浅谈充电桩有序充电与配电网需求侧响应结合的优异性分析及策略探索
时间：2024-11-15 阅读：65
安科瑞 陈聪
摘要：随着电动汽车产业的快速发展和能源转型的推进，充电基础设施的建设和优化成为推动新能源汽车普及的关键。本文首先概述了我国电动汽车充电设施的现状与挑战，特别是基础充电设施分布不均衡和电网供需矛盾加剧的问题。随后，深入探讨了充电桩有序充电技术与配电网需求侧响应相结合的*越性和实施策略，并以安科瑞充电桩收费运营云平台为例，展示了其在实现有序充电和需求侧响应中的实际应用。通过智能有序充电技术和需求侧响应机制，可以有效平衡电网负荷，提高可再生能源的消纳率，同时减少电动汽车充电对电网的冲击。本文分析了两者结合的潜在优势，并提出了相应的政策建议和技术路径，旨在推动充电基础设施的有序建设和发展，确保电动汽车充电的便捷性和高效性，进一步促进新能源汽车产业的良性发展。
关键词：电动汽车；充电桩；有序充电；配电网；需求侧响应；
1.引言
电动汽车作为绿色出行的重要选择，其普及程度日益提高，预计到2025年需要建设和发展超过2000万辆电动汽车的充电基础设施。然而，充电基础设施的建设和发展仍面临诸多挑战，特别是基础充电设施分布不均衡和电网供需矛盾加剧的问题，严重影响了电动汽车的便捷性和用户的充电体验。因此，研究充电桩有序充电与配电网需求侧响应的结合，成为推动充电基础设施有序建设和发展、促进新能源汽车普及的重要途径。本文以安科瑞充电桩收费运营云平台为例，探讨了该策略在实际应用中的可行性和效果。
2.电动汽车充电设施现状与挑战
近年来，我国政府高度重视电动汽车充电设施的建设，采取了多项政策措施，包括推广智能有序充电技术和建设大量充电桩。2023 年 1 - 5 月，全国充电基础设施增量为 114.7 万台，其中新增公共车桩比为 2.6：1，增速不及存量水平。截至 2022 年底，我国公共充电桩数量为 179.7 万座，较 2016 年增长 165.6 万座，增幅高达 1174.47%。其中，直流充电桩及交流充电桩分别为 76.1 万座及 103.6 万座，占公共类充电桩数量的 42.35% 及 57.65%。此外，预测到 2023 年底，我国将新增 97.5 万台公共充电桩，使其总数达到 277.2 万台，同时随车配建充电桩的新增量将达到 340.0 万台，使其总数达到 681.2 万台。然而，尽管充电桩数量快速增长，但分布不均衡的问题仍然突出。特别是在一些偏远地区或城市边缘地带，充电桩数量严重不足，难以满足电动汽车的充电需求。此外，电动汽车充电负荷对电网的冲击也不容忽视，可能引发电网负荷波动和供需失衡。随着能源转型的推进和分布式能源的快速发展，配电网的运营和管理面临着新的挑战。提高配电网的供电能力以满足用户用电需求，同时降低系统的峰谷差和负荷波动，缓解供电压力，已成为我国电网规划的当务之急。
3.充电桩有序充电技术概述
（一）定义
充电桩有序充电技术是一种通过对电动汽车充电过程进行合理控制和调度的技术。它基于电网的运行状态、用户需求、充电设施的特性等多方面因素，实现电动汽车充电负荷在时间和功率上的优化分配，避免大量电动汽车同时充电对电网造成的冲击，如电压波动、过载等问题。
（二）目标
电网侧目标：降低配电网的峰谷差，平抑负荷波动，提高电网的供电可靠性和电能质量，保障电网的安全稳定运行。通过合理安排充电时间和功率，减少电网在高峰时段的供电压力，同时充分利用低谷时段的剩余容量。
用户侧目标：满足用户的充电需求，在不影响用户正常使用电动汽车的前提下，尽可能为用户提供经济、便捷的充电服务。例如，根据用户的出行计划和电池状态，介绍合适的充电时间和充电功率，避免长时间等待充电。
4.配电网需求侧响应机制分析
配电网需求侧响应是指通过调整用户用电行为，促进电网供需平衡的一种机制。通过实施需求侧响应，可以引导用户在电网高峰时段减少用电，在低谷时段增加用电，从而有效缓解电网供需矛盾，提高电网运行效率和稳定性。在这个背景下，引入需求侧响应策略显得尤为重要。需求侧响应主要是通过激励用户调整用电行为，以实现移峰填谷，提高电力系统的运行效率。
（一）电网侧目标
削峰填谷：减少配电网高峰时段的用电负荷，降低电网的峰值功率需求，同时增加低谷时段的用电负荷，使负荷曲线更加平坦。这有助于缓解电网在高峰时段的供电压力，减少对发电和输电设备的扩容需求，降低电网建设和运营成本。
提高供电可靠性：通过合理调整用户负荷，降低电网过载、电压波动等故障风险，增强配电网应对突发情况（如设备故障、自然灾害等）的能力，提高供电可靠性和电能质量。
促进可再生能源消纳：随着分布式可再生能源（如太阳能、风能）在配电网中的比例不断增加，其间歇性和波动性给电网运行带来挑战。需求侧响应机制可以引导用户在可再生能源发电高峰时段增加用电，提高可再生能源的利用率，促进其在配电网中的有效消纳。
（二）用户侧目标
降低用电成本：用户通过响应价格信号或激励措施，合理调整用电行为，选择在电价较低的时段用电或获得相应的经济补偿，从而降低自身的用电费用。
