浅谈基于峰谷电价的电动汽车有序充电策略
摘要：面对愈发严峻的碳排放现状，发展、清洁的电动汽车是当前社会减少对化石能源依赖、减少空气污染的关键方法。但电动汽车作为一种灵活的随机负荷，大规模地接入运行电网充电，会对电网的安全稳定产生负面的影响。本文为解决此问题，提出了一种基于峰谷电价的有序充电策略，以此合理引导电动汽车用户进行充电，助力电动汽车行业和智能电网的稳定发展。
关键词：峰谷电价；电动汽车；有序充电；电力需求侧管理
1研究背景
随着社会科技的不断发展，人类对各领域的探索不断加深，能源的消耗与需求也随之不断攀升，二氧化碳排放量的高速增长使得全球环境发生着令人心惊的变化，工业文明和生态文明在工业化发展的过程中激烈碰撞。中国作为全球二氧化碳排放量，在温室气体减排方面面临着的国际压力。2021年10月，中国国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》，这将深刻重塑我国的能源结构与产业结构，转变社会生产方式与人民生活方式。
电动汽车以车载电池提供的电源为动力，是集汽车的新技术改革、电子科技发展、新材料技术和电池储能技术一体的高新技术结合体，具有高能效、低污染、低噪音的优点，是能源需求端清洁化的重要绿色消耗设备，是全球应对温室气体减排的新一代清洁交通工具。电动汽车的突出优点是：运行过程中不排放污染环境的有害气体，且从电力能源供应端而言，也具有电力获得来源多样性、可控性的特点，能从如风力、太阳能、水势能、核能等多渠道获取电力，由此大力转变人类对石油等能源的依赖。同时，电动汽车作为一种灵活负载，可以充分发挥其灵活性的特点，引导电动汽车用户利用晚间等用电低谷时进行充电行为，以此实现电网负荷曲线的“削峰填谷”，提高电力设备的利用率，提升电力系统运行的经济效益。所以，电动汽车的推广覆盖，普及大众用户是实现低碳经济社会转型的重要方式，也是未来汽车发展的重要方向，这也受到全球各国及*汽车企业的高度重视。为加快电动汽车行业的发展，各国均出台了电动汽车相关研究激励以及电价补贴的政策，如美国2019年宣布将拿出5900万美元拨款，用于电动汽车车载电池、电动发电机等技术研究；欧洲多国不仅在本国建立了科技研发基金，还联合多国加强对电池技术的研究，有望在2050年实现电动汽车覆盖的目标。尽管近几年遭遇了*疫情的“黑天鹅”事件，但全球的电动汽车市场仍然保持强劲增长势头，2022年电动汽车*有望攀升至两位数。这无不意味着电动汽车高速发展的时代已经来到，电动汽车大范围覆盖的时代即将来临。
2.研究意义
电动汽车是解决温室气体排放量问题的重要方法，但同时电动汽车也是不容忽视的主动负荷。近10年来，随着电动汽车概念深入人心，充电配套设施日益完善，电动汽车覆盖率不断提高，所增加的充电负荷也在不断上升。在不远的未来，电动汽车大规模覆盖的场景下，因为其充电过程的随机性和不确定性，若不经引导随意加入电网进行充电行为，必然会带来电力负荷的大幅波动，增加电网统筹调度难度，对电力系统建设及电网运行产生严重影响，所以引导电动汽车有序充电具有重要的研究意义。
电动汽车作为一种新型负载，有其随机性和灵活性。而由于电动汽车充电时间与人们工作生活作息时间的重合，其充电负荷概率会与现有电网的基础运行负荷叠加形成“峰上加峰”的过载情况，进一步加重电网负荷，使得电网中的各节点电流上升速率突增，增加重载线路和重载变电站运行难度，导致电网损耗增加，进而将加速电网运、配、输电设备的老化，对电力系统的安全运行和电力消费者的用电体验都将造成了的负面影响。同时，若是为了满足用电尖峰时刻的负荷，又会对电网增容提出更高要求，不利于电网建设的经济性和发展性。
根据以上论述，对于电动汽车接入电网所引起的负荷曲线峰谷差问题，有序引导用户充电是研究的，而在这其中利用峰谷电价的经济引导是重要的可利用方式。智能电网作为现在电力系统电网建设的重要发展方向，通过对电网、充电设备以及充电汽车用户三方数据信息的分析研判，应用基于峰谷电价对充电用户的有序引导策略，从而达到对电网“削峰填谷”的目的，进而减小电网的运行损耗，增加电力系统运行的稳定性和安全性，使得三方效益化，促进电动汽车更大规模推广应用，推动能源需求侧清洁化的转变。
3智能电网下的电动汽车充电需求侧管理
本章中，将介绍电动汽车在智能电网中的充电构架（感知层、网络层及应用服务层），在此基础上应用电力需求侧管理方式，以电动汽车充电需求为核心，峰谷电价为手段，以此得到智能电网下的电动汽车充电需求侧管理。
