浅谈计及公共桩数量的居民区电动汽车有序充电策略

【摘要】为了解决居民区充电设施不足导致的 “充电难”以及电动汽车接入电网导致的负荷波动过大等问题,提出一种考虑居民区公共充电桩电动汽车接纳量的两阶段有序充电模型。一阶段模型优先考虑居民区公共充电桩的电动汽车接纳量,二阶段模型根据一阶段的结果,共同进行私人桩与公共桩的有序充电安排。最后对某充电桩数目受限的居民小区进行仿真分析,仿真结果表明提出的有序充电策略能够更合理地安排公共桩用户的充电计划。

【关键词】电动汽车;居民区;有序充电;公共桩

0 引言

新能源技术得到大力发展与推广,电动汽车(EV)数量也随之快速增长。EV 的充电行为若无法得到正确控制,则会对电力系统的安全经济运行带来很大影响。因此,EV 的有序充电策略已成为当下的研究热点。居民小区为 EV 的主要充电场所,但目前小区充电设施的建设难以跟上 EV 的增长速度。其主要原因包括:小区的变压器容量有限、增容费用高昂,居民没有固定停车位,无法申请充电桩。为了缓解充电设施紧张的问题,居民区通常会配建公共充电车位,通过充电车位分时共享机制,为用户充电创造条件。基于TOPSIS方法建立了居民区 EV 有序充电策略。基于参数控制和有效区间控制提出了两种充电策略,并通过算例仿真验证其有效性。文献通过网格选取法规划EV的充电时段并通过遗传算法进行验证。然而上述研究多为居民区充电桩充足的情况,对充电桩不足情况的研究较少,因此本文通过将居民区充电桩划分为公共桩以及私人桩,提出一种两阶段模型有序充电策略,并对所提策略进行算例分析,验证方法的可行性。

1 计及公共桩数目的有序充电策略

EV充电桩根据归属权的不同,可分为由个人购买的安装于私人停车位的私人充电桩与由小区物业或相关服务商在小区公共区域内建设的公共充电桩。私人用户具有“一车一桩”的接电条件,可选择在任意时间段进行充电,充电时间较灵活,具有较大的调整空间。公共桩归属权不为个人,难以安排EV长时间占用停车位来进行有序充电,通常应优先满足用户的充电需求,之后才能进行有序充电的调控。在优先满足公共桩用户充电需求的情况下,本文将 EV 的接纳状态分为三类。

(1)充电桩溢出状态,即公共桩的数目 Ncom 不小于有充电需求的公共桩用户的数目 Ndem 。

(2)充电桩充足状态,即 Ncom

(3)充电桩不足状态,即 Ncom

1.2 有序充电流程

(1)初始化,读取基础负荷、公共桩用户上报的充电需求数目、行程安排以及电池状态等参数。

(2)判断上报的充电需求数目与居民区内公共桩的数目大小,当 Ncom ≥Ndem 时,处于充电桩溢出状态,采取常规有序充电策略;当 Ncom

(3)求解日内阶段有序充电模型得到充电计划,判断公共充电桩的接纳量 Nxn,当 Nxn

2、有序充电模型

(1)目标函数

日前阶段确定公共桩对EV的接纳状态,因此以居民区公共桩 EV 接纳量 Nxn为目标函数:

(2)EV 充电约束

假设EV采用恒功率充电模式,充电功率约束为:

式中,Pch,n,t、Pch,max分别为t时刻 EV 实际充电功率与额定充电功率;Ln,t为EV在t时刻的充电状态变量。

（3）公共充电桩使用约束

EV需要占用公共桩的停车位才可以充电,且只能进行1次充电:

式中,yn,t为 EV 开始使用公共桩停车位的状态变量;un,t 为t时刻 EV 是否占用公共桩停车位的状态变量。

同一时间占用公共桩停车位的 EV 数目不超过公共充电桩的数目:

