安科瑞魯一揚(yáng)15821697760

摘要：大量家用電動(dòng)汽車集中于特定時(shí)段充電，給區(qū)域配電網(wǎng)帶來(lái)顯著壓力。為在滿足充電負(fù)荷需求的同時(shí)減輕對(duì)配電網(wǎng)的影響，開展有序充電研究至關(guān)重要。本文構(gòu)建了變電站 - 小區(qū)充電樁接入控制模式，通過(guò)深入剖析小區(qū)電動(dòng)汽車充電行為，提出兩階段優(yōu)化調(diào)度策略。在滿足電動(dòng)汽車充電負(fù)荷需求的約束條件下，首先以變電站側(cè)負(fù)荷水平均衡為目標(biāo)制定區(qū)域充電樁接入控制策略，獲取區(qū)域充電樁整體分時(shí)段接入量；接著以各傳輸線路負(fù)載均衡為目標(biāo)，優(yōu)化確定各小區(qū)分時(shí)段接入的電動(dòng)汽車數(shù)量。針對(duì)某變電站供電區(qū)域內(nèi)不同滲透比例下的電動(dòng)汽車充電情形進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度仿真，深入探究不同運(yùn)行方式下充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差和運(yùn)行參數(shù)的影響。結(jié)果表明所建模型準(zhǔn)確可靠，并依據(jù)分析給出配電網(wǎng)改造的相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：充電樁調(diào)度；電動(dòng)汽車；有序充電；區(qū)域負(fù)荷優(yōu)化；粒子群優(yōu)化；分支定界法

0引言

電動(dòng)汽車因具備零排放和不依賴石化能源的優(yōu)勢(shì)，在新能源汽車領(lǐng)域備受矚目，成為汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵突破口。然而，大量電動(dòng)汽車無(wú)序并網(wǎng)充電，尤其是在負(fù)荷高峰時(shí)段接入充電，極大地加劇了負(fù)荷峰谷差，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)造成負(fù)荷壓力并影響電能質(zhì)量。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，電動(dòng)汽車滲透率達(dá) 20% 時(shí)，會(huì)使配電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng) 35.8%。另有研究表明，不同電動(dòng)汽車匯聚度和接入水平下的充電行為會(huì)給配電網(wǎng)電壓水平帶來(lái)不利影響，若無(wú)法對(duì)電動(dòng)汽車充電進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，將導(dǎo)致區(qū)域配電變壓器和線路過(guò)載，嚴(yán)重降低配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電引發(fā)的問(wèn)題，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、充電需求等動(dòng)態(tài)信息，提出了電動(dòng)汽車有序充電優(yōu)化控制策略，以改善區(qū)域負(fù)荷水平與電能質(zhì)量。例如，部分研究以充電成本和網(wǎng)損最小為目標(biāo)，采用基于網(wǎng)損靈敏度選擇優(yōu)先的實(shí)時(shí)有序充電控制策略，有效降低配電網(wǎng)網(wǎng)損并改善節(jié)點(diǎn)電壓波形；還有研究提出電動(dòng)汽車有序控制的二級(jí)優(yōu)化算法，在離散充電時(shí)間點(diǎn)結(jié)合風(fēng)能轉(zhuǎn)移充電負(fù)荷并進(jìn)行頻率調(diào)整；也有學(xué)者通過(guò)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分時(shí)電價(jià)，提出最小化客戶充電成本和削峰填谷的有序充電啟發(fā)式算法。

盡管現(xiàn)有電動(dòng)汽車有序充電控制策略已取得一定成果，但多側(cè)重于對(duì)整體區(qū)域的協(xié)調(diào)控制以改善負(fù)荷特性，未充分考慮區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與充電負(fù)荷分布的影響，難以實(shí)際指導(dǎo)有序充電的控制過(guò)程。鑒于中國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃，電動(dòng)私家車在未來(lái)電動(dòng)汽車消費(fèi)市場(chǎng)將占據(jù)較大比例，其具有數(shù)量大、分布分散且充電時(shí)間集中等特點(diǎn)，便于開展有序充電。因此，深入研究私人電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電的有序控制策略，對(duì)減少電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施投資、指導(dǎo)配電網(wǎng)合理規(guī)劃與運(yùn)行具有重要意義。

