浅谈电动汽车充电设施规划及有序充电策略研究

摘要：传统汽车的动力能源主要来源于汽油燃烧，这不仅会加剧我国化石能源短缺的窘迫现状，还会产生各种污染尾气，背离了我国“绿色环保”发展理念。同时，电动汽车作为一种新兴产业，以电产能，具有“、低噪声、节能环保”的特点，它的出现，有效地缓解了环境能源问题。主要对电动汽车无序充电对电网的影响展开了研究，从用户出行方式、出发时刻以及出行距离等特征进行分析。引入了电动汽车用户响应有序充电策略的电价启动阈值和关闭阈值，提出了分时电价的制定方法。

关键词：电动汽车，无序充电，有序充电，传统汽车

0.引言

21世纪以来，我国经济发展进入了快速道，带来的结果是扩大了城市化范围，显著提高了人们的生活水平质量，人们的通勤距离也由此增加，不断刺激人们对小汽车的需求，使得机动车数量呈井喷式增长。与此同时，城市汽车保有量的指数级的增加，产生的城市交通与能源、环境之间的矛盾日益突出，影响阻碍了城市的可持续发展进程。作为一个石油等化石资源严重匮乏的发展中国家，有着自己特殊的国情，经济已经进入到高速增长时期，却陷入资源消耗高、环境污染严重的窘迫困境。基于资源高度匮乏和环境严重污染这一现状，应采用“环保型、节约型”的可持续发展策略。而传统汽车的动力能源主要来自于汽油燃烧，这不仅会加剧我国化石能源短缺的窘迫现状，还会产生各种污染尾气：一氧化碳、二氧化硫、碳氢化合物等，使温室效应和环境污染加重。因此，传统汽车已不再适应当今的绿色发展模

式，环保型能源取代化石能源已是一种趋势。

电能作为清洁型能源的代表之一，具有非常大的发展潜力。据研究报告，在未来的几十年，电能的使用比例将会剧增，成为主要的终端能源。因此，越来越多的产品以使用电能作为动力能源，这不仅减少了对环境的污染，同时有利于建设节能环保型社会。

电动汽车作为一种新兴产业，是由电能取代化石能源的典型产品，代表着未来汽车的发展方向，具有“，低噪声，节能环保”的特点，它的出现，有效地缓解了环境污染、温室效应、能源短缺等严重问题。从长远看，将汽车工业作为我国支柱性产业，既要颁布实施各种政策进行发展扶持，又要解决能源和环境污染问题。

电动汽车无序充电

随着电动汽车数量的与日俱增，充电需求也会不断增加，这无疑会给电网带来巨大的冲击。不同电动汽车用户选择充电的时间不同，到达充电站进行充电的行为也是相互独立的，具有较大的随机性、灵活性和不确定性的特点，从电动汽车用户行为的角度，只考虑电动汽车用户的充电满意度，也就是说，用户即到即充，不考虑电网负荷曲线峰谷以及负荷波动的情况下，对电动汽车无序充电对电网负荷的影响。会给电网系统带来了巨大的损害，造成电网负荷曲线峰上加峰，峰谷差值和负荷波动，电力损耗增加以及变压器过载等不良影响。同时，电网系统实际负荷超过电网系统负荷就会影响电网运行经济性，长时间高负荷甚至可能会导致整个电网系统崩溃。

电动汽车有序充电策略研究

为了达到减小电网损害，稳定电网运行，削峰填谷等目的，考虑以分时电价策略为基础，在电价上充分引导电动汽车用户在不同时间段进行有序充电。基于电网层，以电网负荷波动为优化为目标；基于用户层，以用户总费用为优化为目标。，提出了双层优化目标下的有序充电策略，该策略能够有效的引导用户充电。

2.1分时电价策略

由政治经济学一般理论可知“价格是商品价值的货币表现，是商品与货币换比例的指数，也是商品经济特有的重要经济范畴”。作为电动汽车的拥有者，除了前期购买电动汽车的成本外，后期电动汽车的充电费用也是一笔不菲的开销。而分时电价策略的制定实施，为所有电动汽车用户大开方便之门，让用户在一天之中可以自由选择充电时间段的同时，也可以更大限度地为车主节省充电费用。

2.2有序充电策略分析

有序充电策略是基于分时电价提出的，在一定程度上能够改变用户的充电行为习惯。有序充电调度的核心思想是：在保证电网系统负荷波动和电动汽车用户充电费用的同时，尽可能的将谷时段的可利用的充电设备全部利用起来，减少充电设施的空闲率。

有序充电策略旨在有效调节电动汽车用户充电过程，即在满足电动汽车用户充电期望需求的条件下，为了达到避开电网负荷高峰时段，减小峰谷差率，降低无序集中充电对电网的影响的目的，通过一定的手段合理调节电动汽车在一天时间内的充电时间段和充电功率。当电动汽车保有量持续增加时，充电需求也会不断增加，如果谷时段可利用的充电设备已经全部利用完，就不得不选择在平时段和峰时段进行充电，此时应该优先考虑调节电动汽车用户在平时段进行充电。当电动汽车保有量继续增加时，将会导致电网负荷增加甚至持续处于高峰状态以及用户满意度下降，这不利于电动汽车的未来长期发展。为了保证电网负荷稳定性和电动汽车的稳步发展，不仅需要保证充电设施的均衡利用以及电能的质量，还需要保证足够数量的充电设备来满足用户的充电需求，同时提升电网的电动汽车充电接入数量。由此可见，电动汽车的有序充电策略研究，不仅对电网系统负荷有参考价值，在充电站内充电设备数量的规划建设以及投入使用也具有一定的指导意义。

