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更新時間：2023-07-03
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吳柯霓
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：在住宅小區傳統建設模式下，充電樁安裝難、配套投資大，嚴重阻礙了充電樁在小區內進行普及使用。為解決該問題，本文首先調研了住宅小區內的電動汽車用戶的出行習慣和充電特點，提出了分時電價響應和動態服務價響應兩種有序充電模式，然后以用戶充電費用較低為目標建立了數學模型，并引入特別小區配電變壓器容量的懲罰因子，之后利用改進粒子群算法，仿真分析在無序充電、分時電價響應有序充電、動態服務價響應有序充電三種方式下的負荷波動性。算法仿真后，證明了所提出充電策略的正確性、有效性。之后，針對住宅小區公共、個人停車位充電樁，提出了住宅小區停車位安裝充電樁響應有序充電建設方案，為今后住宅小區電動汽車實際應用充電提供了指導建議。
關鍵詞：電動汽車;住宅小區；分時電價響應；動態服務價;有序充電策略
0 引言
國家在加快電動汽車充電基礎設施建設的指導文件《關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》中明確，住宅小區配建停車位時要同步建設充電設施或預留充電樁建設安裝條件。但調查發現，小區物業部門擔心安全責任準宅小區業主安裝充電樁仍存在較多困難、物業不配合、報裝以及接電難度大等情況。在住宅小區電動汽車規模化發展的基礎上，小區安裝充電樁數量將進一步增多。以山東省某市為例，約有1萬個小區，每個小區變壓器、高低壓電纜等配套設施設備、施工費按30萬元/臺粗略估計，假設增容或新上5臺變壓器及配套設施用于小區充電樁充電使用，預計配套電源投資達到150億元。全國耗資可能需要上萬億，投資成本數額巨大。并且在普遍的老舊小區，普遍因位置緊張、地方協調關系復雜，配電設施擴建改造非常困難。短時間內,無法實現該目標和要求,迫切需要在原有配電設施不改造的前提下，研究一種科學有效、合理有序、投資少見效快、可持續發展的住宅小區電動汽車有序充電策略[1-2]。國家在《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》中明確，住宅小區內要積極推廣建設有序慢速充電樁。文獻［3-4］提出在原有配電設施不增容、不升級改造的前提下,利用谷時段充電,從而獲取充電費用較低的有序充電方法。文獻提出一種無需集中式通信系統實時監測控制的分布式電動汽車有序充放電策略。實際生活中，更需要以主動引導方式,鼓勵電動汽車用戶能夠充分、主動響應充電價格參與有序充電策略。文獻提出用戶充電成本和電動汽車充電起始時間兩個目標相結合為較優的充電控制策略。文獻考慮充電站運營收益，以電網分時電價動態引導，建立有序充電模型。通過調整電動汽車充電時間和預測充電負荷，使得客戶充電成本較低，建立有序充電模型。利用啟發式算法，綜合客戶充電成本和負荷曲線較優為目標，建立有序充電模型。文獻利用原有專變冗余容量,建立由專變用戶、充電站運營商和電動汽車用戶的三層有序充電模型。以上研究對充電價格定義尚不明確,僅在峰谷分時電價或動態分時電價上研究探討。 國家在電動汽車用電價格的政策規定，電動汽車用戶充電后應向充電樁運營企業繳納電費、充電服務費兩項。因此，本文將充電價格分為充電電價、充電服務價兩部分，分別對應充電電費、充電服務費，并依據充電價格劃分原則引導、鼓勵用戶主動調整用車行為和充電習慣，響應電動汽車有序充電策略。充電電價執行一般工商業分時電價，充電服務費由充電樁運營企業根據現場實際、自身經營情況等制定，主要用于彌補充電樁的運營成本和建設成本。本文在分析住宅小區電動汽車用戶出行習慣和充電特點后，在無序充電方式的基礎上定義分時電價響應和動態服務價響應的兩種有序充電方式，建立以用戶充電費用較低目標函數，并引入超小區配電變壓器容量的懲罰因子，利用改進粒子群算法以，分析分時電價響應有序充電、動態服務價響應有序充電兩種方式下負荷波動性影響。算例仿真驗證了本文提出的有序充電策略的有效性和合理性。
1 電動汽車出行習慣
1.1 電動汽車功率需求分析
假設電動汽車用戶出行結束后，就開始充電。 假設充電過程近似為恒壓過程，即恒功率充電。 一輛電動汽車的充電時間：