本文以變電站供電范圍內(nèi)各小區(qū)充電樁為研究對(duì)象，提出變電站 - 小區(qū)充電樁優(yōu)化接入控制模式及策略。在滿足區(qū)域充電負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因素，以變電站和配電線路負(fù)載均衡為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各住宅區(qū)電動(dòng)汽車充電的有序控制，并運(yùn)用優(yōu)化理論分兩階段求解。

1變電站-小區(qū)充電樁的接入控制

交流充電樁是電動(dòng)汽車常規(guī)慢速充電的重要設(shè)施，常見(jiàn)于電動(dòng)汽車充電站、公共停車場(chǎng)、住宅小區(qū)停車場(chǎng)、大型商場(chǎng)停車場(chǎng)等場(chǎng)所。其中，住宅小區(qū)停車場(chǎng)內(nèi)私人電動(dòng)汽車的夜間長(zhǎng)時(shí)間泊車為電動(dòng)汽車有序充電的接入控制創(chuàng)造了條件。

1.1小區(qū)充電樁的接入模式與策略

城市中各小區(qū)充電樁地理位置相對(duì)分散。為實(shí)現(xiàn)充電樁的優(yōu)化接入，本文提出 “分散接入，集中管控” 的接入控制模式，將整體充電控制分為三層：用電層負(fù)責(zé)充電樁接入管理控制；配電層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；輸變電層進(jìn)行優(yōu)化接入控制，如圖 1 所示。

圖1變電站-小區(qū)充電樁接入控制模式圖

為落實(shí)該控制模式，需在配電網(wǎng)中增設(shè)充電樁接入控制中心、充電樁管理系統(tǒng)、變電站 - 充電樁通信信道三部分，其具體功能如下：

充電樁接入控制中心位于 110kV 變電站內(nèi)，主要職責(zé)為采集各小區(qū)充電管理系統(tǒng)提供的可充電電池?cái)?shù)量及狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合變電站側(cè)的基礎(chǔ)負(fù)荷（如居民用電、商業(yè)用電和工業(yè)用電等）開展優(yōu)化計(jì)算，確定可調(diào)度時(shí)段內(nèi)充電樁的最優(yōu)接入充電數(shù)量，再依據(jù) 10kV 線路實(shí)時(shí)負(fù)載率和電池待充量，將充電樁接入量?jī)?yōu)化分配至各條線路。

充電樁管理系統(tǒng)位于居民住宅區(qū)內(nèi)，與 10kV 線路建立多對(duì)一或一對(duì)一映射關(guān)系，主要功能包括采集小區(qū)內(nèi)充電樁中待充電池的數(shù)量、荷電狀態(tài)（SOC）及其可調(diào)度性，預(yù)測(cè)管理區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車接入規(guī)律，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至變電站調(diào)度中心，并依據(jù)調(diào)度中心分配的充電計(jì)劃安排各小區(qū)電動(dòng)汽車并網(wǎng)充電。

變電站至小區(qū)的通信信道是充電樁優(yōu)化調(diào)度的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)，涵蓋主干傳輸層、匯聚層和接入層。主干傳輸層借助現(xiàn)有配電通信網(wǎng)為變電站至各個(gè)充電樁管理系統(tǒng)之間提供信息傳輸；匯聚層利用光線路終端（OLT）和光分配節(jié)點(diǎn)（ODN）匯集接入層信息；接入層通過(guò)有線或無(wú)線組網(wǎng)為充電樁管理系統(tǒng)與小區(qū)內(nèi)各充電樁之間提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

接入控制的優(yōu)化計(jì)算在變電站內(nèi)控制中心進(jìn)行，電動(dòng)汽車的接入充電由各個(gè)小區(qū)充電樁管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)施，優(yōu)化計(jì)算流程如圖 2 所示。

圖2電動(dòng)汽車兩階段優(yōu)化接入控制流程圖

接入控制策略包含兩個(gè)優(yōu)化過(guò)程：

第一次優(yōu)化為整體車輛最優(yōu)接入調(diào)度。已知條件包括變電站供電范圍內(nèi)的待充電池預(yù)測(cè)數(shù)量及其 SOC、接入規(guī)律預(yù)測(cè)、變電站基礎(chǔ)負(fù)荷等，決策變量為最優(yōu)整體充電樁接入方案，優(yōu)化目標(biāo)為變電站供電區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)負(fù)荷水平。