和传统的电网不同，智能电网着力于信息交互与数据联通，电动汽车在智能电网中可以获取更多的电网运行信息及电价信息，而电动汽车的相关数据也将上传到电网运行的大数据网络中。依托于这些数据和信息，一方面有利于电动汽车用户获得更好的电力服务，而另一方面也将有助于供电网络的负荷预测和控制。本节将介绍电动汽车在智能电网中的充电构架，这也是电力需求侧管理应用于电动汽车充电需求的基础。在智能电网中，电动汽车充电构架可以分为3个层次，即感知层、网络层及应用服务层。
3.1感知层
电动汽车充电构架中的即感知层，在这个层级中包括电动汽车（EV）感知系统和充电网络感知系统[34]。在发生充电行为的范围里装设传感器、充电汽车终端、扫描仪器和无线射频识别标签等数据收集设备。电动汽车感知系统的建立包括各种通信元件和设备，并借助传感器设备记录和描述电动汽车充电行为中的各项数据和信息，如电池信息，目标识别，GPS定位和汽车状态，所描述和记录的数据不仅将记录和保存在电动汽车数据记录系统中，也将通过信息传输系统到达网络层。
3.2网络层
完成感知层的信息采集和获取后，智能电网中的网络层会通过有线或者无线通信的方式得到信息。有线通讯通常用于固定充电器的设备，通过光纤网络，电动汽车的充电服务提供平台可以获得正在进行充电汽车的相关状态信息，并由此展开信息的分析和判断。而无线通信则将用于非固定的电动汽车上，即可能需要获取充电服务的移动电动汽车上。有线和无线的两种通讯方式可以双渠道收集电动汽车的各项数据，尤其是充电负荷需求的相关数据，这也使得供电网络可以为电动汽车提供更好的充电服务信息，并能在此基础上提供更好的充电服务策略，达到电动汽车用户、供电网络运行商的共赢。
3.3应用服务层
网络层收集和获取数据信息后，上传到应用服务层，在本层展开对各类数据的综合判断和分析，由应用服务层作出的优化充电服务方案和策略，是智能电网数据分析的支撑平台，也是智能电网的核心部分。应用服务层对智能电网下的电动汽车充电行为进行全链条状态分析，如充电状态分析、充电费用计算、车载电池性能信息判断以及与相关充电设备的连接信息，并对整个电动汽车充电需求服务体系进行优化升级和运营。
3.4电力需求侧管理
随着电动汽车普及率不断上升，越来越多的电动汽车充电负荷将接入电网，这必将对电网产生影响，而智能电网中的电动汽车充电构架为加强充电负荷的管理提供了基础和工具，由此引入电力需求侧管理，对电动汽车充电负荷进行管理，以增加对这种灵活负荷管理的可控性和计划性。
电力需求侧管理，是指采用有效的激励措施[42]，从电力的需求侧引导电力消费者改变用电习惯和方式，由此提高电力需求侧的用电效率。这种管理技术是建设智能电网的关键基础技术，也是电网智慧化的重要部分。需求侧管理的实现对于智能电网更好地提供电力服务有着举足轻重的作用[43]，也是未来电网不断进化完善的关键方向。
3.5电力需求侧管理中的经济手段
3.5.1经济手段分类
电力需求侧管理中的经济手段主要基于电价变化的需求响应，实施差异电价以用电电费的经济性引导电力消费者调整用电习惯。现阶段共有三种不同的电价类别，分别是：峰谷电价、实时电价和尖峰电价。
（1）峰谷电价
峰谷电价也称为峰谷分时电价，是电力需求侧管理经济手段中重要措施之一，它能有效地反映电网电力提供成本在不同时段的差别。峰谷电价中对应的高峰时段电价、平时段电价、低谷时段电价，三者价格依次降低，以此引导用户在高峰时段减少用电，在低谷时段鼓励用电。电网运营商一般偏好于峰谷电价策略，因为峰谷电价发布之后是静态恒定的，和实时变化策略相比运营难度小，但相比实时电价反映供电运行成本具有一定的滞后性。
（2）实时电价
实时电价是与电网运行实时联动的一种经济激励手段，即是说电网运营者按照每小时浮动变化的电价向电力消费者收取费用，以此与电力市场的实时电力生产成本相符。而一般情况下，实时电价由电网运营者事先提供给消费者，消费者可以灵活选择是否响应。
（3）尖峰电价
尖峰电价是指在峰谷电价和实时电价的基础上衍生的一种电价机制[45]，尖峰电价在峰谷电价的基础上加入尖峰费率进行调节，相比实时电价，尖峰电价的价格风险小，而和峰谷电价相比又有更多的灵活性。
峰谷电价（TOU）首先根据电网的负荷曲线情况，将负荷日运行周期按照每天24小时划分为三个时段，分别为峰、平、谷。然后对不同的时段电力收费制定不同的电价，以此引导用电用户合理安排用电时间，改变用电消费规律，在不改变或者少改变电网原始结构的基础上，从整体上鼓励用户共同参与到电网负荷的削峰填谷中，提高电力系统运行的安全性和稳定性。
在本文中，不涉及峰谷分时电价的定价分析，故进行简化处理，认为峰谷电价在一个合理水平内，既不影响电力生产端参与者的积极性，又能吸引电力消费用户对此政策进行积极响应。
4基于峰谷电价的电动汽车有序充电策略
