網(wǎng)。在此基礎上，以微電網(wǎng)內電動(dòng)汽車(chē)為研究對象，依據負荷的變化制定日前分時(shí)充電電價(jià)，兼顧電網(wǎng)供電可靠性與電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的利益，引導電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)參與有序充電。

1含電動(dòng)汽車(chē)的微網(wǎng)群與日前分時(shí)電價(jià)

通過(guò)微電網(wǎng)群能量管理系統對微電網(wǎng)進(jìn)行控制，控制平臺在前一天將微網(wǎng)內部基本用電負荷、光伏與風(fēng)力發(fā)電機出力以及電動(dòng)汽車(chē)行為信息上傳至管理系統，從而對次日的微電網(wǎng)群內電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行調度。微網(wǎng)群結構示意如圖1所示。

圖1微電網(wǎng)群結構

由圖中可以看出，影響微電網(wǎng)群的因素由以下幾個(gè)方面組成：

（1）光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電的發(fā)電功率受到光照強度、外界溫度等多種因素的影響。

（2）風(fēng)力發(fā)電模型

風(fēng)力發(fā)電機的效率受多種因素影響，包括風(fēng)速大小、風(fēng)向以及風(fēng)速持續的時(shí)間等。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組具有風(fēng)能利用率高、啟動(dòng)風(fēng)速低等優(yōu)點(diǎn)。在低風(fēng)速下，結構更簡(jiǎn)單的垂直軸風(fēng)力渦輪機將提供自啟動(dòng)功能，并且不需要任何偏航機構。由于城市中高層建筑物數量眾多，建筑物頂部的風(fēng)速相對較大，這為小型風(fēng)力發(fā)電機的安裝和使用提供了條件。

1. 電動(dòng)汽車(chē)充電方式

目前，常見(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē)充電有交流充電、直流充電與換電3種方式。交流充電應用廣，在充電時(shí)電流較小，適用于家庭充電。直流充電是將交流電整流成直流電供給電池充電，多用在集中充電站，其充電電流大，輸出功率高，在對充電速度要求高的情況下使用。換電是通過(guò)更換已充滿(mǎn)電的電池組來(lái)達到充滿(mǎn)電的效果，但是由于不同汽車(chē)品牌的電池型號不統一，成為制約換電措施的因素。

（4）電動(dòng)汽車(chē)行為特性

電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間與行駛里程等特征不確定性大，用對數正態(tài)分布描述其行駛距離的概率，EV初始充電時(shí)間與結束時(shí)間的概率用正態(tài)分布表示。

（5）日前分時(shí)電價(jià)模型

制定靈活合理的EV充電電價(jià)能調動(dòng)車(chē)主參與電網(wǎng)調度的積極性，但目前EV充電電價(jià)多以固定電價(jià)的形式存在，電價(jià)形式較為單一，不能反映不同時(shí)段和負荷情況下的供需關(guān)系，這限制了EV充電電價(jià)的靈活性和適應性。因此，為鼓勵車(chē)主參與電網(wǎng)調度，實(shí)現電網(wǎng)的高效穩定運行，提前一天對微網(wǎng)內用電情況預測，依據每時(shí)間段負荷的不同，根據負荷變化確定日前分時(shí)電價(jià)，作為電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的充電電價(jià)。

依據負荷變化制定的分時(shí)電價(jià)，當負荷較高時(shí)，有大量電動(dòng)汽車(chē)接入會(huì )導致充電電價(jià)升高，對一些用戶(hù)而言會(huì )選擇換個(gè)時(shí)間段充電，從而實(shí)現對用戶(hù)充電行為的引導。

2微網(wǎng)群雙層多目標優(yōu)化調度

考慮微電網(wǎng)與電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)雙方利益，建立含電動(dòng)汽車(chē)的微網(wǎng)群雙層多目標優(yōu)化調度模型。外層兼顧微網(wǎng)系統穩定性與參與電動(dòng)汽車(chē)調度的用戶(hù)充電費用，依據制定的日前分時(shí)充電電價(jià)對電動(dòng)汽車(chē)充電行為進(jìn)行引導；內層以電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)充電滿(mǎn)意度為目標，構建雙層模型，實(shí)現微網(wǎng)群的優(yōu)化運行。