第二次優(yōu)化是對(duì)最優(yōu)整體電池接入方案進(jìn)行優(yōu)化分配。已知量為某調(diào)度時(shí)刻的整體充電接入方案，尋優(yōu)目標(biāo)為均衡各小區(qū)接入充電后的傳輸線路負(fù)載率，以降低整體線損，決策變量為各個(gè)小區(qū)待充電的各類 SOC 的電動(dòng)汽車數(shù)量。

1.2小區(qū)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模型

小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷特性與居民生活習(xí)慣密切相關(guān)，居民固有生活規(guī)律致使小區(qū)內(nèi)電動(dòng)車充電負(fù)荷呈現(xiàn)短時(shí)聚集性特征。因此，有必要對(duì)各小區(qū)電動(dòng)汽車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以獲取充電負(fù)荷建模的三個(gè)基本屬性：車輛電池到達(dá)時(shí)刻、電池初始 SOC、車輛電池可調(diào)度性。

一般而言，車輛電池達(dá)到時(shí)刻即為有充電需求的電動(dòng)汽車最后一次出行結(jié)束后泊車的時(shí)刻，待充時(shí)刻x服從正態(tài)分布[8],其概率密度f(wàn)s(x)為：

fs(x)=

式中：μ=17.6;σ=3.4。

初始SOC與車輛行駛距離相關(guān)，根據(jù)對(duì)私人電動(dòng)汽車日行駛里程的統(tǒng)計(jì)分析，SOC(公式中用E。表示)的概率密度函數(shù)[9]為：

式中：S為私家車電池容量；po為充電樁充電功率，本文假設(shè)電池為恒功率充電。

充電的可調(diào)度性指接入充電樁待充的私家車用戶選擇由變電站-小區(qū)充電樁管理系統(tǒng)統(tǒng)一安排充電或立即并網(wǎng)充電，因此根據(jù)用戶意愿把用戶的充電需求分為接入即充和可控充電2類。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化調(diào)度控制，根據(jù)電池SOC的不同將待充車輛電池分為A(SOC為10%～30%)、B(SOC為30%~50%)、C(SOC為50%～70%)3類。

通常而言，小區(qū)的負(fù)荷從晚上6點(diǎn)至早上7點(diǎn)經(jīng)歷了高峰到低谷的整個(gè)過(guò)程[10],而考慮到居民在下班后通常集中選擇給電動(dòng)汽車充電，而該時(shí)刻剛好位于居民區(qū)用電負(fù)荷高峰時(shí)段，大大加劇了配電網(wǎng)負(fù)荷壓力和負(fù)荷峰谷差，因此在該時(shí)間段應(yīng)進(jìn)行充電接入控制，保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行，即該時(shí)段為電動(dòng)汽車最優(yōu)調(diào)度時(shí)段。

1.3兩階段優(yōu)化建模

1.3.1一次優(yōu)化調(diào)度建模

變電站一次優(yōu)化調(diào)度是在已知變電站基礎(chǔ)負(fù)荷和各小區(qū)電動(dòng)汽車充電需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)分時(shí)段調(diào)度接入電網(wǎng)的充電樁數(shù)量，平抑負(fù)荷曲線，從而降低配電網(wǎng)的峰谷差和線路損耗。為此，作如下假設(shè)：

調(diào)度時(shí)段為 18:00 至次日 07:00，每隔 30min 進(jìn)行一次充電樁優(yōu)化接入，共 26 個(gè)調(diào)度時(shí)刻。

居民區(qū)電動(dòng)汽車僅通過(guò)充電樁充電，泊車后即接入充電樁待充。

不可控充電負(fù)荷的比例預(yù)測(cè)依賴于充電管理系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

基于以上假設(shè)，本文提出以等效負(fù)荷曲線方差為優(yōu)化目標(biāo)的充電樁接入策略[11]。目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Pa為t時(shí)刻變電站基礎(chǔ)負(fù)荷；Pv為電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)充電負(fù)荷；Pav為第i個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)等效負(fù)荷的平均值；P1為可調(diào)度充電負(fù)荷；P2為不可控充電負(fù)荷；i=1,2,…,T—M+1。