式(1)中:Tc為充電的時間;Pc為充電功率;SOCo為電動汽車初始荷電狀態;w為電動汽車電池容量。將24小時分為96個充電時段，則t時段電動汽車的充電功率為：
式(2)中N為動汽車充電數量,Pev,i(t)為電動汽車i在第t時段的充電功率，其為正值表示在充電，為負值表示在放電，為零值表示不充電(為閑置狀態)。
1.2 電動汽車用戶行為習慣
一天24小時中，住宅小區電動汽車用戶的出行時間不是均勻分布，具有顯著的早晚高低峰現象叫由于上下班工作、接送孩子上學等生活工作習慣，電動汽車用戶的出行高峰主要集中在7 : 00-8 : 00、17 : 00-19 : 00兩個時間段區間，電動汽車用戶在下班后進行充電的概率較大。而這期間本身就是住宅小區用電高峰期，電動汽車集中在此時間段充電會增加用電量，造成高峰時期電力負荷的緊張,給住宅小區配電設施帶來運行風險，同時電力系統出現“峰上加峰"的現象。為此，需要通過充電價格引導用戶，改變其充電習慣,避免造成電力負荷緊張的局面。
2 住宅小區充電模式分析
小區用戶購買電動汽車，主要用于生活、工作需求，在小區充電較為方便,工作日下班后、周末全天充電均可,用于第二天上班或生活使用,適合交流慢充。考慮在分時充電價格響應的有序充電方式下,不需要在小區配置專人管理電動汽車接入充電樁,只通過充電價格引導用戶主動響應充電。
2.1 無需充電方式
無序充電方式下，不論充電價格如何變化,電動汽車用戶下班后將電動汽車連接到住宅小區充電樁充電，近似恒功率充滿電才斷開充電連接。整個住宅小區所有電動汽車用戶在有充電樁閑置的情況下，下班后隨機接入充電。
2.2 分時電價響應的有序充電方式
分時電價響應的有序充電方式是在充電電價分時段、充電服務價固定統一的前提下,部分電動汽車用戶下班后沒有立即連接充電樁，而是選擇在一段時間后連接充電，目的是花費較低的充電成本費用充滿電。充電電價執行國家規定的一般工商業峰谷分時電價。
2.3 動態服務價響應的有序充電方式
動態服務價響應的有序充電方式是在充電價格分時段(充電電價、服務價均分時段)的前提下，部分電動汽車用戶下班后沒有立即連接充電樁，而是選擇在一段時間后連接充電，目的是花費較低的充電成本費用充滿電。 充電服務價制定規則。住宅小區配電室變壓器容量是影響小區電動汽車充電的關鍵因素。為更有效地利用變壓器余量，通過充電服務價響應參與住宅小區普通電力負荷曲線調度，根據上一時段電力負荷計算該時段的充電服務價。利用各時段價格差，通過充電管理系統控制充電樁電流大小，鼓勵用戶將充電負荷轉移到普通電力負荷較低的時段，實現較大化利用住宅小區變壓器容量。
充電服務價與普通電力負荷的關系為：
式(3),(4)中：P'n(t)為t時段普通電力負荷;Pn為一天中普通電力負荷平均值。v0為固定充電服務價，指充電樁運營企業向充電車主收取一定服務費彌補建設成本,本文取0.45元/千瓦時。
圖1 充電服務價變化曲線
高峰期充電，避免住宅小區配電設施超負載運行;普通電力負荷低時,充電服務價相對較低，吸引、鼓勵住宅小區充電用戶選擇接入充電，提高住宅小區配電設施利用率。電動汽車的充電負荷具有可轉移性,在充電服務價格差的刺激下，電動汽車用戶為降低充電費用，盡量選擇在充電服務價低的時段充電也就是將充電負荷聚集到普通電力負荷少的時段充電,充分利用小區配電室變壓器容量。在0 ： 00-6 : 00時間段內，充電服務價相對較低，在0.2元/千瓦時以下;在17 : 00-22 : 00時間段內，充電服務價相對較高，在0.8元/千瓦時以上。
3 有序充電優化模型
3.1 優化目標
有序充電優化策略目標是在現有住宅小區配電網變壓器余量的基礎上，通過用戶主動響應，讓用戶充電費用降特別多。
3.2 有序充電模型
(1)充電價格函數:s(t)=q(t) + v(t)無序充電方式下,q(t)、v(t)、s(t)為常數。
分時電價下的有序充電方式,q(t)為階段函數,v(t)為一常數，因此s(t)為變量。
動態服務價下的有序充電方式,q(t)為階段函數,v(t)為動態變量，因此s(t)為變量。
式中:s(t)為t時段充電價格,q(t)為t時段充電電價,v(t)為t時段充電服務價。
(2)配變余量函數：
式中Sn為小區配電室變壓器額定容量;COSφN為變壓器額定功率因數;μ為變壓器負載率;Pb(t)為t時段住宅小區配電網普通電力負荷pi+(t)為t時段變壓器用電余量。本公式是指充電樁與普通電力負荷同時接在一臺變壓器上，充電樁有功功率與普通電力負荷有功功率之和是變壓器負載。 在不超過住宅小區配電變壓器容量的前提下,以用戶充電費用很低為目標建立函數：
