安科瑞 刘迈

　　摘要：自21世纪以来在全球经济加速发展的背景下，能源的过度开采导致了资源枯竭、环境污染等严重问题。人类在逐步减少对传统资源依赖的同时也加大了对风、光、电等新型可再生能源的研究。作为污染排放量的汽车早已成为研究者的热门课题，而电动汽车由于其污染排放量几乎为零的特点近些年来则快速发展，在汽车保有量中的占比也逐步增长。但由于电动汽车数量的急剧增长，电动汽车充电形成的充电负荷对于电网的不利影响也在日益增加，尤其是电动汽车的大规模无序充电会使电网形成“峰上加峰”的负荷，对电力系统运行的稳定性造成极为严重的影响。所以，对于合理引导电动汽车有序充电就显得至关重要。

　　本文首先讨论了影响电动汽车无序充电的相关因素，对比分析电动汽车不同充电方式的优劣，并对不同种类电动汽车的行为特点进行分析。接着对用户电动汽车行驶习惯进行建模分析，模拟出不同类型电动汽车的出行规律，并对电动汽车充电负荷进行模拟得到该区域的充电负荷变化曲线。

　　通过分析电动汽车无序充电的不利影响提出了一种新的优化方式，即基于用户需求侧的动汽车有序充电策略，通过对用户侧的需求目标及相关约束条件进行分析来得到用户侧的有序充电策略，对充电负荷时间、空间及时空上的优化以及配电网网损优化、电动汽车用户充电费用总体优化来验证该混合反向学习鲸鱼优化算法的有序充电策略在实际算例优化的可行性。

　　关键词：电动汽车；无序充电；用户需求侧；鲸鱼优化算法；有序优化

　　1引言

　　自21世纪以来，在全球经济的高速发展下的背景下，以化石能源为主的多种能源被大量消耗[1]。但其带来的代价对全球环境的影响愈发严重，目前，能源与污染成为社会发展所面临的关键问题。所以，在可持续发展的背景下，绿色低碳的清洁能源成为目前追求的共同目标。经过多年的发展，实现并形成以太阳能、风能等清洁能源为主的规模化发电。为了实现既定的目标，我国要在能源使用上进行转型，逐步从化石能源向风、水、光等清洁能源转变，并加大对新能源汽车发展，逐步替代对传统燃油汽车的依赖。而在这其中电动汽车(ElectricVehicle，Ev)就是只依靠电能来驱动行驶的新能源汽车，其特点相比于传统燃油车更环保、更有效。所以目前各国为了应对资源枯竭与环境恶化的问题，都在大力推广电动汽车。

　　虽然全球电动汽车及相关产业的发展非常迅速，各国也都制定相应的补贴政策来推动电动汽车的高速发展，但是在电动汽车高速发展的同时也产生了不少的隐患及问题。明显的问题是电动汽车充电桩数量与电动汽车数量的不匹配，高峰期会出现“车等桩”的现象，低谷期则是充电桩的冗余。另外，汽车充电桩的空间分布极不均匀，某些区域的充电桩会过于集中，而有些区域则分布零散。由此带来的直接影响则直接关系到电动汽车充电时对于地区电网的电能质量，由于充电时的谐波干扰，会使网损并使电网功率因数下降。随着电动汽车数量连年快速增加，电动汽车充电时间与地点的随机性强的特点会越来越明显的体现，无序充电对于配电网的影响将会越来越大，在系统负荷中的占比也将越来越明显。而如果无法即时对电动汽车充电进行合理分配，严重的情况则是在用电高峰时期使得电网发生解列与崩溃的危险。因此，电动汽车充电负荷的快速增长以及大量电动汽车的无序充电行为将对配电网的全新规划以及负荷承担能力提出新的挑战。

　　2 国内外发展现状

　　近年来各国逐步重视并加大了对电动汽车的推广，电动汽车数量也增长的越来越快。图1展示了从2015-2021年间中国、美国和欧盟的电动汽车销量变化情况，中国和欧盟的增长幅度明显，年平均增长幅度分别达到58.6%和50.3%。

图1中国、美国、欧盟电动汽车销量

　　2.1电动汽车国外发展现状

　　在现行全球经济环境的背景下，全球能源分配和生态环境系统面临着双重挑战。作为目前石油消耗和二氧化碳排放的大户一一燃油汽车，需要对其的改革来减少对资源的消耗，而从目前全球电动汽车的发展情况来看，以纯电动和燃料电池为主的纯电驱动技术将是电动汽车现阶段的主攻技术方向和未来长期目标，而油电混动汽车和插电混动汽车则是短期内的过渡选择。从目前的发展情况来看，全球电动汽车的发展依旧面l临诸多挑战，对于关键技术突破、汽车制造转型、消费者对电车的接纳程度等还有待进一步提升。具体到各国，推动电动汽车发展的依旧是美国、日本及欧洲这些的在电动汽车相关技术方面的发展起步较早，而且也有各自的侧。