1. 外層優(yōu)化

為保證電網(wǎng)系統運行穩定性，外層優(yōu)化需要考慮系統功率平衡約束，風(fēng)機、光伏出力約束，傳輸線(xiàn)路容量約束。

1. 內層優(yōu)化

用電動(dòng)汽車(chē)SOC值來(lái)描述電動(dòng)汽車(chē)電量，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主達到出行滿(mǎn)意是充電結束時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的SOC達到自己的期望值。內層優(yōu)化需考慮充電功率與電動(dòng)汽車(chē)的SOC約束

1. 雙層多目標優(yōu)化求解流程

外層要考慮系統負荷波動(dòng)與電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)充電費用少的多目標優(yōu)化問(wèn)題。以微網(wǎng)群內電動(dòng)汽車(chē)充放電計劃為自變量，根據評判標準從外層優(yōu)化的Pareto解集中選出某一組解，作為電動(dòng)汽車(chē)參與調度的整體充放電計劃。再通過(guò)內層以電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主充電期望值為目標函數，得到每輛電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主的127電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報2024年1月充電量，采用粒子群算法求解。當所得解不滿(mǎn)足實(shí)際情況時(shí)，返回至外層多目標優(yōu)化階段，重新選擇一組解，繼續進(jìn)行內層優(yōu)化，直到得到的解滿(mǎn)足實(shí)際情況。優(yōu)化求解整體流程如圖2所示。

圖2優(yōu)化求解流程

3安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺系統選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

3.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據層和客戶(hù)端層。

2）數據采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

3.4.2實(shí)時(shí)監控

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

3.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。

3.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

3.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統計信息、能耗統計信息等。

3.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、凍結和解綁。

3.4.7運維APP

面向運維人員使用，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(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠程參數設置，同時(shí)可接收故障推送

3.4.8充電小程序

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

3.5系統硬件配置

4結語(yǔ)

針對電動(dòng)汽車(chē)在微電網(wǎng)中的優(yōu)化調度問(wèn)題，文中以EV充電地點(diǎn)的不同，將配電網(wǎng)劃分居民區、辦公區、商業(yè)區微電網(wǎng)，基于負荷變化制定日前分時(shí)電價(jià)，實(shí)現對電動(dòng)汽車(chē)充電行為的引導，提出了雙層多目標優(yōu)化調度模型，兼顧微電網(wǎng)與EV車(chē)主的利益，并進(jìn)行算例分析。

（1）建立的含EV的微電網(wǎng)群優(yōu)化調度模型降低了微電網(wǎng)中的負荷峰谷差，提高EV充電效率，滿(mǎn)足不同類(lèi)型EV用戶(hù)充電需求，可兼顧微電網(wǎng)和EV車(chē)主的利益，同時(shí)促進(jìn)了新能源的就地消納，實(shí)現能源的優(yōu)勢互補。

（2）依據負荷變化制定的分時(shí)充電電價(jià)有效地引導了用戶(hù)參與微電網(wǎng)調度，與無(wú)序充電相比，降低了一部分負荷波動(dòng)，大規模EV接入電網(wǎng)后效果將更加明顯。中國的電價(jià)朝著(zhù)實(shí)時(shí)電價(jià)的趨勢發(fā)展，還需進(jìn)一步研究實(shí)時(shí)電價(jià)下EV在微電網(wǎng)系統中的優(yōu)化調度。

參考文獻

1. 房超運，楊 昆，柴瑞環(huán).分時(shí)電價(jià)下含電動(dòng)汽車(chē)的微電網(wǎng)群雙層 多目標優(yōu)化調度

2. 別朝紅,任彥哲,李更豐，等.雙碳"目標下城市能源系 統的形態(tài)結構和發(fā)展路徑

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版