浅谈电动汽车有序充电管理优化策略研究

摘要：节能减排、智能化、驾驶品质等的优点使得电动汽车的发展前景广阔，国家对其的关注度及相关投入占比也加重，电动汽车发展迅速。其使用便捷，成本较低的特点也成为了越来越多的人在出行时的选择。但接踵而至的便是电动汽车充电问题，更多的电动汽车充电会对电网造成冲击，但是扩大基础设施的建设并不能马上见效且成本较高，所以对电动汽车进行充电管理便成了见效快且低成本的方式。基于此，研究电动汽车有序充电管理优化策略具有重要意义。首先引入了用户需求响应和电价在充电市场中的作用和参与方式，分析用户充电特性。阐述了不同的有序充电管理方式，并基于电动汽车无序充电模型，分析发现电动汽车用户执行充电管理策略的积极性受用户需求、时间和成本等因素作用。研究分析分时电价与实时电价影响下，区域内博弈充电模式的负荷聚合商实时定价策略和收益，以及不同类型数量电动汽车用户在此机制下的充电选择对负荷聚合商定价、用户充电成本的影响，并讨论了储能设备容量大小对负荷聚合商收益的作用。

关键词：电动汽车，有序充电管理，充电选择

1. 引言

随着全球经济化高速发展，人们的出行方式发生巨大变化，以石油等能源为动力源的汽车成为了主要的通行工具之一，便利的同时不仅引起地球资源的巨大消耗，也导致环境污染更加严重。全球各国当局选择发展使用清洁能源、节能减排且体量大的电动汽车来应对这一系列问题。我国在推行新能源发展方面，实行购车补贴、免征购车税、增加基础建设等相关措施。据统计，2015年-2022年我国新能源汽车保有量及纯电动汽车保有量增长速度快，如图1所示，可以看出其中占比重的是纯电动型，研究表明，到2030年全国电动汽车保有量将突破2000万大关，可以预见,未来将有大规模可移动的新能源汽车充电负荷参与电网。

图1电动汽车保有量

2.电动汽车快速增多带来的影响

电动汽车消耗的是二次可再生能源——电能，根据用户实际出行习惯进行使用，电动汽车充电负荷具有随机性和可移动性，广泛接入会给电网系统的安全稳定运作带来很大程度的不良影响。首先，电网局部过负荷，用户对电动汽车实施充电行为受主观意识影响，具有不可控因素，可能会在居民用电高峰时段接入进行充电，导致电网负荷局部集中化，在基础用电上加重高负荷峰时段，加深负荷峰谷差，增加了电力系统的负载，甚至可能超越区域变压器的自身承受能力，造成电力系统的损伤。且额外的充电负荷需电网进行电量供应以满足，增加了电网供电成本和电力系统维护成本。其次，电网运行优化调控难度增加，电动汽车的出行规律不尽相同，如出行方式、用车习惯和性格个性等，所以用户充电需求在时间和空间分布上具备一定随机性，加大了电动汽车接入电网实施充电调度和控制的不确定性，影响了区域内充电负荷预测与电网监测调。降低了电能质量，且对电网电能传输的控制造成冲击，导致电压下降、谐波污染、三相不平衡等不利后果，不利于电网的稳定运行。还有充电站利用不均衡、用户时间成本高等问题。

可以通过加大基础建设来进行负荷调节，如增加发电、扩大容量、加强电网承受能力等，但这不仅会造成严重的人力、财力及资源的浪费，不能快速见效，且效果也不一定很好。所以，为了保证新能源汽车产业能够蓬勃发展，针对电动汽车随机无序充电对电网造成的一系列影响，对电动汽车充电实施有序充电优化管理是有必要的。在满足用户基础需求下对电动汽车实施有序充电管理，通过对用户进行充电时间、充电地点和充电成本分析，对电网负荷分布或充电站总负荷利用等进行调配管理，合理有效的降低电动汽车用户、电网、充电站三方的成本，提升效益，实现电动汽车与电网的协调互助，现代社会迅速发展。

3.有序充电管理分析

3.1用户需求响应

面对多种需求，的处理方法是进行需求响应管理，了解电网的电能需求并进行响应附和，通过电力供应方实施调节措施去促进用户改变用电模式进行有序充电管理，从而减小某时段的用电负荷，维护电网系统稳定运行。