可調(diào)度充電負(fù)荷和不可控充電負(fù)荷的計(jì)算如下：

式中：nx-c為t時(shí)刻正在充電的3類可控電池?cái)?shù)量，nx-c=nx+nx-AT—nxTx,X取A,B,C,Tx為X類電池充滿電平均所需時(shí)間，nx為t時(shí)刻變電站接入充電的X類可控電池?cái)?shù)量，△T為調(diào)度時(shí)間間隔；po為充電樁充電功率。

式中：β為不可控系數(shù)；N為區(qū)域電動(dòng)汽車電池總量；Xmax和Xmin為X類電池SOC上下限；to為起始調(diào)度時(shí)刻；t?=t—Tx;[]為取整符號(hào)。

經(jīng)過(guò)上述分析，優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)建立如下：

有以下3個(gè)約束條件。

（1）充電需求總量約束

式中：Ntota為有充電需求的電動(dòng)汽車的電池總量。

（2）可調(diào)度電池?cái)?shù)量約束

式中：nx-ready為t時(shí)刻累積待充的X類電池?cái)?shù)量，其迭代計(jì)算公式如式(13)所示。

式中：nx-new為t—△T到t個(gè)調(diào)度時(shí)刻之間到達(dá)的X類待充電池?cái)?shù)量。

（3）變電站主變負(fù)載率約束

式中：Strans為變電站變壓器額定容量；αmax為變壓器負(fù)載率上限。

1.3.2二次優(yōu)化分配建模

二次優(yōu)化分配是將一次優(yōu)化調(diào)度獲得的最優(yōu)充電樁接入數(shù)量分配至各充電樁管理系統(tǒng)，指導(dǎo)各小區(qū)電動(dòng)汽車接入充電。為便于優(yōu)化計(jì)算，將充電管理系統(tǒng)與對(duì)應(yīng) 10kV 線路相結(jié)合，決策變量為每個(gè)時(shí)刻每條線路各類電池接入量，已知量為各類電池接入總量，以及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)采集的各條 10kV 線路的實(shí)時(shí)負(fù)載。由于均衡各線路的負(fù)荷有助于降低區(qū)域綜合線損，提高區(qū)域負(fù)荷水平和電壓水平，因此二次優(yōu)化目標(biāo)為各線路負(fù)載率的方差最小。

為直觀表示各類電池分配方案，建立如下電池接入矩陣Ibet:

式中：n,為第i條線路上接入的第j類電池?cái)?shù)量，j=1,2,3時(shí)分別表示A,B,C類電池。

接入電池后的線路l,負(fù)載率β;為：

式中：Pi;為線路i的負(fù)載；Srated為線路額定容量。

根據(jù)上述分析，二次優(yōu)化分配目標(biāo)函數(shù)建立如下：

式中：β為接入電池后各條線路平均負(fù)載率。其有以下3個(gè)約束條件。

各小區(qū)待接入的電池上限約束

式中：nredy為優(yōu)化時(shí)刻第i條線路上j類電池待充電數(shù)量上限，可由各小區(qū)充電管理系統(tǒng)提供。

（2）

最優(yōu)充電接人總量約束

線路負(fù)載率約束

2優(yōu)化調(diào)度模型求解

粒子群算法（PSO）是一種啟發(fā)式隨機(jī)優(yōu)化算法，每個(gè)粒子通過(guò)追逐自身最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置進(jìn)行搜索，最終收斂于群體最優(yōu)粒子，具有較強(qiáng)的全局搜索能力。分支定界法則是整數(shù)規(guī)劃的經(jīng)典求解方法，適用于電池矩陣的求解。本文綜合運(yùn)用這兩種方法，提出兩階段優(yōu)化算法求解優(yōu)化調(diào)度和分配模型。PSO 應(yīng)用于第一優(yōu)化階段，即變電站整體負(fù)荷優(yōu)化。其中，參數(shù)初始化時(shí)輸入變量包括變電站基礎(chǔ)負(fù)荷、線路容量約束、小區(qū)電動(dòng)汽車規(guī)模等；種群初始化采用隨機(jī)初始化初始充電方案；編碼方式為實(shí)數(shù)編碼，由于接入電池?cái)?shù)量為整數(shù)，因此需對(duì)實(shí)數(shù)進(jìn)行取整：

