浅谈安科瑞面向需求响应的电动汽车——充电桩负荷聚合调度的优化策略

摘要：近年来，城市电力峰谷差不断，仅仅依靠发电侧资源很难维持电力系统的实时平衡。电动汽车-充电桩负荷作为一种典型的柔性负载，可以利用网络信息技术、大数据分析手段和市场机制，将区域内可调度的电动汽车负荷资源聚集参与需求响应。从负荷聚合商角度出发，提出了一种基于随机选择电动汽车影响因素，按照概率密度计算电动汽车集群负荷情况的建模方法，并制定了优化调节策略，聚合电动汽车集群参与需求响应市场，削减了区域内电力峰值，降低了参与响应用户的充电成本。未来，在电力市场化背景下，利用需求侧大量微小负荷资源聚集响应将成为确保资源有效分配的重要工具。

关键词：需求响应；负荷聚合商；电动汽车-充电桩负荷

0引言

2021年发布的《世界能源蓝皮书:世界能源发展报告》指出”,到2050年,可再生能源将满足全球80%的电力需求,其中太阳能和风力发电将占52%。新能源发电比例增加和电力系统建设加剧了电源与用户之间的供需平衡矛盾。因此,将灵活的需求侧负载资源纳人电网运行已成为推司电力系统安全、有效和经济运行的重要方法。

需求侧柔性负荷资源是区域网络中广泛分布的高价值配电资源,电动汽车、温控负荷和分布式储能等资源的有效灵活调度,可以很大程度上缓解新能源接人对电力系统的冲击口。电力需求响应作为重要的电力调度手段,可以推动电力系统稳定可靠运行,减少负荷压力,提高能源效率。文献[3]证明了需求响应技术促进间歇性可再生能源消费的可行性,但存在一定的局限性。文献[45]在爱尔兰电力系统中引人需求响应模型,证明了部分传统发电可被需求响应取代,大规模部署需求响应项目的关键是评估需求响应的灵活性和合理性。

作为新型交易市场的参与者,负荷聚合商将具有调节能力的需求侧资源聚合起来,成为沟通需求侧消费者和电力市场之间的桥梁。负荷聚合商不仅可与供电方共同参与各类电力市场交易,在获取自身经济利益的同时提高社会公共效益,还可与消费者达成代理合同,使运营利益和用电效益。电动汽车-充电桩负荷是目前数量应用广泛的需求侧柔性负荷资源。建立电动汽车充电负荷模型常用的方法是蒙特卡洛方法。在针对电动汽车有序充放电的研究中,文献[9]使用启发式算法对电力系统网络进行建模,以投人和能源消耗量为目标,制定了合理的控制策略。文献[10-11]运用粒子群算法得出1日内充放电时间,提出了一种以减少峰谷差为目标的优化充电策略,减少了峰谷负荷差。在上述研究基础上,本文通过建立负荷参与需求响应调节模型和聚合调节模型,从园区负荷聚合商的视角,优化负荷侧资源参与需求响应的市场行为。

1电动汽车充放电负荷特性及单体设备模型

电池荷电状态（StateofCharge，SOC）是计算电动汽车充电和放电的关键参数。当电动汽车

在t时段以功率充放电时，t时段电池SOC变化公式为

电池SOC充电功率的关键参数和容量是计算并网电动汽车可调，而电动汽车的日行驶里程直接影响电池SOC。因此，假设在电动汽车运行过程中，电池电量匀速下降，则电动汽车电池SOC与其行驶距离间的关系为

根据美国交通部2009年对全美车辆出行情况调查结果可知，电动汽车接入电网时间的概率密度函数fx(tstart)符合正态分布［12］，公式为

式（1）至式（4）构成了电动汽车充放电模型。

2电动汽车-充电桩参与需求响应调节模型

首先,基于蒙特卡洛方法,按照概率密度随机抽取电动汽车电池容量、行驶里程、初始时刻电池SOC等参数:然后,结合电动汽车允许的放电下限、离开时的电量期望值、充电桩充放电模式等设定,建立电动汽车聚合负荷模型,以聚集区域内的电动汽车并参与电力市场需求响应。同时,制定相应优化调节策略,激励电动汽车参与非高峰时段充电,并在高峰时段通过电动汽车人网技术(Vchicle-to-Grid,V2G)转移其充电功率,供虚拟储能系统使用,使电动汽车既可作为系统负载,也可作为储能和分布式电源,从而减轻电网高峰时段的负荷压力,减少电动汽车用户的充电成本。

2.1电动汽车充电过程的影响因素

2.1.1电动汽车行驶里程

对美庭出行情况的调查研究(NationalHouscholdTravelSurvey,NHTS)显示,私家电动汽车1天出行的可能性遵循对数正态分布。车辆1天出行可能的行驶里程概率密度函数

的计算公式为

2.1.2电动汽车电池初始SOC

为确定电动汽车并网后的电池初始SOC,对包括电动汽车出行前的电池SOC、容量、能耗等参数进行抽样整理,得到:

2.2负荷聚合商对电动汽车的调节模型

2.2.1负荷聚合商对电动汽车的调节成本

为了激励电动汽车参与需求响应,对电动汽车的实际调节和由于频繁充放电导致的电池损伤进行额外补偿,其充电调节成本为

为

2.2.2电动汽车-充电桩负荷优化实施框架和调节策略

电动汽车-充电桩负荷优化实施框架如图1所示。电动汽车-充电桩调节策略如图2所示。由图1和图2可知,负荷聚合商综合考虑区域内通过V2G充电桩人网电动汽车电池SOC和需求响应要求,以及用户结束充电后的出行需求、电动汽车电池的状态上下限约束条件和电动汽车调节成本,确定车-桩负荷调节量,在保证实时功率削减量不少于要求的前提下，使负荷聚合商调节电动汽车-充电桩负荷参与需求响应的收益为好。

2.2.3电动汽车-充电桩调节模型

在满足规定负荷削减量前提下,以负荷聚合商经济性优为目标,对包含n辆电动汽车和n个充电桩的电动汽车群进行需求响应控制。在实现用户充电目标的前提下,通过有序充电、V2G反向向电网输电等措施,使用户通过V2G充电桩进行充电所产生的费用与电网对电动汽车反向供电的激励收益之差小,其目标函数fmin为

相关研究将电动汽车状态简化为充电或放电两种［8］，但电动汽车慢速充电6~7h就能充满，因此本研究设定的电动汽车充电、放电和待机3种（即不充电或不放电）状态，为

3仿真结果与分析

3.1仿真背景及条件设定

运用蒙特卡洛模拟的负荷聚合方法，通过概率密度对包括电动汽车电池容量、行驶里程、接人电网初始时刻的SOC等主要参数进行随机抽样所有抽样模型的集合即为电动汽车充电桩负荷集群模型[5]

根据上文提出的电动汽车充电负荷聚合调节方法,以上海某大型工商业园区为例,建立电动汽车负荷聚合商聚合区域内电动汽车参与电力市场需求响应模型,制定聚合调节区域内电动汽车集群参与电力系统需求响应的优化调节策略。假设园区内配备V2G智能充电桩1000个，其中30%是充放电效率为60kw的快充充电桩,其余为充放电效率为7kw的普通充电桩,充放电效率均为90%;对应1000辆电池容量值为62.5kw的电动汽车,初始时刻电量在20%-50%之间随机分布;电动汽车离开时S(i)为80%,设定仿真过程中SOC允许放电下限为20%,其余参数由蒙特卡洛方法抽样确定。设定仿真过程中，电动汽车接受调节时段为09:00-17:00,负荷聚合商对用户的放电补贴成本价格为2.5元kwh。其中,在09:00-11:00和13:00-15:00,电动汽车通过智能充电桩充电的费用为2.6元/kwh，在11:00-13:00和15:00-17:00,充电费用为1.15元/kwh,要求园区内电动汽车在13:00-15:00内实现平均不少于6MW的负荷削减量。

3.2结果分析

运用电动汽车-充电桩聚合优化调节策略进行MATLAB仿真。电动汽车电池容量变化对比和人网时段内容对比如图3、图4所示。

由图3和图4可知，在可接受调节时间内，由于未接受调节的电动汽车将持续正常充电，从而不仅增加了用户的充电成本，电网的调节压力。而在保证电动汽车电池容量大于20%的前提下,通过优化调节策略,可大大减少区域内电动汽车在用电高峰时段(09:00-11:00和13:00-15:00)的充电功率。同时,优化调节策略使得电动汽车在11:00-13:00和15:00-17:00利用较低电价尽快充电,在达到用户期望离网电量的同时,保证了电动汽车在用电高峰时段参与需求响应,向电网反向输电降低电网压力。

由实验结果可知,相比于未经调节直接充电，负荷聚合商优化调节参与需求响应使得用户充电费用从93.93元减少至26.36元。这表明电动汽车负荷聚合商通过调节区域内电动汽车-充电桩负荷参与需求响应行为,既降低了电力峰值,又节省了用户支出。

4安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

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系统硬件配置

类型	型号	图片	功能
安科瑞充电桩收费运营云平台	AcrelCloud-9000		安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。
互联网版智能交流桩	AEV-AC007D		额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏
互联网版智能直流桩	AEV-DC030D		额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC060S		额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC120S		额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
10路电瓶车智能充电桩	ACX10A系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电
2路智能插座	ACX2A系列		2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电
20路电瓶车智能充电桩	ACX20A系列		20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电
落地式电瓶车智能充电桩	ACX10B系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告
智能边缘计算网关	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。
	扩展模块ANet-485		M485模块：4路光耦隔离RS485
	扩展模块ANet-M4G		M4G模块：支持4G全网通
导轨式单相电表	ADL200		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证
导轨式电能计量表	ADL400		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证
无线计量仪表	ADW300		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证
导轨式直流电表	DJSF1352-RN		直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证
面板直流电表	PZ72L-DE		直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证
电气防火限流式保护器	ASCP200-63D		导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设

5结语

本文以电动汽车-充电桩负荷为切人点,通过分析电动汽车接人状态、充电桩特性等各类约束条件,建立了精细化的单体设备模型和参与需求响应调节模型,提出了优化调度策略和激励补偿措施,从不同层面和角度探讨了需求侧资源参与电网调节的可行性和有效性,为需求侧资源在电力市场中的运用提供了理论和实践支撑,为电力系统的供需平衡和新能源消纳提供了新的思路和方法。

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作者简介：闻什益   手机:[phone]（微信同号）

审核编辑 黄宇