虚拟电厂如何优化调度电动汽车充电

徐悦

安科瑞电气股份有限公司

摘要：大量电动汽车用户的无序充电可能造成电网负荷剧烈波动，危及电网的安全稳定。随着电动汽车入网技术的应用，将电动汽车充电站及其周边的分布式新能源发电聚合为虚拟电厂后进行优化调度，有助于改善电动汽车用户充放电的经济性及满意度，同时提高分布式新能源的利用率，平抑电网负荷波动，但电动汽车充电站的整体充放电负荷是大量个体电动汽车用户随机行为的聚合，难以用数学模型描述。针对包含电动汽车的虚拟电厂，提出一种基于深度强化学习的交互式调度框架，以虚拟电厂内电动汽车用户的总效益。虚拟电厂控制平台作为智能体决策电动汽车个体的充放电动作，无需掌握个体详细模型，而是通过与区域电网环境的交互，不断学习和更新动作策略，从而克服集中式优化方法的局限性。该优化调度框架采用深度确定性策略梯度算法进行求解。仿真结果表明，与集中式优化方法相比，该优化算法提高了各电动汽车用户的效益，并使电动汽车充放电负荷与分布式新能源发电协调配合实现削峰填谷，改善了虚拟电厂的整体运行性能。

关键词：虚拟电厂；电动汽车；电动汽车入网技术；分布式新能源；

1.为什么要搭建虚拟电厂

大量电动汽车的无序充电不仅会影响电网的安全稳定运行，而且会给用户造成经济损失。事实上，电动汽车充电负荷不仅具有较大的调节弹性，而且可以基于电动汽车入网技术实现发电和用电侧的角色转换，具备很大的优化调度潜力。通过搭建虚拟电厂整合区域配电网中的电动汽车充放电负荷及分布式新能源发电资源，合理引导电动汽车用户的充放电行为，不但可以降低电动汽车车主的充电费用，提高充电需求满足程度，同时可使电动汽车充放电负荷与分布式新能源发电协调配合，提高新能源利用率，平抑虚拟电厂整体负荷的波动。虚拟电厂是电力系统中智能配电网运行的重要技术，通过创建一个虚拟电厂控制平台，可以将配电网中的电动汽车充放电负荷与分布式新能源聚合为一个整体参与电网运行，更好地发掘电动汽车充放电负荷与分布式新能源的价值和效益。

然而，在上述包含电动汽车充放电负荷及分布式新能源的虚拟电厂中，电动汽车充电站的总负荷特性是大量个体电动汽车用户随机充放电行为的聚合，难以对其进行的数学建模和准确预测，这给传统的基于负荷预测进行优化计算的集中式调度模式带来了挑战。解决这一难点的一种有效途径是采用基于强化学习方法的交互式优化调度模式。该模式中，虚拟电厂控制平台作为智能体，包含电动汽车个体用户及分布式新能源的区域电网为智能体所在的环境。虚拟电厂控制平台在不掌握电动汽车个体用户详细模型的情况下给出电动汽车个体的充放电动作决策，并通过与区域电网的交互评估当前决策的性能，不断学习和更新动作策略，直至得到令人满意的优化决策。基于智能体与环境之间信息交互的强化学习方法可以在缺乏数学模型的情况下模拟顺序决策问题并获得对环境的响应。这种基于强化学习的交互式调度模式克服了传统集中式调度的局限性，有望在虚拟电厂优化调度中得到应用。

目前，国内外针对电动汽车充电优化调度的研究主要关注电网侧和用户侧的经济效益。第1类文献提出将电动汽车充电负荷接入微电网：构建了一个包含风光、基础负荷、储能电池以及电动汽车代理商等对象的微电网，采用粒子群算法对电网经济优化调度模型进行求解；构建了面向工业园区的包含电动汽车充电站的风/光/柴独立微电网模型，通过混合整数线性规划算法，采用Matlab的YALMIP工具包对模型进行求解。第2类文献提出了针对电动汽车充电负荷的市场机制：提出了制定电力交易合约和两级拍卖的优化策略，通过搭建分层区块链结构，提高了电网对区域内电动汽车充放电行为的优化调度；采用市场机制方法进行电动汽车充电量和本地负荷之间的协调调度，避免因负荷聚集而导致配电系统阻塞。另一类文献提出了消纳电动汽车充电负荷的虚拟电厂：采用粒子群优化算法，通过构建虚拟电厂对高比例新能源、电动汽车和可控电源的出力进行优化调度；构建了包含风电、光伏、微燃气机组、储能、基础负荷和电动汽车负荷的虚拟电厂，制定了虚拟电厂与电动汽车用户双方经济效益的主从博弈定价策略。

2构建实施

2.1 应用平台构建

虚拟电厂平台系统运行监测、系统运行管理、资源分析与建模、结算管理等功能部署于管理信息大区，交易申报与信息发布、可视化展示等功能部署于互联网大区，方便外界资源接入，两部分平台之间通过强逻辑隔离装置进行信息交互，分别简称为外平台与内平台。