式中：B為電池接入方案；BA,Bp,Bc為采用實(shí)數(shù)表述的各類電池實(shí)時(shí)接入量。

由于在變電站負(fù)荷優(yōu)化中，為滿足用戶的充電需求，電池優(yōu)化方案需滿足等式約束，而采用隨機(jī)初始化和進(jìn)化過(guò)程中的個(gè)體可能不滿足此約束。在進(jìn)化算法中，多采用罰函數(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)體向可行域的進(jìn)化，然而罰函數(shù)難以選取，本文提出了如下的個(gè)體修正策略(以A類電池為例):

粒子速度和位置的更新為：

式中：w為慣性權(quán)重；r?和r?為(0,1)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)；c?和c?為學(xué)習(xí)因子；vi和z1分別為粒子i第k次迭代時(shí)的速度和位置；Pbest為粒子個(gè)體最優(yōu)解；gbes為群體最優(yōu)解。

通過(guò)調(diào)整權(quán)重系數(shù)w來(lái)實(shí)現(xiàn)算法全局搜索和局部搜索的平衡，因此w是影響算法性能的重要因素。通過(guò)對(duì)不同粒子的進(jìn)化速度h和種群整體的收斂程度s進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整不同粒子的w可有效提高算法的局部搜索能力和全局收斂性，相比w的線性調(diào)整策略，可更顯著提高算法的性能[13]。

二次優(yōu)化分配則借助于整數(shù)規(guī)劃中的分支定界法實(shí)現(xiàn)充電負(fù)荷的優(yōu)化分配[14]。整體優(yōu)化算法流程如圖3所示。

3算例分析

3.1參數(shù)設(shè)置

某110kV變電站，主變?nèi)萘繛?×40MW,以其供電范圍內(nèi)的8個(gè)居民小區(qū)為例，由8條10kV線路供電，小區(qū)規(guī)模如附錄A表A1所示，假設(shè)戶均擁有私家車0.75輛，表A1給出了電動(dòng)汽車滲透率為10%和30%下的車輛數(shù)。

10kV線路容量為3MW,私家電動(dòng)汽車電池容量為165Ah,充電功率為7kW15],充電樁與電動(dòng)汽車按1:1配置，接受調(diào)度的電動(dòng)汽車比例為

開始

負(fù)荷信息、充電需求信息等

優(yōu)化參數(shù)初始化

個(gè)體修正

權(quán)重系數(shù)計(jì)算個(gè)體修正

最優(yōu)位置更新

N

變電站負(fù)荷優(yōu)化

整數(shù)規(guī)劃

輸出記錄充電方案

充電負(fù)荷優(yōu)化分配

粒子速度更新

粒子位置更新

優(yōu)化線路充電負(fù)荷

數(shù)據(jù)初始化

是否停機(jī)?

種群初始化

結(jié)束

圖3優(yōu)化算法計(jì)算流程

80%。優(yōu)化算法中學(xué)習(xí)因子c?和c?取2;慣性權(quán)重w則根據(jù)進(jìn)化速度h與收斂程度s自適應(yīng)調(diào)整。根據(jù)變電站負(fù)荷情況分為典型日和夏高峰日2種研究場(chǎng)景，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄A表A2,線路負(fù)載率約束為60%。

3.2不同電動(dòng)汽車滲透比例下變電站負(fù)荷的變化

在典型日下，分別對(duì)電動(dòng)汽車滲透率為10%和30%的2種情況進(jìn)行目標(biāo)尋優(yōu)，等效負(fù)荷曲線方差值經(jīng)過(guò)50次左右迭代后快速收斂(見(jiàn)圖4),分別為5.33和4.37,充電樁接入總量滿足整體充電需求。

等效負(fù)荷曲線方差值

迭代次數(shù)

圖4等效負(fù)荷曲線方差的迭代收斂圖

根據(jù)獲得的最優(yōu)調(diào)度方案進(jìn)行充電樁接入充電，優(yōu)化前后的負(fù)荷曲線如圖5所示，同時(shí)，對(duì)優(yōu)化前后的負(fù)荷峰谷值進(jìn)行比較，如表1所示。

在10%和30%這2種電動(dòng)汽車滲透率下，無(wú)序接入充電將導(dǎo)致負(fù)荷峰谷差率分別增加4.5%和7.1%,而經(jīng)過(guò)充電優(yōu)化調(diào)度后的變電站負(fù)荷峰谷差率分別比無(wú)序充電時(shí)降低了8.5%和19.6%,移峰填谷效果十分明顯，表明了控制策略的必要性和有效性。