（4）深夜时段调度约束

考虑到居民正常的作息时间,当公共桩用户在深夜时段返回时,不会改变公共桩停车位的占用状态:

(5)充电需求满足约束

如果EV使用了公共桩,就必须满足其充电需求:

当处于充电桩不足状态时,部分 EV 的充电需求无法得到满足:

(6)变压器容量约束

基础负荷与EV充电负荷叠加后,不能超过居民区变压器的负载能力:

2.2日内阶段

在求取公共桩EV接纳量后,考虑到日前模型的多解性,以日前阶段优化结果作为约束条件,以在不影响公共桩EV 接纳量的基础上进行日内有序充电优化。

(1)目标函数

为了减小居民区负荷波动对上级电网的影响,以小与配电网的交互功率波动为目标,同时考虑用户的充电成本以及公共桩用户排队的等待时间,有:

式中,Nxn,max为日前阶段得到的公共桩 EV 大的接纳量。

3 算例分析

以同时带有私人桩与公共桩的某居民小区验证本文所提居民区电动汽车有序充电策略。分时电价见表1,变压器额定容量与基础负荷。假设居民区内有50辆EV配备有私人 桩。公 共 桩 上 报 的 充 电 需 求 为 50 辆。EV 电池容量均为35kWh,充电效率为0.95,充电功率为3kW。公共充电桩共10台,充电方式为一桩一充。EV返回时刻与出行时刻分别服从 N(17.47,3.41)、N(8.92,3.24)的正态分布,返回时的SOC服从 N(0.51,0.18)的正态分布,期望SOC均设为0.9。

真结果。可以看出,无序充电时,负荷在用户返回的高峰时期显著增长,又因用户返回高峰时段与负荷峰时段部分重合(16:00~22:00),出现了 “峰上加峰”的现象,高负荷为1359.9kW,使得变压器过载,影响用电安全;而在本文策略中,部分充电行为转移到了谷时段(00:00~08:00),负荷的峰谷差值降低了38.19%,总充电成本降低了37.61%,实现了电网侧与用户侧的 “双赢”,同时完成充电的公共桩 EV 由36辆上升到了42辆,居民区的电动汽车接纳量得到了显著的提升。

4、安科瑞AcrelCloud-9000充电站运营平台

4.1平台概述

安科瑞充电站运营平台依托物联网、云计算、互联网、大数据、AI等技术，对充电站配电系统的运行、电能消耗、电能质量、充电安全和行为安全进行实时监控和预警，为充电站的可靠、安全、经济运行提供保障，并及时切除安全隐患、避免电气火灾发生，从而保障人员的生命财产安全，打造“安全、高效、舒适、绿色”的“人—车—桩—电网—互联网—多种增值业务”的智慧充电站，提升充电站的社会和经济价值。

4.2适用场合

可广泛应用于医院、学校、酒店、体育场等公共建筑；商业广场、产业园等综合园区；企业、住宅小区等场所。

4.3系统结构

平台采用分层分布式结构，主要由感知层、网络层和平台层三个部分组成，详细拓扑结构如下：

现场设备层：连接于网络中的各类传感器，包括多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电能质量分析仪表、电气火灾探测器、限流式保护器、烟雾传感器、测温装置、智能插座、摄像头等。

网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

平台管理层：包含应用服务器和数据服务器，完成对现场所有智能设备的数据交换，可在PC端或移动端实现实时监测充电站配电系统运行状态、充电桩的工作状态、充电过程及人员行为，并完成微信、支付宝在线支付等应用。

多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电气火灾探测器、限流式保护器、智能插座可通过全网通4G通讯模组与平台直接通讯。

电能质量分析仪表、烟雾传感器和测温装置通过RS485，摄像头通过RJ45与智能网关通讯，再由智能网关通讯通过4G统一与平台通讯。

限流式保护器既可以通过4G连接平台，也可以通过RS485连接网关。

平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能联网的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