外平台作为聚合商与虚拟电厂用户等社会资源的接入端口与申报发布端口，主要与智慧能源服务平台、电力交易平台、虚拟电厂用户等交互；内平台主要与电网资源业务中台、数据中台、调度系统、虚拟电厂用户等交互。虚拟电厂运营平台采用统一的虚拟电厂聚合商接口，各虚拟电厂聚合商可通过此架构基础进一步与所管控虚拟电厂进行数据与指令交互，并可集成多类型微服务，例如综合能源服务公司、电动汽车公司、第三方负荷聚合商等主体的

自建能量管理系统或管理平台。

虚拟电厂运营平台针对不同时间尺度的调控指令与交易、运营数据交互需求，设置不同的数据通路，包括信息上传与需求计划下发通路等。运营平台与调度系统通过多道安全防护进行出力计划与调节需求等数据交互，构建调控信息通路；运营平台与智慧能源服务平台、交易平台通过相关技术支持功能进行市场信息、出清与结算数据等数据交互，构建市场信息通路。

针对辅助服务、需求响应、电能量交易等所需的数据交互类型，运营平台代理进行交易申报，接收相应上级平台发布的市场出清结果、调节需求或计划曲线，通过预设的协调优化策略，将其分解下发至各虚拟电厂聚合商，在建设前期也可直接发送至底层虚拟电厂用户，并进行实际运行情况的监测、接收、运行评估；此外运营平台还通过交易数据通路，接收辅助服务市场的月度结算信息并分解下发至聚合商或虚拟电厂用户。

2.2 试点应用

组织开展虚拟电厂试点参与平台调峰、调频的洽谈、改造及接入，并逐步拓展接入多元资源的种类与规模，针对接入的聚合商或负荷资源开展调控业务的模拟运行，实现电源侧与负荷侧灵活资源的有效耦合利用与深度互动，以及光伏新能源弃限电量消纳。

2.3 沟通推动政策出台

沟通相关部门推动河北调频辅助服务市场规则的出台，确认虚拟电厂主体角色，鼓励前期按照“报量不报价”的原则参与服务；后期根据电力现货市场建设情况，推动虚拟电厂相关补贴政策出台。一方面，规定可再生能源发电应尽量并网，并进一步完善现行的分时电价办法，鼓励和促进用电高峰时用户节电和分布式能源发电。另一方面，应区别对待不同职能的虚拟电厂。

3 安科瑞智慧能源管理平台助力虚拟电厂快速发展

3.1安科瑞智慧能源管理平台

AcrelEMS 智慧能源管理平台是针对企业微电网的能效管理平台，对企业微电网分布式电源、市政电源、储能系统、充电设施以及各类交直流负荷的运行状态实时监视、智能预测、动态调配，优化策略，诊断告警，可调度源荷有序互动、能源全景分析，满足企业微电网能效管理数字化、安全分析智能化、调整控制动态化、全景分析可视化的需求，完成不同策略下光储充资源之间的灵活互动与经济运行，为用户降低能源成本，提高微电网运行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平台可以接受虚拟电厂的调度指令和需求响应，是虚拟电厂平台的企业级子系统。

图1 AcrelEMS 智慧能源管理平台主界面

3.2平台结构

系统覆盖企业微电网“源-网-荷-储-充”各环节，通过智能网关采集测控装置、光伏、储能、充电桩、常规负荷数据，根据负荷变化和电网调度进行优化控制，促进新能源消纳的同时降低对电网的至大需量，使之运行安全。

图2 AcrelEMS 智慧能源管理平台结构

3.3平台功能

3.3.1.能源数字化展示

通过展示大屏实时显示市电、光伏、风电、储能、充电桩以及其它负荷数据，快速了解能源运行情况。

3.3.2.优化控制

直观显示能源生产及流向，包括市电、光伏、储能充电及消耗过程，通过优化控制储能和可控负载提升新能源消纳，削峰填谷，平滑系统出力，并显示优化前和优化后能源曲线对比等。

3.3.3.智能预测

结合气象数据，历史数据对光伏、风力发电功率和负荷功率进行预测，并与实际功率进行对比分析，通过储能系统和负荷控制实现优化调度，降低需量和用电成本。

3.3.4.能耗分析

采集企业电、水、天然气、冷/热量等各种能源介质消耗量，进行同环比比较，显示能源流向，能耗对标，并折算标煤或碳排放等。

3.3.5.有序充电

系统支持接入交直流充电桩，并根据企业负荷和变压器容量，并和变压器负荷率进行联动控制，引导用户有序充电，保障企业微电网运行安全。

3.3.6.运维巡检

系统支持任务管理、巡检/缺陷/消警/抢修记录以及通知工单管理，并通过北斗定位跟踪运维人员轨迹，实现运维流程闭环管理。

3.4设备选型

除了智慧能源管理平台外，还具备现场传感器、智能网关等设备，组成了完整的“云-边-端”能源数字化体系，具体包括高低压配电综合保护和监测产品、电能质量在线监测装置、电能质量治理、照明控制、充电桩、电气消防类解决方案等，可以为虚拟电厂企业级的能源管理系统提供一站式服务能力。