圖5優(yōu)化調(diào)度前后的負(fù)荷對(duì)比

表1變電站負(fù)荷水平比較

附錄A表A3給出了A,B,C這3類電池接入數(shù)量的時(shí)序安排。經(jīng)分析可知，為了滿足充電需求，大多優(yōu)先安排荷電量低的電池充電(接近高峰時(shí)段),再加上不接受調(diào)度的負(fù)荷，使得最大負(fù)荷比基礎(chǔ)負(fù)荷增長(zhǎng)了3.6%,變電站負(fù)載率從41%提高到43%,其中不可調(diào)度電動(dòng)汽車的比例對(duì)變電站最大負(fù)荷的增長(zhǎng)影響較大，可通過(guò)電價(jià)刺激、政策優(yōu)惠等方式對(duì)用戶進(jìn)行引導(dǎo)。

3.3大方式下電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

當(dāng)電動(dòng)汽車滲透率為30%(充電車輛共有1300輛),變電站負(fù)荷處于夏季高峰時(shí)，一天內(nèi)充電電量為22.4MW·h。優(yōu)化調(diào)度后變電站負(fù)荷曲線見(jiàn)圖6。

圖6不同基礎(chǔ)負(fù)荷下的負(fù)荷優(yōu)化曲線

由圖6可見(jiàn)，夏高峰時(shí)變電站最高負(fù)荷為39.7MW、谷段平均值為28.1MW,峰谷差14.5MW,降低了11%,最大負(fù)荷增長(zhǎng)0.9MW,變電站整體負(fù)載率增長(zhǎng)為49.25%。如果變電站或電動(dòng)汽車充電負(fù)荷進(jìn)一步增加，變電站主變負(fù)載率將增大，導(dǎo)致電網(wǎng)變壓器故障和檢修時(shí)不能實(shí)現(xiàn)站內(nèi)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，降低了供電可靠性。

在一次優(yōu)化獲得3類電池最優(yōu)接入時(shí)序的基礎(chǔ)上，根據(jù)2次充電樁優(yōu)化分配模型求解各調(diào)度時(shí)刻最優(yōu)電池接入方案，指導(dǎo)各小區(qū)進(jìn)行有序充電。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)附錄A表A4和A5,接入前后為住宅區(qū)供電的8條10kV線路負(fù)載率變化情況如表2所示。

表2電池優(yōu)化分配前后10kV線路負(fù)載率對(duì)比

優(yōu)化分配結(jié)果顯示，獲得的最優(yōu)電池接入矩陣滿足充電接入需求，典型日和夏高峰線路負(fù)載率變化分別減少70%和33%,并實(shí)現(xiàn)了各線路接入充電負(fù)荷后負(fù)載率的均衡性，典型日下避免了高負(fù)載率線路的接入充電，表明了分配策略和算法的有效性，提高了設(shè)備利用率。同時(shí)可知，夏季晚高峰時(shí)充電樁接入充電導(dǎo)致最高線路負(fù)載率由原來(lái)48%增加到52%,對(duì)于單聯(lián)絡(luò)線路，當(dāng)負(fù)載率高于50%時(shí)，引起供電可靠性下降。因此，在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車供電方案時(shí)，要以保證供電線路和變電站可靠性為約束，根據(jù)變電站范圍內(nèi)各小區(qū)充電負(fù)荷大小、不接受調(diào)度

用戶比例的具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。必要時(shí)采用新增線路、擴(kuò)建線路、改進(jìn)接線模式等方法保證供電線路的可靠性。

4安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

(1)即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

(2)數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

(4)數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(5)應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)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。