4.4相关产品介绍

4.4.17KW交流充电桩AEV-AC007D

产品功能

1）智能监测：充电桩智能控制器对充电桩具备测量、控制与保护的功能，如运行状态监测、故障状态监测、充电计量与计费以及充电过程的联动控制等。

2）智能计量：输出配置智能电能表，进行充电计量，具备完善的通信功能，可将计量信息通过RS485分别上传给充电桩智能控制器和网络运营平台。

3）云平台：具备连接云平台的功能，可以实现实时监控，财务报表分析等等。

4）保护功能：具备防雷保护、过载保护、短路保护，漏电保护和接地保护等功能。

5）材质可靠：保证长期使用并抵御复杂天气环境。

4）适配车型：满足国标充电接口，适配所有符合GB/T20234.2-2015国标的电动汽车，适应不同车型的不同功率。

7）资产安全：产品全部由中国平安保险承保，充分保障设备、车辆、人员的安全。

4.4.2直流充电桩系列

4.4.3电气火灾探测器ARCM300-Z

名称

图片

功能

电气火灾监控装置

三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、COSφ），视在电能、四象限电能计算，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，2路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，1路独立RS485/Modbus通讯，支持4G/NB等多种无线上传方案，支持断电报警上传功能。

4.4.4限流式保护器ASCP200

产品功能：

1）短路保护：保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号；

2）过载保护：当线路电流过载且持续时间超过动作时间（3~40秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号；

3）表内超温保护：当保护器内部器件工作温度过高时，保护器实施超温限流保护，并发出声光报警信号；

4）组网通讯：保护器具有1路RS485接口，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。

4.5平台功能

4.5.1首页

平台首页显示充电站的位置及在线情况，统计充电站的充电数据

4.5.2实时监控

1）充电站监控

可以按站点名称进行筛选，显示站点详情、充电枪列表、统计订单信息、故障记录，点击某个充电枪编号后在进入充电枪监控页面实时监测变压器负荷（搭配ACM300T、ADW300），当负荷超过50%时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为50%，当变压器负荷超过80%时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。如图所示：

统计当前充电站各充电桩回路的数据；通过卡片的形式展现充电桩的数据；显示故障列表；如图所示：

2）充电桩监控

显示充电桩充电数据；显示各回路的充电状态；可以对充电中的回路进行手动终止；显示订单信息、故障信息；如图所示：

3）设备监控

显示限流式保护器的状态，包括线路中的剩余电流、温度及异常报警，如图所示：

4.5.3故障管理

1）故障查询

故障查询中记录了登录用户相关联的所有故障信息。如图所示：

2）故障派发

故障派发中记录了当前待派发的故障信息。如图所示：

3）故障处理

故障处理中记录了当前待处理的故障信息。如图所示：

4.5.4能耗分析

在能耗分析中，可查看指定时段关联站点和关联桩的能耗信息并显示对应的能耗趋势图。如图所示：

4.5.5故障分析

在故障分析中，可查看相关时间内的故障数、故障状态、故障类型、趋势分析以及故障列表。如图所示：

4.5.4财务报表

在财务报表中，可根据时间查看关联站点的财务数据。如图所示：

4.5.7收益查询

在收益查询中，可查看总的收益统计、收益变化曲线图、支付占比饼图以及实际收益报表。如图所示：

5、结语

本文所提策略通过对EV进行合理充放电调度,有效减小了负荷峰谷差及波动,降低了用户的充电成本,提高EV入网后配电网运行的经济性和安全性,保证了电网与EV车 主 的 利 益, 更多地满足了公共桩用户的充电需求。

参考文献

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

作者介绍：

叶丹，女，任职于江苏安科瑞电能服务股份有限公司，从事电动汽车有序充电的设计及商务咨询，手机：19821800313（微信同号），QQ:2743338183，邮箱:2743338183@qq.com

审核编辑 黄宇