　　2.2电动汽车国内发展现状

　　在21世纪初期，我国便已经开始对新能源汽车的部分产业进行研发，从2001年起新能源汽车项目被列入“863”重大科技课题起，就已经制定了从“汽油车向氢动力汽车迈进”的战略。“十一五”期间，作为重大发展目标，新能源汽车的研发与发展备受关注，提出了“节能型新能源汽车”战略，并大力扶持相关新能源汽车制造产业。自2009年起国务院通过对汽车产业的近远期规划，在此基础上执行以自主创新为，以新能源汽车为主要突破口的新型新能源汽车发展战略，力争在2025．2035年使国产新能源汽车居于世界前列。根据《新能源汽车产业发展规划(2021．2035年)》，我国将在“十四五”期间对新能源汽车产业推进、着重发展，加快其在创新技术、产业生态及产业等方面的融合，同时，根据《“十四五”规划纲要》，“十四五”期间，对于新能源汽车十分重要的动力电池续航等关键技术取得重大突破。

　　我国近几年电动汽车及其相关行业的发展尤为迅速，电动汽车的销量与保有量占比也在逐年快速递增，纯电动汽车在电动汽车中的占比也越来越大，我国电动汽车经过几年的发展已经形成“百花齐放”的局面。

　　3 电动汽车充电现状

　　3.1电动汽车无序充电现状

　　技术的进步不断刺激着电动汽车数量的快速增加l酡l。同时，电动汽车作为移动式储能装置，在削峰填谷、提供电力系统辅助服务、协同消纳新能源等方面具有广阔的应用前景。但是，电动汽车的无序充电可能会导致电网的峰谷差加剧、电压下降等不利影响，所以对于

　　电动汽车无序充电的分析显得尤为重要。

　　由于电动汽车型号和种类上的多样化，主要分为交流一级、交流二级和直流充电电动汽车，其充电功率存在较大差别。电动汽车的数量和充电功率对电网的影响不同，所以分析不同充电功率等级的比例，既能满足用户的需求在充电连接时长获取预期的充电电量，也能减少设备投资，降低电动汽车无序充电负荷的峰谷差。

　　3.2电动汽车有序充电现状

　　电网于2019年10月发布的《泛在电力物联网2019》中指出，电动汽车有序充电通过将网、户、桩和车四者之间充分联系交互以及分层控制，在感知配变负荷变化的基础上，智能动态调整充电时间和功率，优化配变负荷运行曲线，实现削峰填谷。既满足用户充电需求，又提升了配电网设备和发电设备的利用率，降低了电网和发电设备投资。

　　所以，针对目前电动汽车有序充电的策略研究主要从用户需求侧和电网供给侧两方面进行研究。对于用户需求侧而言，在满足电动汽车用户期望值之后应当尽可能的使用户电动汽车充电费用达到，以达到用户经济性的目的；而对于电网供给侧而言，主要的目的即在规模化的电动汽车接入电网后使电网的峰谷差达到，即“削峰填谷”，包括减少配电网网损、降低电压偏差以及削弱或消除电压谐波等目标手段。

　　3.2.1考虑用户需求侧的有序充电策略

　　通过以用户为核心，城市配电网规划为框架，分析讨论只考虑电动汽车充电行为、考虑电动汽车V2G行为以及不考虑电动汽车V2G行为的城市配电网规划，论证了考虑电动汽车V2G行为对降低配电网规划总投资的必要性。从时空上对电动汽车用户充

　　放电行为进行引导，从时空双尺度上给出了电动汽车有序充放电策略来实现电网、用户及充

　　电站之间的资源均衡分布，实现电动汽车的时空分布，但其涉及的节点数较少，未能满足区

　　域复杂负荷。针对电动汽车和分布式能源的资源特性，建立一种基于粒子群优化算法的

　　调度策略。通过电动汽车充放电负荷调节，实现分布式能源的并网消费，有效节约分布式能源的并网成本，但缺少对电动汽车运营商的市场收入的分析。从空间、时间与功率维度分析电动汽车充电行为特性，并提出一种用于改善电网运行的充电站选址定容优化策略，但并未对二者进行结合研究。则以化网损和电压偏移为目标建立电网运行的动态定价优化策略，但却缺少对区域性的整体分析。

　　3.2.2考虑电网供给侧的有序充电策略

　　通过建立充电负荷预测影响因素概率模型，提出了基于时刻充电概率的负荷预测方法，但未对常规负荷预测方法中存在的参数模型设置主观、预测结果与用户随机性驾驶行为不匹配的缺陷进行规避。探讨了以二次规划和动态规划为主的随即规划对不同渗透率的电动汽车接入引起的电网网损与电压变化进行了对比。对充电站的位置与规模化优化，并基于电动汽车的路线概率和到达公园概率，优化了电动汽车的充电场，平衡了配电网中的能量流。通过引入虚拟荷电状态对优化后的充放电行为进行修正，在考虑电网测的调峰需求和用户侧的充电需求基础上提出了分时电价动态优化方案，通过动态更新每辆电动汽车入网实时电价信息实现了对电动汽车的有序充放电优化。