提高用电舒适度和灵活性：在满足基本用电需求的前提下，用户可以根据自身情况和激励机制，灵活安排用电设备的使用时间，提高用电的自主性和舒适度。例如，用户可以将一些非紧急的用电任务（如洗衣机洗衣服、电动汽车充电等）安排在低谷电价时段或在收到激励信号时进行。
5.充电桩有序充电与配电网需求侧响应结合的优异性
（一）优化充电设施利用效率
充电桩有序充电可以根据电网负荷情况和用户需求，合理安排电动汽车的充电时间和功率。当与配电网需求侧响应结合时，可以进一步优化充电设施的利用效率。例如，在电网负荷低谷时段，通过价格激励或控制策略引导电动汽车充电，避免在高峰时段集中充电，从而提高充电桩的利用率，减少闲置情况。
（二）缓解配电网压力
电动汽车大规模无序充电可能会对配电网造成较大冲击，如电压波动、过载等问题。有序充电与配电网需求侧响应结合能够有效缓解这种压力。通过需求侧响应机制，配电网可以实时调整充电桩的充电功率，使其与电网的供电能力相匹配，保障配电网的安全稳定运行。
（三）促进能源绿色低碳转型
这种结合有利于充分利用可再生能源。例如，当配电网中有大量光伏、风电等可再生能源发电时，可以通过有序充电策略引导电动汽车在可再生能源发电高峰时段充电，增加可再生能源的消纳，减少对传统化石能源的依赖，从而推动能源绿色低碳转型。
（四）提升用户充电体验
通过有序充电和需求侧响应的结合，可以为用户提供更便捷、快速的充电服务。例如，根据用户的充电需求和电网情况，为用户介绍*佳充电时间和地点，避免用户在充电时长时间等待或找不到可用充电桩的情况，提高用户满意度。
6.安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展
6.1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。
6.2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。
6.3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。
6.4安科瑞充电桩云平台系统功能
6.4.1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。
6.4.2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。
6.4.3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。
6.4.4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。
6.4.5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。
6.4.6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。
6.4.7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
6.4.8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。
6.5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 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-ES |
| AIM-D100-ES系列直流绝缘监测仪可以应用在15~1500V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-T |
| AIM-D100-T系列直流绝缘监测仪可以应用在10~1000V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
| 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。 |
7.结论与展望
充电桩有序充电与配电网需求侧响应的结合是推动充电基础设施有序建设和发展、促进新能源汽车普及的重要途径。通过实施该策略，可以有效平衡电网负荷，提高可再生能源的消纳率，减少电动汽车充电对电网的冲击，同时引导用户调整用电行为，促进电网供需平衡。安科瑞充电桩收费运营云平台作为实现这一策略的重要工具，在实际应用中取得了显著成效。未来，应继续加强政策引导和技术研发，推动该策略在更广泛的范围内应用和推广。同时，加强充电设施与电网的协同规划和建设，提高充电设施的智能化管理水平，为新能源汽车产业的良性发展提供更加坚实的支撑。
参考文献：
[1]陈启元，张强，欧渊，等.充电桩有序充电与配电网需求侧响应结合的优异性分析
[2]李海斌.基于需求响应的电动汽车有序充电策略研究[J],2021.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版