基于峰谷電價的新能源電動汽車有序充電策略

摘要：面對愈發(fā)嚴峻的碳排放現(xiàn)狀，發(fā)展、清潔的電動汽車是當前社會減少對化石能源依賴、減少空氣污染的關鍵方法。但電動汽車作為一種靈活的隨機負荷，大規(guī)模地接入運行電網(wǎng)充電，會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生負面的影響。本文為解決此問題，提出了一種基于峰谷電價的有序充電策略，以此合理引導電動汽車用戶進行充電，助力電動汽車行業(yè)和智能電網(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)展。

1研究背景

隨著社會科技的不斷發(fā)展，人類對各領域的探索不斷加深，能源的消耗與需求也隨之不斷攀升，二氧化碳排放量的高速增長使得全球環(huán)境發(fā)生著令人心驚的變化，工業(yè)文明和生態(tài)文明在工業(yè)化發(fā)展的過程中激烈碰撞。中國作為全球二氧化碳排放量的國家，在溫室氣體減排方面面臨著的國際壓力。2021年10月，中國國務院印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》，這將深刻重塑我國的能源結構與產(chǎn)業(yè)結構，轉變社會生產(chǎn)方式與人民生活方式。

電動汽車以車載電池提供的電源為動力，是集汽車的新技術改革、電子科技發(fā)展、新材料技術和電池儲能技術一體的高新技術結合體，具有高能效、低污染、低噪音的優(yōu)點，是能源需求端清潔化的重要綠色消耗設備，是全球應對溫室氣體減排的新一代清潔交通工具。電動汽車的突出優(yōu)點是：運行過程中不排放污染環(huán)境的有害氣體，且從電力能源供應端而言，也具有電力獲得來源多樣性、可控性的特點，能從如風力、太陽能、水勢能、核能等多渠道獲取電力，由此大力轉變人類對石油等能源的依賴。同時，電動汽車作為一種靈活負載，可以充分發(fā)揮其靈活性的特點，引導電動汽車用戶利用晚間等用電低谷時進行充電行為，以此實現(xiàn)電網(wǎng)負荷曲線的“削峰填谷”，提高電力設備的利用率，提升電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。所以，電動汽車的推廣覆蓋，普及大眾用戶是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟社會轉型的重要方式，也是未來汽車發(fā)展的重要方向，這也受到全球各國政府及汽車企業(yè)的高度重視。為加快電動汽車行業(yè)的發(fā)展，各國政府均出臺了電動汽車相關研究激勵以及電價補貼的政策，如美國2019年宣布將拿出5900萬美元撥款，用于電動汽車車載電池、電動發(fā)電機等技術研究；歐洲多國政府不僅在本國建立了科技研發(fā)基金，還聯(lián)合多國加強對電池技術的研究，有望在2050年實現(xiàn)電動汽車100%覆蓋的目標。

2.研究意義

電動汽車是解決溫室氣體排放量問題的重要方法，但同時電動汽車也是不容忽視的主動負荷。近10年來，隨著電動汽車概念深入人心，充電配套設施日益完善，電動汽車覆蓋率不斷提高，所增加的充電負荷也在不斷上升。在不遠的未來，電動汽車大規(guī)模覆蓋的場景下，因為其充電過程的隨機性和不確定性，若不經(jīng)引導隨意加入電網(wǎng)進行充電行為，必然會帶來電力負荷的大幅波動，增加電網(wǎng)統(tǒng)籌調度難度，對電力系統(tǒng)建設及電網(wǎng)運行產(chǎn)生嚴重影響，所以引導電動汽車有序充電具有重要的研究意義。

電動汽車作為一種新型負載，有其隨機性和靈活性。而由于電動汽車充電時間與人們工作生活作息時間的重合，其充電負荷概率會與現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎運行負荷疊加形成“峰上加峰”的過載情況，進一步加重電網(wǎng)負荷，使得電網(wǎng)中的各節(jié)點電流上升速率突增，增加重載線路和重載變電站運行難度，導致電網(wǎng)損耗增加，進而將加速電網(wǎng)運、配、輸電設備的老化，對電力系統(tǒng)的安全運行和電力消費者的用電體驗都將造成了的負面影響。同時，若是為了滿足用電尖峰時刻的負荷，又會對電網(wǎng)增容提出更高要求，不利于電網(wǎng)建設的經(jīng)濟性和發(fā)展性。