　　4 考虑用户需求侧的电动汽车有序充电策略

　　在电动汽车大规模无序接入电网后，无序充电负荷会对配电网网损、电压质量产生不利影响，所以为了减少无序充电负荷对于电网的影响，需要有针对性的合理引导来规范电动汽车的充电行为。所以本文结合分析用户需求侧的电动汽车有序充电来实现基于用户需求侧的改进鲸鱼优化算法的电动汽车有序充电优化。

　　4.1基于用户需求侧响应的原理

　　需求侧响应是指由外部原因的影响造成电力市场价格上涨或者系统安全性受到一定影响时，由供电用户通过与供电方的诱导力在供电价格补偿上达成补偿合同或方案，通过改变用户固有的用电习惯来减轻或者转移某段时间内的用电负荷，电价上升，保障电力供应的稳定。对于电动汽车用户则可以灵活根据充电电价的变化来合理安排充电计划。此充电方式不仅能减轻对电网的影响，更能提升用户充电的经济性。

　　目前对于用户需求侧响应的分析可分为一下两种：

　　4.1.1用户激励型需求侧响应

　　（1）事先与系统运营商签订协议；

　　（2）在运行商对用户发出需求侧响应时，在系统安全运行的前提下，系统运营商根据所签协议切除负荷；

　　（3）在负荷切除后或调整结束后，运行商根据所签协议对用户进行相应的补偿。

　　4.2.2用户价格型需求侧响应

　　（1）运营商制定多种电价机制；

　　（2）根据不同用户对电价的敏感程度来合理引导用户调整用电负荷。

　　4.2基于用户侧的有序充电策略

　　4.2.1有序充电过程及策略

　　为了使电动汽车充电对电网的不利影响降至，提高电网的稳定性，对于目前的电力市场主要是采用的是价格型需求响应，即以分时电价为主的响应需求。对于电网而言，在用电高峰期合理的引导电动汽车用户减少充电，减轻对电网的负荷压力，在用电低谷期又积极鼓励用户充电来充分补偿谷值，通过引导来逐步改变用户的常规充电时间，逐渐实现“削峰填谷”的作用，这是一种传统的电动汽车有序充电策略。

　　但对于现阶段大部分地区的分时电价价格均已负荷时段所对应的分时电价设定完成，对于每日即时性的改变电价策略较难实现，另外每天的实际负荷也在动态性的改变，所以在实际中概率会出现与该时段分时电价难以匹配的问题。若峰值电价时段过长但电动汽车充电几乎很少，或者峰谷电价时段过短但充电车辆过多，二者均会对系统造成利的影响。

　　由于实际配电网中的电动汽车充电负荷既包括有序充电负荷还包括无序充电负荷。对于实际配电网中含有这两部分负荷应分别优化。对于电动汽车充电过程首先应确定配电网模型，根据配电网结构及初始负荷来设置部分节点为有序充电节点，部分为无序充电节点。

　　电动汽车有序充电部分应根据配电网中电动汽车的覆盖率，对各个节点按照初始负荷占据总负荷的比例来分配一定量的电动汽车。而且由于实际配电网中这两部分同时存在，所以在有序充电优化时需要考虑无序充电负荷。考虑到愿意参与有序充电的用户有限，所以针对这部分有序充电用户引入有序充电用户响应度，用来表示参与有序充电的电动汽车数量占电动汽车总量的比例。需要在新的基础负荷上对有序充电的电动汽车在充电的时间段和充电空间上分别进行优化，将电动汽车有序充电负荷叠加至新的基础负荷上，并通过采取优化算法来得到优化后的系统负荷时空分布。

　　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。

5.5系统硬件配置

　　6.总结

　　电动汽车因其污染小、噪声低等特点未来在我国汽车总量的占比势必会快速上升，而且近些年对于电动汽车制定的优惠政策也会促使电动汽车销量上涨，但是随着电动汽车用户的规模越来越大，相应的电动汽车在充电时充电负荷对电网运行稳定性也将带来不可忽视的影响，尤其是对于配电网峰谷差、配电网网损等方面的影响必将成为亟待解决的问题。

　　宏观上讲，电动汽车用户出行规律及其行驶习惯在一定程度上对电动汽车的充电产生较为明显的影响，通过分析电动汽车用户平均返回概率模拟出用户的日均行驶里程，通过对区域内充电站电动汽车分析模拟出电动汽车的充电负荷曲线，对于影响电动汽车无序充电的因素有了较为充分的分析。

　　通过考虑基于用户需求侧的有序充电策略，分析了有序充电过程中的约束要求，实现了有序充电负荷的优化、配电网网损的优化来实现了电网运行的经济性，实现了用户充电费用的来实现电费充电的经济性。