电力系统中电动车充电桩布局与调度的优化策略探究

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摘要：本文深入钻研电动车充电桩于电力系统布局及调度的问题，融合地理信息系统与电网模型，综合考虑电力供应能力、民众电动车出行需求以及充电设备安全等要素，构建多因多目标优化模型，精准确定充电桩的最优布局方案。同时，结合电力系统运行模式、电网状况及充电桩运营成本，设计出充电桩调度模型，并运用启发式算法得出最佳调度策略。研究成果显示，此方案显著优化了充电桩的布局与调度，提升电力系统运行效率，削减运营成本，充分满足电动车用户充电需求，对推动电动汽车可持续发展意义重大，兼具理论与实用价值。

关键词：电动车充电桩；布局调度；多目标优化；启发式算法；运行效率

1 电动车充电桩在电力系统中的作用与挑战

1.1 基本功能与需求
电动车充电桩作为电源网络与电动车的关键连接点，核心任务是为电动车输送电力以实现充电。其需求涵盖：提供稳定电力，满足电动车快速充电所需功率输出；适配多种充电接口，应对不同车型；具备数据交互与检测能力，可实时监测充电状态并收集数据用于后续分析决策。

1.2 布局的系统性挑战
充电桩布局旨在使电池加注设施在特定区域达成理想分布，以契合电动车供电诉求。其布局受电动车聚集特性影响，多集中于停车区、商业街道等场所。同时，需兼顾电力系统负荷能力与接入约束，防范因大量电动车同时充电引发的电网电压不稳及供电短缺问题，且要考量城市发展与交通运输综合效应，确保充电桩建设契合城市土地规划，融入现有交通网络，为电动车提供便捷充电服务。

1.3 调度的优化需求
电动车充电桩调度着重于高效管理充电桩资源，满足不同车辆充电需求。具体包括：依据电动车充电需求及优先级分配资源，优先保障紧急充电需求；结合电网运行状况与负荷平衡，遵循电网负荷分配策略，动态调度充电桩资源，维护电网稳定；考虑电价因素，助力电动车选择适宜充电桩与充电策略。

2 多目标优化模型的构建与求解

2.1 基于地理信息系统与电网模型的布局优化模型
地理信息系统（GIS）负责收集充电需求及充电桩地理分布信息，如道路网络、用地状态和人口密集程度等，为合理布局提供关键数据支持，以便精准分析实际充电需求与充电桩分布状况，制定有效布局方案。电网模型涵盖输电线、变电场及负荷节点等信息，能预测不同地区充电需求及充电桩对电力系统的影响。基于此构建的充电桩布局优化模型，旨在满足充电需求的同时，降低电力系统与充电桩建设成本，综合考量充电桩容量、数量及位置等因素。该模型可借助遗传算法、模拟退火算法和粒子群优化算法等启发式算法求解，依据具体问题特点与约束条件选择合适算法获取近似最优方案。

2.2 考虑电力运行方式与电网状态的调度优化模型
充电桩调度需依据充电需求与电力系统运行状态，合理安排充电桩输出功率与充电时段，保障电力系统稳定运行并满足充电需求。构建调度优化模型时，需考虑电力系统运行方式（包括传统发电与可再生能源发电），据此制定充电使用策略，降低对传统发电的依赖。同时，将电网状态（如电力负荷、供给和网络拓扑等信息）纳入考量，合理调配充电桩充电功率与时段，降低电力系统负荷峰值，优化电力供给，减少输电损耗。此模型目标为在满足充电需求与电力系统稳定运行前提下，最大化充电桩利用率与电力系统效率。

2.3 启发式算法的应用
启发式算法在充电桩布局与调度优化中应用广泛，可通过搜索与优化获取近似最优解。在布局优化中，依据充电需求与地理信息等因素，确定合适的充电桩容量、数量与位置，最大程度满足充电需求并降低成本。在调度优化中，根据电力运行方式与电网状态，合理安排充电桩输出功率与充电时段，减少电力系统负荷峰值、优化供给并降低输电损耗。启发式算法优势显著，能在较短时间内求解近似最优解，适用于大规模充电桩布局与调度优化问题，具有良好的鲁棒性与适应性，可灵活应对电力系统变化与不确定性。未来，其在该领域应用前景广阔，随着电动车普及与电力系统发展，将成为重要研究方向，推动电动车高效充电与电力系统稳定运行，助力电动车可持续发展。