根據(jù)以上論述，對于電動汽車接入電網(wǎng)所引起的負荷曲線峰谷差問題，有序引導用戶充電是研究的，而在這其中利用峰谷電價的經(jīng)濟引導是重要的可利用方式。智能電網(wǎng)作為現(xiàn)在電力系統(tǒng)電網(wǎng)建設的重要發(fā)展方向，通過對電網(wǎng)、充電設備以及充電汽車用戶三方數(shù)據(jù)信息的分析研判，應用基于峰谷電價對充電用戶的有序引導策略，從而達到對電網(wǎng)“削峰填谷”的目的，進而減小電網(wǎng)的運行損耗，增加電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，使得三方效益化，促進電動汽車更大規(guī)模推廣應用，推動能源需求側清潔化的轉變。

3智能電網(wǎng)下的電動汽車充電需求側管理

本章中，將介紹電動汽車在智能電網(wǎng)中的充電構架（感知層、網(wǎng)絡層及應用服務層），在此基礎上應用電力需求側管理方式，以電動汽車充電需求為核心，峰谷電價為手段，以此得到智能電網(wǎng)下的電動汽車充電需求側管理。

和傳統(tǒng)的電網(wǎng)不同，智能電網(wǎng)著力于信息交互與數(shù)據(jù)聯(lián)通，電動汽車在智能電網(wǎng)中可以獲取更多的電網(wǎng)運行信息及電價信息，而電動汽車的相關數(shù)據(jù)也將上傳到電網(wǎng)運行的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中。依托于這些數(shù)據(jù)和信息，一方面有利于電動汽車用戶獲得更好的電力服務，而另一方面也將有助于供電網(wǎng)絡的負荷預測和控制。本節(jié)將介紹電動汽車在智能電網(wǎng)中的充電構架，這也是電力需求側管理應用于電動汽車充電需求的基礎。在智能電網(wǎng)中，電動汽車充電構架可以分為3個層次，即感知層、網(wǎng)絡層及應用服務層。

3.1感知層

電動汽車充電構架中的第一層即感知層，在這個層級中包括電動汽車（EV）感知系統(tǒng)和充電網(wǎng)絡感知系統(tǒng)[34]。在發(fā)生充電行為的范圍里裝設傳感器、充電汽車終端、掃描儀器和無線射頻識別標簽等數(shù)據(jù)收集設備。電動汽車感知系統(tǒng)的建立包括各種通信元件和設備，并借助傳感器設備記錄和描述電動汽車充電行為中的各項數(shù)據(jù)和信息，如電池信息，目標識別，GPS定位和汽車狀態(tài)，所描述和記錄的數(shù)據(jù)不僅將記錄和保存在電動汽車數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中，也將通過信息傳輸系統(tǒng)到達網(wǎng)絡層。

3.2網(wǎng)絡層

完成感知層的信息采集和獲取后，智能電網(wǎng)中的網(wǎng)絡層會通過有線或者無線通信的方式得到信息。有線通訊通常用于固定充電器的設備，通過光纖網(wǎng)絡，電動汽車的充電服務提供平臺可以獲得正在進行充電汽車的相關狀態(tài)信息，并由此展開信息的分析和判斷。而無線通信則將用于非固定的電動汽車上，即可能需要獲取充電服務的移動電動汽車上。有線和無線的兩種通訊方式可以雙渠道收集電動汽車的各項數(shù)據(jù)，尤其是充電負荷需求的相關數(shù)據(jù)，這也使得供電網(wǎng)絡可以為電動汽車提供更好的充電服務信息，并能在此基礎上提供更好的充電服務策略，達到電動汽車用戶、供電網(wǎng)絡運行商的共贏。