本章将基于智能电网电动汽车充电需求侧管理，在峰谷电价的经济手段激励下，建立电动汽车有序充电管理模型，并且引入了充电用户守约激励系数的概念，以此加强电动汽车用户对于峰谷电价的响应程度，引导电动汽车用户有序开展充电行为，以此减小电网峰谷差，降低电网损耗，提高系统运行稳定性。
智能电网下的电力需求侧管理，有序充电策略由以下四个层级组成：
1）电动汽车；
2）充电设备；
3）次级控制；
4）电网控制。
电动汽车用户进行充电服务时，将充电涉及到的相关信息经过有线连接传递到充电设备（充电桩或充电站通信设施），而充电设备同样也和电动汽车发生双向信息传递，发送控制信号到电动汽车。同时，充电设备将采集到的电动汽车充电信息及充电设备信息发送到次级控制，接受次级控制的管理，并将管理信息层层下发至电动汽车。次级控制收集本区域内所有的充电信息，上传到电网控制，电网控制对数据进行处理，进行电网稳定运行和负荷控制的策略制定，对次级控制进行负荷管理指导并下达充电计划安排，以此达到平滑负荷曲线，减低网损的目的。
4.2电动汽车有序充电控制模型
智能电网下，供电企业可以收集和分析电动汽车信息[57]，并接收电动汽车用户的充电需求信息，在每个时段更新数据，检测有多少电动汽车用户提出用电需求，并由此规划充电负荷，若充电负荷对电网负荷小于一定影响，则执行上一时段充电调度安排。、由此，采用鸡群优化算法寻求电动汽车有序充电策略：
先随机生成鸡群N，鸡群中的所有个体设定为在阶段求解完成之后确定的时间区域内的连续时间段，且该时间段能满足电动汽车充电用户的充电需求；以电网负荷峰谷差为适应值函数，以适应值函数结果将鸡群N划分为几个组，鸡群个体根据各自的位置更新策略不断调整位置，以不断靠近食物位置，得到个体的位置和适应值。
5安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展
5.1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。
5.2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。
5.3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。
5.4安科瑞充电桩云平台系统功能
5.4.1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。
5.4.2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。
5.4.3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。
5.4.4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。
5.4.5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。
5.4.6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。
5.4.7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
5.4.8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总结
面对越加严峻的碳排放现状，我国大力倡导能源清洁化，电动汽车将是未来新能源汽车的主要发展方向和推广产品，其普及和发展已成为未来的必然趋势。但电动汽车作为一种灵活的随机负荷，大规模地接入运行电网充电，对电网的安全稳定和电力需求侧管理提出了新的挑战。首先介绍了电动汽车的发展背景，在电网充电设备和电动汽车越加紧密联系下研究电动汽车有序充电控制管理的意义。接着分析了智能电网下电动汽车的充电构架，即感知层、网络层、应用服务层。在此基础上，对智能电网下的电力需求侧管理进行了概念介绍和意义阐述，并对电力需求侧管理的四个主要手段进行了分析，由此引入了峰谷电价的经济手段对电动汽车的充电行为进行引导。同时引入了面向电力消费者的守约激励系数，加大经济手段的吸引力和价格杠杆作用，从而增加了电动汽车充电负荷的可预计性和可控性，以此得到了双重约束条件下的电动汽车有序充电策略。
参考文献：
[1] 李琴.基于峰谷电价的电动汽车有序充电策略
[2] 张晨曦.电动汽车入网技术及社会综合效益研究
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版
作者介绍：翟雪玲，任职安科瑞电气股份有限公司。