3 优化方法的效果评估与应用前景

3.1 实验方法与评估指标
实验采用动态仿真模型，选取城市密集区域为场景，综合地理信息系统、电网模型及实际电力运营方式等因素，设定电动车数量、使用频率及电网运行状态等需求场景，模拟充电桩布局与调度策略，经多次迭代获取最优或近似最优方案，并引入启发式算法进一步优化。评估指标涵盖充电桩布局合理性（依据地理信息系统评估空间分布能否及时满足充电需求）、调度效率（反映电动车充电等待时间，依据调度策略、充电需求动态变化及充电桩实时状态数据评估）、电力系统运行稳定性（衡量电力系统健康运行，包括电动车充电对电网载流量、电压等参数的影响）以及运营成本合理性（采用生命周期成本法，综合电动车使用、充电桩建设及运营管理等因素考量）。综合这些指标，可全面深入评估充电桩布局与调度优化模型的有效性与可行性，未来研究将持续优化实验方法与评估指标，推动相关策略优化工作进展。

3.2 对电力系统运行效率和成本的影响
优化方法应用于电动车充电桩布局与调度，对电力系统运行效率和成本影响显著。在运行效率方面，布局优化可均衡充电需求与电网供电能力，避免电网负荷过高，提升电力系统稳定性与充电服务效率，推动电动车普及；调度优化能依据电网运行状态与电动车充电需求实时调度，如夜间增快充速、高峰控速，增强电力系统负荷平滑程度，提高运行效率。在运行成本方面，布局优化可减少冗余建设，降低充电桩建设与运营成本，充分利用现有电力资源，减少新建电源或升级电网设施需求，降低总成本；调度优化实现充电峰谷错时，抑制电网高峰、填补谷部，使负荷更平滑，节省运行成本，且电动车充电设备的储能特性经调度优化可进一步降低成本，同时避免装置过度运行与磨损，延长设备使用寿命，降低运行维护成本，增强电力系统安全性。

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 安科瑞充电桩收费运营云平台系统借助物联网技术，对接入的电动自行车充电站及充电桩进行数据采集与监控，涵盖充电服务、支付管理、交易结算、资产管理、电能管理、明细查询等功能，同时对充电桩各类故障进行预警。充电桩支持以太网、4G 或 WIFI 接入互联网，用户可通过微信、支付宝、云闪付扫码充电。

4.2 应用场所
适用于民用建筑、工业建筑、居住小区、事业单位、商业综合体、学校、园区等多种场所的充电桩基础设施设计。

4.3 系统结构
系统分为数据采集层（含电瓶车智能充电桩，采集充电回路电力参数、计量电能并保护，通讯协议为标准 modbus - rtu）、网络传输层（经 4G 网络上传数据至数据库服务器）、数据层（包含应用服务器与数据服务器，分别部署数据采集服务、WEB 网站以及实时数据库、历史数据库、基础数据库）和客户端层（系统管理员通过浏览器访问平台，终端用户刷卡扫码启动充电）。小区充电平台具备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，并为运维人员提供运维 APP，为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*大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*大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。
开口式电流互感器	AKH-0.66/K

	AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。
霍尔传感器	AHKC

	霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。
智能剩余电流继电器	ASJ

该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。

5 结束语

本研究针对电力系统中电动车充电桩布局与调度优化问题，运用地理信息系统与电网模型、多目标优化模型及启发式算法构建优化方案，实践表明该方案能提升电力系统运行效率、降低成本，满足电动车用户充电需求，推动电动汽车可持续发展。然而，研究存在局限，如电动车出行需求预测精度与电力系统供应能力存在不确定性，优化模型算法效率与稳健性有待提升。未来将致力于改进预测模型，增强供应能力预测准确性；优化算法，提升求解效率与稳健性；依据市场与技术发展趋势，完善充电桩布局与调度策略，为电动汽车发展提供更强技术支撑。

参考文献

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[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

[6]唐利刚.电力系统中电动车充电桩布局与调度优化方法研究

审核编辑 黄宇