3.3應用服務層

網(wǎng)絡層收集和獲取數(shù)據(jù)信息后，上傳到應用服務層，在本層展開對各類數(shù)據(jù)的綜合判斷和分析，由應用服務層作出的優(yōu)化充電服務方案和策略，是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析的支撐平臺，也是智能電網(wǎng)的核心部分。應用服務層對智能電網(wǎng)下的電動汽車充電行為進行全鏈條狀態(tài)分析，如充電狀態(tài)分析、充電費用計算、車載電池性能信息判斷以及與相關充電設備的連接信息，并對整個電動汽車充電需求服務體系進行優(yōu)化升級和運營。

3.4電力需求側管理

隨著電動汽車普及率不斷上升，越來越多的電動汽車充電負荷將接入電網(wǎng)，這必將對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，而智能電網(wǎng)中的電動汽車充電構架為加強充電負荷的管理提供了基礎和工具，由此引入電力需求側管理，對電動汽車充電負荷進行管理，以增加對這種靈活負荷管理的可控性和計劃性。

電力需求側管理，是指采用有效的激勵措施[42]，從電力的需求側引導電力消費者改變用電習慣和方式，由此提高電力需求側的用電效率。這種管理技術是建設智能電網(wǎng)的關鍵基礎技術，也是電網(wǎng)智慧化的重要部分。需求側管理的實現(xiàn)對于智能電網(wǎng)更好地提供電力服務有著舉足輕重的作用[43]，也是未來電網(wǎng)不斷進化完善的關鍵方向。

3.5電力需求側管理中的經(jīng)濟手段

3.5.1經(jīng)濟手段分類

電力需求側管理中的經(jīng)濟手段主要基于電價變化的需求響應，實施差異電價以用電電費的經(jīng)濟性引導電力消費者調整用電習慣?，F(xiàn)階段共有三種不同的電價類別，分別是：峰谷電價、實時電價和尖峰電價。

（1）峰谷電價

峰谷電價也稱為峰谷分時電價，是電力需求側管理經(jīng)濟手段中重要措施之一，它能有效地反映電網(wǎng)電力提供成本在不同時段的差別。峰谷電價中對應的高峰時段電價、平時段電價、低谷時段電價，三者價格依次降低，以此引導用戶在高峰時段減少用電，在低谷時段鼓勵用電。電網(wǎng)運營商一般偏好于峰谷電價策略，因為峰谷電價發(fā)布之后是靜態(tài)恒定的，和實時變化策略相比運營難度小，但相比實時電價反映供電運行成本具有一定的滯后性。

（2）實時電價

實時電價是與電網(wǎng)運行實時聯(lián)動的一種經(jīng)濟激勵手段，即是說電網(wǎng)運營者按照每小時浮動變化的電價向電力消費者收取費用，以此與電力市場的實時電力生產(chǎn)成本相符。而一般情況下，實時電價由電網(wǎng)運營者事先提供給消費者，消費者可以靈活選擇是否響應。

（3）尖峰電價

尖峰電價是指在峰谷電價和實時電價的基礎上衍生的一種電價機制[45]，尖峰電價在峰谷電價的基礎上加入尖峰費率進行調節(jié)，相比實時電價，尖峰電價的價格風險小，而和峰谷電價相比又有更多的靈活性。

峰谷電價（TOU）首先根據(jù)電網(wǎng)的負荷曲線情況，將負荷日運行周期按照每天24小時劃分為三個時段，分別為峰、平、谷。然后對不同的時段電力收費制定不同的電價，以此引導用電用戶合理安排用電時間，改變用電消費規(guī)律，在不改變或者少改變電網(wǎng)原始結構的基礎上，從整體上鼓勵用戶共同參與到電網(wǎng)負荷的削峰填谷中，提高電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

在本文中，不涉及峰谷分時電價的定價分析，故進行簡化處理，認為峰谷電價在一個合理水平內，既不影響電力生產(chǎn)端參與者的積極性，又能吸引電力消費用戶對此政策進行積極響應。