2.3电动汽车用户侧优化

一般情况下，电动汽车用户充电有两种不同的目的要求，一是实用性，即电池荷电量满足正常的行驶需求；二是经济性，即充电费用极可能的低，至少在自己的接受范围内。在实用性上，电动汽车用户充电后的电量能够达到自己的期望值，满足日常的行驶作为基本的充电要求。而优化目标是在满足基本充电需求的前提下才能继续进行，因此，本文考虑将该要求作为优化模型中的约束条件。与此同时，在满足实用性后，用户也希望满足自己的经济需求，也就是说，尽可能的降低充电所花的费用，此费用越低越好，用户的满意度也会越高。

2.4电网系统侧优化

有序充电策略在考虑电网系统侧时，就是为了减小电网负荷波动，优化电网系统。在满足电动汽车用户充电期望需求的条件下，通过一定的手段合理调节电动汽车在一天时间内的充电时间段和时间段的充电功率，这样就能够避开电网高峰负荷时段，有利于减小电网峰谷差和提高电网系统运行的稳定性和经济性。

2.5结合考虑双目标非线性规划

在研究有序充电策略时，单独考虑用户侧充电费用成本或者电网侧负荷波动，都是欠缺考虑的。在只考虑用户侧充电成本的情况下，为了达到降低充电费用成本的目的，越多的用户选择在低谷时段充电越佳。但这可能会导致电网负荷的另一高峰，造成本末倒置，达不到预想的削峰填谷的效果；而只考虑电网系统侧负荷波动的情况下，单纯的减小电网负荷波动而不考虑用户的充电费用，导致电动汽车用户因为充电费用高昂而满意度下降，这将会不利于甚至阻碍电动汽车的中长期发展。

双目标非线性规划综合考虑了用户侧与电网侧，既能够尽可能的降低用户充电费用，提高了用户满意度，又可以限度减小电网负荷波动，保证了电网系统的经济安全性，实现了用户侧与电网侧的双赢局面。

2.6约束条件

提出有序充电策略的目的仅仅是为了把用电负荷“高峰”向用电负荷“低谷”转移，达到优化电网系统和节省用户充电费用的目的。既然用户响应有序充电，就不会存在过充的情况，故删除电瓶安全约束，但同样需要满足电网基础负荷不变、充电时间约束、充电时间段约束、单台充电设备的充电功率约束、充电容量约束、充电需求约束、充电车辆数量约束等条件。与此同时，为了保证电网侧与用户侧需求，新增以下约束条件：

电网系统负荷约束

若电网总负荷超过了电网所能承载的负荷，则易导致电网受损，而提出有序充电策略的目的正是为了保证电网运行的稳定性与经济性，因此，电网任意时段的实际总负荷都不应该大于电网系统所能承载的负荷。

充电费用约束

电动汽车用户积极响应有序充电策略，是为了能够节约充电成本，即有序充电策略下的用户充电成本应该小于无序充电时的成本。

在保证满足充电需求的前提下，以电动汽车响应有序充电策略需满足的条件为约束，从电网系统和电动汽车用户两个角度出发，以电网负荷波动和用户充电费用为目标，以提高电网运营经济安全性和节约用户费用成本的非线性双目标规划策略。该策略，可推断电网负荷波动和用户费用成本的有序充电策略和电网负荷波动。

有序充电的作用

为了减小无序充电对电网的不良影响，提出了电动汽车有序充电策略。首先引入了EV用户积极响应有序充电策略的电价启动阈值和关闭阈值，提出了分时电价的制定方法；其次，综合考虑电网侧负荷波动及电动汽车用户侧充电费用，以充电容量、充电需求、充电时长等为约束条件，提出了基于分时电价下的双目标非线性规划策略，结果表明，该策略下的有序充电，能够有效地减小电网负荷曲线波动，保障了用电质量，有利于电网长久稳定运行；同时，能够限度节省电动汽车用户充电费用，提高了用户满意度，有利于电动汽车长期发展。后续工作可以继续研究实时电价下的有序充电策略，比较分时电价与实时电价的优劣性。

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。

4.2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。

4.3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。

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
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。

5.总结

传统汽车的动力能源主要来源于汽油燃烧，这不仅会加剧我国化石能源短缺的窘迫现状，还会产生各种污染尾气，背离了我国“绿色环保”发展理念。而电动汽车作为一种新兴产业，以电产能，具有“，低噪声，节能环保”的特点，它的出现，有效地缓解了环境能源问题。因此，大力发展电动汽车产业成为了全世界的共识。

本文研究了电动汽车无序充电对电网系统的影响。首先从用户出行方式、出发时刻以及出行距离等特征进行分析，其次，通过用户荷电状态期望值与电动汽车的初始荷电状态，以电动汽车用户的人均满意度为目标，充电时长、充电功率、用户需求等为约束条件，反应了无序充电对电网带来的影响。

在无序充电研究的基础上，提出了双目标规划下的电动汽车有序充电策略。首先引入了EV用户能够积极响应有序充电策略的电价启动阈值和关闭阈值，提出了分时电价的制定方法；其次，综合考虑电网系统侧及EV用户侧，以电网负荷曲线波动和EV用户充电费用为优化目标，以充电容量、充电需求、充电时长等为约束条件，建立了基于分时电价下的双目标非线性规划策略。

参考文献：

谢远德.电动汽车充电设施规划及有序充电策略研究

谢远德,张邻,邓沙丽,何洁朦.电动汽车充电设施优化网络布局研究

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

审核编辑 黄宇