4.5系統(tǒng)硬件配置

類型	型號(hào)	圖片	功能
安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)	AcrelCloud-9000		安科瑞響應(yīng)節(jié)能環(huán)保、綠色出行的號(hào)召，為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kW交流充電樁，30kW壁掛式直流充電樁，智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來(lái)滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟(jì)、智能運(yùn)營(yíng)管理的市場(chǎng)需求，提供電動(dòng)汽車充電軟件解決方案，可以隨時(shí)隨地享受便捷安全的充電服務(wù)，微信掃一掃、微信公眾號(hào)、支付寶掃一掃、支付寶服務(wù)窗，充電方式多樣化，為車主用戶提供便捷、安全的充電服務(wù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池快速、安全、合理的電量補(bǔ)給，能計(jì)時(shí)，計(jì)電度、計(jì)金額作為市民購(gòu)電終端，同時(shí)為提高公共充電樁的效率和實(shí)用性。
互聯(lián)網(wǎng)版智能交流樁	AEV-AC007D		額定功率7kW，單相三線制，防護(hù)等級(jí)IP65，具備防雷 保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、智能監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量、遠(yuǎn)程升級(jí)，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍(lán)牙支持刷卡，掃碼、免費(fèi)充電可選配顯示屏
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC030D		額定功率30kW，三相五線制，防護(hù)等級(jí)IP54，具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、智能監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量、恒流恒壓、電池保護(hù)、遠(yuǎn) 程升級(jí)，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費(fèi)充電
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC060S		額定功率60kW，三相五線制，防護(hù)等級(jí)IP54，具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、智能監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量、恒流恒壓、電池保護(hù)、遠(yuǎn)程升級(jí)，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費(fèi)充電
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC120S		額定功率120kW，三相五線制，防護(hù)等級(jí)IP54，具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、智能監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量、恒流恒壓、電池保護(hù)、遠(yuǎn)程升級(jí)，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費(fèi)充電
10路電瓶車智能充電樁	ACX10A系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、故障回路識(shí)別、遠(yuǎn)程升級(jí)、功率識(shí)別、獨(dú)立計(jì)量、告警上報(bào)。 ACX10A-TYHN：防護(hù)等級(jí)IP21，支持投幣、刷卡，掃碼、免費(fèi)充電 ACX10A-TYN：防護(hù)等級(jí)IP21，支持投幣、刷卡，免費(fèi)充電 ACX10A-YHW：防護(hù)等級(jí)IP65，支持刷卡，掃碼，免費(fèi)充電 ACX10A-YHN：防護(hù)等級(jí)IP21，支持刷卡，掃碼，免費(fèi)充電 ACX10A-YW：防護(hù)等級(jí)IP65，支持刷卡、免費(fèi)充電 ACX10A-MW：防護(hù)等級(jí)IP65，僅支持免費(fèi)充電
2路智能插座	ACX2A系列		2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、故障回路識(shí)別、遠(yuǎn)程升級(jí)、功率識(shí)別，報(bào)警上報(bào)。 ACX2A-YHN：防護(hù)等級(jí)IP21，支持刷卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護(hù)等級(jí)IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護(hù)等級(jí)IP21，支持刷卡充電
20路電瓶車智能充電樁	ACX20A系列		20路承載電流50A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、故障回路識(shí)別、遠(yuǎn)程升級(jí)、功率識(shí)別，報(bào)警上報(bào)。 ACX20A-YHN：防護(hù)等級(jí)IP21，支持刷卡，掃碼，免費(fèi)充電 ACX20A-YN：防護(hù)等級(jí)IP21，支持刷卡，免費(fèi)充電
落地式電瓶車智能充電樁	ACX10B系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、故障回路識(shí)別、遠(yuǎn)程升級(jí)、功率識(shí)別、獨(dú)立計(jì)量、告警上報(bào)。 ACX10B-YHW：戶外使用，落地式安裝，包含1臺(tái)主機(jī)及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺(tái)主機(jī)及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告
智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴(kuò)展模塊，485擴(kuò)展模塊。
	擴(kuò)展模塊ANet-485		M485模塊：4路光耦隔離RS485
	擴(kuò)展模塊ANet-M4G		M4G模塊：支持4G全網(wǎng)通
導(dǎo)軌式單相電表	ADL200		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量，輸入電流：10（80）A； 電能精度：1級(jí) 支持Modbus和645協(xié)議 證書：MID/CE認(rèn)證
導(dǎo)軌式電能計(jì)量表	ADL400		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量，分相總有功電能，總正反向有功電能統(tǒng)計(jì)，總正反向無(wú)功電能統(tǒng)計(jì)；紅外通訊；電流規(guī)格：經(jīng)互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級(jí)，無(wú)功電能精度2級(jí) 證書：MID/CE認(rèn)證
無(wú)線計(jì)量?jī)x表	ADW300		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量，有功電能計(jì)量（正、反向）、四象限無(wú)功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測(cè)溫；1路剩余電流測(cè)量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級(jí)（改造項(xiàng)目） 證書：CPA/CE認(rèn)證
導(dǎo)軌式直流電表	DJSF1352-RN		直流電壓、電流、功率測(cè)量，正反向電能計(jì)量，復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)，SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級(jí)，1路485通訊，1路直流電能計(jì)量AC/DC85-265V供電 證書：MID/CE認(rèn)證
面板直流電表	PZ72L-DE		直流電壓、電流、功率測(cè)量，正反向電能計(jì)量:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級(jí) 證書：CE認(rèn)證
電氣防火限流式保護(hù)器	ASCP200-63D		導(dǎo)軌式安裝，可實(shí)現(xiàn)短路限流滅弧保護(hù)、過(guò)載限流保護(hù)、內(nèi)部超溫限流保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)、漏電監(jiān)測(cè)、線纜溫度監(jiān)測(cè)等功能;1路RS485通訊，1路NB或4G無(wú)線通訊(選配);額定電流為0~63A，額定電流菜單可設(shè)。
開口式電流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列開口式電流互感器安裝方便，無(wú)須拆一次母線，亦可帶電操作，不影響客戶正常用電，可與繼電器保護(hù)、測(cè)量以及計(jì)量裝置配套使用。
霍爾傳感器	AHKC		霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過(guò)霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過(guò)載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。
智能剩余電流繼電器	ASJ		該系列繼電器可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，主要適用于交流50Hz，額定電壓為400V及以下的TT或TN系統(tǒng)配電線路，防止接地故障電流引起的設(shè)備和電氣火災(zāi)事故，也可用于對(duì)人身觸電危險(xiǎn)提供間接接觸保護(hù)。