名称	图片	型号	功能	应用
中高压微机保护装置		AM6、AM5SE	实现110kV至10kV回路的保护、测量和自动控制功能	110kV、10kV回路断路器
电能质量在线监测装置		APView500	集谐波分析/波形采样/电压闪变监测/电压不平衡度监测等稳态监测、电压暂降/暂升/短时中断等暂态监测、事件记录、测量控制等功能为一体，满足A级电能质量评估标准，能够满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求。	110kV、35kV、10kV、0.4kV
防孤岛保护装置		AM5SE-IS	防止分布式电源并网发电系统非计划持续孤岛运行的继电保护措施，防止电网出现孤岛效应。装置具有低电压保护、过电压保护、高频保护、低频保护、逆功率保护、检同期、有压合闸等保护功能。	110kV、35kV、10kV、0.4kV
动态谐波无功补偿系统		AnCos*/*-G Ⅰ型	同时具备谐波治理、无功功率线性补偿与三相电流平衡治理和稳定电压的功能,响应时间快，精度高、运行稳定，能根据系统的无功特性自动调整输出，动态补偿功率因数；	0.4kV电能质量治理
多功能仪表		APM520	全电力参数测量、复费率电能计量、四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。 接口功能：带有RS485/MODBUS协议	并网柜、进线柜、母联柜以及重要回路
多功能仪表		AEM96	具有全电量测量，谐波畸变率、分时电能统计，开关量输入输出，模拟量输入输出。	主要用于电能计量和监测
电能表		DTSD1352	具有全电量测量，电能统计，80A内可直接接入，导轨安装。	低压配电箱
物联网仪表		ADW300W	主要用于计量中低压配电的三相电气参数，采集状态量并控制断路器，可灵活安装于配电箱内，自带开口式互感器，可实现不停电安装，具备RS485、4G、LoRaWan无线通信功能，适用于配电系统数字化改造。	微电网数字化改造
物联网仪表		ARCM300	三相交流电能计量、漏电电流测量、谐波分析、4路温度采集功能，通过对配电回路的剩余电流、导线温度等火灾危险参数实施监控和管理，可采集状态量或控制断路器，具备RS485通讯或4G通讯功能。	微电网电气消防和数字化改造
直流电能表		DJSF1352-RN	可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等，配套霍尔传感器(可选)。	直流计量
马达保护		ARD3M	电动机保护控制器，适用于额定电压至 660V 的低压电动机回路，集保护、测量、控制、通讯、运维于一体。其完善的保护功能确保电动机安全运行，强大的逻辑可编程功能可以满足各种控制要求，多种可选配的通讯方式适应现场不同的总线通讯需求。	电机保护控制
智慧断路器		ASCB1LE-63-C63-4P/Z4G	三相智能微型断路器，具备普通微断保护和控制功能，同时具备电流、电压、功率、电能测量功能，支持漏电保护和用电行为特征识别，支持远程控制，4G通讯。	末端配电
防火限流式保护器		ASCP200-63D	可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、过/欠压保护、漏电监测、线缆温度监测、内部超温限流保护等，电流0-63A，RS485通讯	末端配电保护
遥信遥控单元		ARTU100	具备开关量采集和继电器输出控制功能，导轨式安装，485通讯，可实现断路器或接触器的远程控制和状态量采集。	状态量采集和控制输出
电动汽车充电桩		AEV200-DC60S AEV200-DC80D AEV200-DC120S AEV200-DC160S	输出功率160/120/80/60kW直流充电桩，满足快速充电的需要。	充电桩运营和充电控制
智能网关		ANet-2E4SM	边缘计算网关，嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议	电能、环境等数据采集、转换和逻辑判断
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。	交流电流采集转化
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。	直流电流采集转化
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。	剩余电流采集，防止接地故障

安科瑞系统解决方案还包含电力运维云平台、能源综合计费管理平台、环保用电监管云平台、充电桩运营管理云平台、智慧消防云平台、电力监控系统、微电网能量管理系统、智能照明控制系统、电能质量治理系统、电气消防系统、隔离电源绝缘监测系统等系统解决方案，覆盖企业微电网各个环节，打造准确感知、边缘智能、智慧运行的企业微电网智慧能源管理系统。

3.5安科瑞充电桩云平台系统功能

3.5.1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。

作者介绍：

徐悦，女，安科瑞电子商务有限公司，从事电气相关物联网系统研发工作，邮箱:[e-mail]，手机：[phone]（微信同号），QQ:2885206556