式⑸ 中Pev,i(t)為第i輛電動汽車t時段充電功率,N為電動汽皋充電樁臺數△t為時間間隔;γ為各時段超出小區配電變壓器額定容量限制的懲罰因子本文取10元/千瓦。定義符號函數
3.3 約束條件
電動汽車充電響應主要受住宅小區電壓范圍、 充電容量、線路熱負荷等因素限制。
住宅小區可允許的電壓范圍約束充電樁側的電壓維持額定范圍為：
式(7)中：Vi為第i個充電樁的電壓，Vmin和Vmax分別為住宅小區配電網允許的較大、較小電壓值。
小區充電站內的充電功率變化范圍為：
式(8)中:△P0為當前時段與上一時段小區充電站的充電功率變化范圍，本文取20kW。
(3)充電容量約束
式⑼ 中SOCi,0為第i輛電動汽車動力電池的初始荷電狀態;Wi為第i輛電動汽車動力電池容量。
(4)荷電狀態連續性約束
式(10)中SOCi,0為第i輛電動汽車在t時間段末電池的荷電狀態,SOCt-i為第i輛電動汽車在(t-1)時間段末電池的荷電狀態。
(5)線路熱負荷約束
式(11)中:LMCLMCMAX祝嗅分別為線路的熱負荷、較大熱負荷。
3.4 有序充電控制算法
本文結合Monte-Carlo模擬，采用改進粒子群算法(improved particle swarmoptimization, IPS0)求解問題，并引入動態慣性因子w。
式(12） 中：Wmax、Wmin為慣性因子的較大、較小值，一般Wmax=0.9,Wmin =0.4,t、Tmax分別為當前迭代次數與設置的較大迭代次數。 使用IPSO進行優化求解時，將第i輛電動汽車在t時段的充電功率變量xit作為粒子的位置坐標,粒子維數為NxT。
圖2有序充電方式算法流程圖
本文研究24小時進行數學優化，采用Madab仿真求解，其算法流程圖如圖2所示。
4 仿真算例
4.1 住宅小區配電網
以山東省某市住宅小區為例，其設備參數:一臺配電變壓器容量為800kVA,額定功率因數0.95,較大允許負載率0.9,變比10/0.4kV,三相線路2.8km,單相電纜1.2km,480家住宅用戶，低壓配電網電壓在額定電壓220/380V允許的+10%-10%范圍內波動。經調査了解,住宅小區內電動汽車保有量48輛,有長城C30EV、比亞迪e5、北汽EX360等電動汽車品牌，電池容量大致在25kWh~80kWh,計劃近期購買或更換電動汽車有72戶。如果要對該住宅小區統一安裝充電樁，計劃安裝60臺功率7kW交流充電樁，車樁比約2 ：1。
4.2 電動汽車無序充電方式
電動汽車無序充電，電動汽車用戶不受充電價格影響，隨機接入充電樁啟動充電,16 : 00-20 : 00時間段充電負荷出現高峰期。住宅用戶由于下班回家，電視、廚房等用電設備開啟，在18 : 00-22 : 00時間段，普通電力負荷出現負荷高峰期。計入住宅小區電動汽車用戶充電負荷，總負荷曲線在18 : 00-20 : 00時間段內出現“峰峰疊加"現象，較高負荷達到866kW,超出較大允許負荷684kW約27%( 圖3)。
圖3 無序充電方式下的負荷變化曲線
在考慮接入48輛電動汽車的前提下，引入懲罰因子對超出小區配變容量限制予以加收費用，利用IPSO求解目標函數，用戶充電費用10931元。住宅小區配電變壓器已超載,無法滿足小區繼續新增電動汽車充電需求。在該時間段內變壓器出現過載現象，線路過熱，可能影響變壓器等設備過載、線路跳閘,嚴重影響整個住宅小區正常用電。由此可見，無序充電方式既不安全，又不經濟。
4.3 分時電價響應的有序充電方式
有90%電動汽車用戶響應分時電價下的有序充電方式，其中30%電動汽車用戶選擇在下班后平時段（21 : 00-23 : 00）接入充電樁充電,60%電動汽車用戶選擇在下班后谷時段（23 : 00-7 : 00）接入充電樁充電，剩余10%電動汽車仍選擇在下班后隨機接入充電樁充電（表1）。
表1 分時段充電價格表
在21 : 00之后充電負荷開始增加,23 : 00之后再次出現陡增趨勢;22 : 00總負荷出現較大峰值605kW,在小區配電變壓器安全運行容量范圍內（圖4）。求解目標函數，用戶充電費用2217元,與無序充電方式相比較,充電費用節省80%。
圖4 分時電價響應的有序充電方式負荷變化曲線
隨機抽取第3輛電動汽車用戶為例，分析計算該用戶充電費用。該用戶電動汽車品牌是北汽EX360,電池容量48kWh,充電起始荷電狀態SOC為28%, 用戶需求是充滿電,SOC達到100%根據用戶需求，按照恒功率7kW交流充電樁充電，北汽EX360充滿電需5小時（表2）。