需求侧响应主要分成两类：基于激励类和基于价格类。激励类产生的需求分为直接负荷控制、可中断负荷、紧急响应、需求侧竞价、容量市场和辅助服务等部分，由负荷聚合商等电力售放组织控制，根据用户需求和电网系统充电情况制定充电策略，对参加响应的电动汽车用户给予一定补贴，该措施可以促进激励用户在电力市场中实时响应，激励侧需求响应不仅可以参与主能量市场的竞争，还可以提供辅助服务。

直接负荷控制是指供电机构与用户签订合约，在电网负荷过高时，供电机构可直接对签约用户进行停止供电处理，对是否进行电能供应有控制权。可中断负荷指供电机构与用户签订有关响应时间的协议，当机构需要电力进行调节时，向用户发出需要响应的信号，用户按照合约内容实施相应措施配合调度，如未实时行动，则需按合同赔偿供电机构一定损失。紧急需求响应也是与供电机构签订合约，与可中断负荷不同的是不响应供电机构号召的用户不会有损失，而积极响应号召的用户会得到供电机构提供的一定奖励，此时的用户自身的需求和条件决定了是否会响应号召，有一定用户心理因素，所以在解决电网负荷过高情况没有前两项效果显著。需求侧竞价基于容量市场和附加辅助服务，三者相辅相成，首先供电机构设置市场电能容量，并拟定辅助服务计划，然后用户通过竞拍价格或订购合同方式参与批发市场项目竞争，供电机构根据投标者所提供的价格价格和订购电量决定中标者，用户竞标成功后按照提交的项目书执行，否则会受到惩罚，此响应有助于电价的制定。

3.2电价

电动汽车用户对电价的响应有两种方式：充电响应和充放电响应。充电响应表示用户根据供电机构提供的电价选择在某一时段不进行充电或多充电。充放电响应表示用户不仅选择电网低负荷时段选择进行电能补充，而且高负荷时段向电网反向提供电，能够得到一定收益。

当前我国使用广、应用成熟的引导用户进行有序充电管理的电价模式是分时电价，根据电网日常用电负荷将一天分成几个时间段，分别制订有差异的电价，促使用户调整用电时间，达成管理要求，并加大资源使用率。

3.3有序充电对电动汽车充电管理影响

3.3.1分层分区有序充电管理

电动汽车保有量的增加，给电网负荷量、充电设施带来了巨大的压力，且不同区域的居民基础用电负荷、变压器容量等存在差异。若由电力公司统一进行供电会导致负荷分配不均、效率低下等问题，因此，需要对电动汽车充电实施分层分区的有序充电管理。主要分为三个层，前两层属电网层，第一层为电力管理中心，电力系统根据下级上报的需求信息为区域管理中心制定合适的负荷分配标准并提供电量。第二层为区域管理中心，收集不同区域上传的的基础用电负荷和充电需求，并向上级汇报，根据电力系统下达的分配标准制定负荷计划管理向区域内的充电站发布充电安排，对区域内电动汽车进行集中管控。第三层为充电站管理中心，属于充电站层，依据电动汽车用户输入的充电需求和历史负荷水平向上级汇报所需电量信息，并依照区域管理中心下发的充电安排在保证用户基本充电需求的前提下为电动汽车供电。

3.3.2分时段有序充电管理

电动汽车接入电网进行充电的时间取决于用户心理，充电站无法预设下一辆电动汽车的抵达时间和需求，需采用分时段充电管理进行充电安排，当前的电动汽车进行充电方式有两种：可间断充电、不可间断充电。可间断充电方式是指把计算得到电动汽车充电时间分为多个时段，由上级管理中心根据用户终需求将各时段分布到一天内充电时间，并利用充电桩将信息传递给电动汽车完成充电工作。

4安科瑞充电桩收费运营云平台系统助力有序充电开展

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

4.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

4.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

4.4安科瑞充电桩云平台系统功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

4.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

4.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

4.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

4.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

4.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

4.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

4.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

4.5硬件配置

1. 总结

面临越来越严重的环境污染，减小燃油汽车的使用频率，推广新能源汽车迫在眉睫。国家积极制定电动汽车科技战略，促进电动汽车行业技术的进步，将来会有大量的电动汽车进入电网实施充电，由于人的自主意识，充电过程存在较大的随机性，对电网系统的承受能力提出了重大的挑战，需要制定相关的措施调节管理这些行为。对比无序充电模式，有序充电在管理用户成本和电网负荷方面有积极影响，且用户的出行和充电行为具有很强的时空分布性，表明了实施有序充电管理的可行性。