4基于峰谷電價的電動汽車有序充電策略

本章將基于智能電網(wǎng)電動汽車充電需求側管理，在峰谷電價的經(jīng)濟手段激勵下，建立電動汽車有序充電管理模型，并且引入了充電用戶守約激勵系數(shù)的概念，以此加強電動汽車用戶對于峰谷電價的響應程度，引導電動汽車用戶有序開展充電行為，以此減小電網(wǎng)峰谷差，降低電網(wǎng)損耗，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

智能電網(wǎng)下的電力需求側管理，有序充電策略由以下四個層級組成：

1）電動汽車；

2）充電設備；

3）次級控制；

4）電網(wǎng)控制。

電動汽車用戶進行充電服務時，將充電涉及到的相關信息經(jīng)過有線連接傳遞到充電設備（充電樁或充電站通信設施），而充電設備同樣也和電動汽車發(fā)生雙向信息傳遞，發(fā)送控制信號到電動汽車。同時，充電設備將采集到的電動汽車充電信息及充電設備信息發(fā)送到次級控制，接受次級控制的管理，并將管理信息層層下發(fā)至電動汽車。次級控制收集本區(qū)域內所有的充電信息，上傳到電網(wǎng)控制，電網(wǎng)控制對數(shù)據(jù)進行處理，進行電網(wǎng)穩(wěn)定運行和負荷控制的策略制定，對次級控制進行負荷管理指導并下達充電計劃安排，以此達到平滑負荷曲線，減低網(wǎng)損的目的。

4.2電動汽車有序充電控制模型

智能電網(wǎng)下，供電企業(yè)可以收集和分析電動汽車信息[57]，并接收電動汽車用戶的充電需求信息，在每個時段更新數(shù)據(jù)，檢測有多少電動汽車用戶提出用電需求，并由此規(guī)劃充電負荷，若充電負荷對電網(wǎng)負荷小于一定影響，則執(zhí)行上一時段充電調度安排。、由此，采用雞群優(yōu)化算法尋求電動汽車有序充電策略：

先隨機生成雞群N，雞群中的所有個體設定為在階段求解完成之后確定的時間區(qū)域內的連續(xù)時間段，且該時間段能滿足電動汽車充電用戶的充電需求；以電網(wǎng)負荷峰谷差為適應值函數(shù)，以適應值函數(shù)結果將雞群N劃分為幾個組，雞群個體根據(jù)各自的位置更新策略不斷調整位置，以不斷靠近食物位置，得到個體的位置和適應值。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺助力有序充電開展

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、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)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

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

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、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，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)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)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

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

5.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，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。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6總結

面對越加嚴峻的碳排放現(xiàn)狀，我國大力倡導能源清潔化，電動汽車將是未來新能源汽車的主要發(fā)展方向和推廣產(chǎn)品，其普及和發(fā)展已成為未來的必然趨勢。但電動汽車作為一種靈活的隨機負荷，大規(guī)模地接入運行電網(wǎng)充電，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和電力需求側管理提出了新的挑戰(zhàn)。首先介紹了電動汽車的發(fā)展背景，在電網(wǎng)充電設備和電動汽車越加緊密聯(lián)系下研究電動汽車有序充電控制管理的意義。接著分析了智能電網(wǎng)下電動汽車的充電構架，即感知層、網(wǎng)絡層、應用服務層。在此基礎上，對智能電網(wǎng)下的電力需求側管理進行了概念介紹和意義闡述，并對電力需求側管理的四個主要手段進行了分析，由此引入了峰谷電價的經(jīng)濟手段對電動汽車的充電行為進行引導。同時引入了面向電力消費者的守約激勵系數(shù)，加大經(jīng)濟手段的吸引力和價格杠桿作用，從而增加了電動汽車充電負荷的可預計性和可控性，以此得到了雙重約束條件下的電動汽車有序充電策略。

參考文獻：

[1] 李琴.基于峰谷電價的電動汽車有序充電策略

[2] 張晨曦.電動汽車入網(wǎng)技術及社會綜合效益研究

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