表2 不同充電方式下的充電費用明細
在無序充電方式下,該用戶17 : 30下班到住宅小區接入充電樁充電，在峰時段（17 : 30-21 : 00）充電3.5h,在平時段（21 : 00-22 : 30）充電1.5h0北汽EX360單次充滿電，需花費用戶44.83元。 用戶響應分時電價下的有序充電方式,分別為響應平時段有序充電和響應谷時段有序充電。響應平時段有序充電，用戶下班后沒有接入充電樁充電而是在21 : 00接入充電。在平時段（21 : 00-23 : 00）充電2h,在谷時段（23 : 00-次日2 : 00）充電3h。同理計算，北汽EX360單次充滿電,需花費用戶41.71元,充電費用節省7%。響應谷時段有序充電，用戶下班后沒有接入充電樁充電，而是在23 : 00接入充電。在谷時段（23 : 00-次日4 : 00）充電5h。同理計算,北汽EX360單次充滿電，需花費用戶37.54元,充電費用節省16%。
4.4 動態服務價響應的有序充電方式
考慮48輛電動汽車充電負荷響應有序充電，在充電電價分時段的基礎上,90%用戶響應充電服務價有序充電方式。住宅小區電動汽車用戶結合自身出行需求，由充電管理系統控制充電樁電流大小，盡量選擇在充電價格較低時間段充電。充電負荷主要集中在充電電價谷時段(23 : 00-6 : 00)、充電服務價低時段(13 : 00-15 : 30)充電(圖1)。夜間，普通電力負荷雖然在22：00之后急劇下降，但充電價格也同時下降，吸引電動汽車用戶積極參與充電服務價下的有序充電方式。白天，充電電價在平時間段(11 : 30-16 : 00)較低,充電服務價在13 : 00-15 : 30時間段較低，相互疊加，共同作用，影響充電價格在13 : 00-15 : 30時間段較低，電動汽車充電負荷增加約100kWo與此同時，普通電力負荷在10 : 00-13 : 00時間段迎來負荷“小高峰"，再次疊加,形成總負荷在時間段11 : 30-13 : 00時間段形成“小高峰"，較大負荷400kW,仍在小區配電變壓器安全運行容量范圍內。求解目標函數，用戶充電費用1334元，與無序充電方式相比較，充電費用節省 88%(圖 5)。
圖5 小區內48輛電動汽車響應動態服務價有序充電方式的負荷變化曲線
計入小區用戶計劃的72輛電動汽車后，仿真模擬120輛電動汽車充電負荷響應充電服務價下的有序充電，總負荷曲線更趨于平緩(圖6)。
圖6 小區內120輛電動汽車響應動態服務價有序充電方式的負荷變化曲線
48輛電動汽車、120輛電動汽車充電負荷分別響應充電服務價下的有序充電與無序充電方式相比較負荷波動性(表3)。
與分時電價下的有序充電方式相比,動態服務價的有序充電方式更能為用戶有效節省充電費用。 而且從小區配電變壓器負荷波動性角度看，通過響應普通電力負荷曲線制定的動態充電服務價，對電動汽車用戶參與有序充電更具有吸引性。在同一小區配電變壓器，更多的電動汽車充電負荷接入，不僅不超變壓器負載,而且總負荷曲線波動性趨于平緩,“移峰填谷"作用更為明顯。
5 有序充電方式應用
在本文描述的基于分時電價、動態服務價響應的兩種有序充電方式基礎上，提出住宅小區停車位安裝充電樁響應有序充電建設方案，用于指導實際商業應用。
5.1 住宅小區公共停車位充電樁建設方案
對于老舊小區，可能不存在物業公司等管理部門,公共停車位歸業委會或居委會所有;對于新建小區，一般公共停車位由物業公司負責管理。無論老舊小區還是新建小區，均可以由第三方建設運營企業建設有序充電樁,響應動態分時充電價格激勵，停車位經營管理單位（業委會或居委會、物業公司）參與收益分配,增加積極性。
5.2 住宅小區個人停車位充電樁建設方案
住宅小區業主在個人停車位安裝隨車配建的充電樁，可以通過程序升級等技術改造,申請加入動態分時充電價格響應有序充電，利用業主一般白天上班、停車位閑置時間，將個人停車位及停車位上的充電樁共享，為其他電動汽車提供停車服務和充電服務,通過個人停車位共享獲得收益o個人通過停車位共享能夠滿足其他車輛停放、 充電，獲得收益或抵扣個人充電費;停車場經營管理單位通過合作能從充電客戶獲取停車費、從第三方建設運營企業獲取充電設施固定租金收入或服務費分成收益。住宅小區不僅解決了充電難問題，還解決了停車難問題，停車場經營管理單位獲取了“停車費+固定租金（或服務費分成）"收入,電動汽車用戶能用低成本充滿電，第三方建設運營企業提高了充電設施使用率，實現了多方合作、互利共贏局面。
AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統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據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，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、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。
6.2應用場所
適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。
6.3系統結構
6.3.1系統分為四層：
1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據中心層和客戶端層。
2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。
3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。
4）數據中心層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。
5）應客戶端層：系統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。
小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。
6.4安科瑞充電樁云平臺系統功能
6.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。
6.4.2.實時監控
實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。
6.4.3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，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。
6.4.4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場問題。
6.4.5統計分析
通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。
6.4.6基礎數據管理
在系統平臺建立運營商戶，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、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、 凍結和解綁。
6.4.7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，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送
6.4.8 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。
6.5 系統硬件配置
7結語
在考慮住宅小區充電樁難安裝的背景下，本文根據電動汽車用戶出行習慣、充電特點和住宅小區配電變壓器容量限制因素，提出利用改進粒子群算法建立以用戶充電費用較低為目標的數學模型。通過仿真分析，得到以下結論:與無序充電方式相比， 兩種有序充電方式都能節省充電費用，負荷波動性趨于平緩；與分時電價響應的有序充電方式相比,通過小區配網負荷曲線制定的動態服務價響應有序充電方式更能夠平抑負荷曲線，提升小區配網設施利
用率與安全性，且對電動汽車用戶吸引度高,能夠積極響應。規模化電動汽車應用后，響應動態分時電價的有序充電方式的用戶比例越高,“移峰填谷"作用越明顯。
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作者簡介
吳柯霓，女，安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關物聯網系統研發工作
當前位置：