5結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)未來(lái)居民小區(qū)私人電動(dòng)汽車充電有序控制問(wèn)題開展研究，建立了變電站-小區(qū)充電樁接入控制模式，提出了兩階段優(yōu)化調(diào)度與分配策略，考慮了變電站和線路的可靠性約束，采用了改進(jìn)粒子群和分支定界法求解模型。仿真結(jié)果表明：電動(dòng)汽車充電的有序控制限制了變電站和線路最大負(fù)荷的增加，降低了峰谷差，增加了企業(yè)效益。隨著電動(dòng)汽車滲透比例的增加，削峰填谷的效果更明顯，同時(shí)可能引起電網(wǎng)供電設(shè)備的過(guò)載，影響電網(wǎng)的檢修和故障負(fù)荷轉(zhuǎn)移，必須通過(guò)改進(jìn)供電方案，以保證供電可充電的深入研究提供了很好的借鑒。該控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中涉及變電站控制中心和小區(qū)控制中心運(yùn)營(yíng)管理模式的協(xié)調(diào)，另外隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，為了保證實(shí)時(shí)性必須進(jìn)行通信系統(tǒng)的升級(jí)改造。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐立中，楊光亞，許昭，等.電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)丹麥配電系統(tǒng)的影響[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011,35(14):18-23.

[2]林弘宇，田世明.智能電網(wǎng)條件下的智能小區(qū)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電網(wǎng) 技術(shù)，2011,35(12):1-7.

[3]田立亭，史雙龍，賈卓.電動(dòng)汽車充電功率需求的統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2010,34(11):126-130.

[4]王輝，文福拴，辛建波.電動(dòng)汽車充放電特性及其對(duì)配電系統(tǒng)的影響分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,38(5):17-24.

[5]羅卓偉，胡澤春，宋永華，等.電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011,35(14):36-42.

[6]于大洋，宋曙光，張波，等.區(qū)域電網(wǎng)電動(dòng)汽車充電與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度的分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011,35(14):24-29.

[7]張杰.配電網(wǎng)負(fù)荷均衡及降低網(wǎng)損的重構(gòu)算法研究[D].吉林： 東北電力大學(xué)，2008.

[8]陽(yáng)明盛，羅長(zhǎng)童.最優(yōu)化原理、方法及求解軟件[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[9]電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置：第2 部分交流充電接口[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[10]劉文霞，劉流，趙天陽(yáng).變電站區(qū)域充電樁接入控制模式及策略

[11]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版

審核編輯 黃宇