电动汽车充电对配电网负荷的影响及有序控制策略

摘要：随着电动汽车的快速发展，其充电行为对配电网产生显著影响。本文分析了电动汽车充电技术特性及配电网运行原理，探讨了电动汽车充电对配电网负荷、电压和稳定性的影响，包括高峰时段负荷过载、负荷随机性增加预测难度、电压波动影响充电效率及其他设备、频率下降影响稳定性和功率平衡挑战等。提出了协调充电时间、智能充电和构建有序充电模型等有序控制策略。最后总结了研究结论，并对未来进一步优化有序控制策略和探索新技术应用进行了展望。

一、引言

1.1研究背景

随着环保意识的增强和技术的不断进步，电动汽车迎来了快速发展的时期。近年来，我国新能源汽车销量持续增长，据相关数据显示，2023年新能源汽车销量再创新高。电动汽车作为一种环保、节能的交通工具，其发展前景广阔。然而，电动汽车的大规模普及也给配电网带来了巨大的挑战。

电动汽车的充电行为具有随机性和不确定性，大量电动汽车同时充电可能会导致配电网负荷过载，影响电网的正常运行。此外，电动汽车充电的高峰时段往往与居民用电高峰时段重合，进一步加剧了电网的负担。例如，有研究表明，电动汽车无序充电导致配电网负荷高峰，高峰时段充电量占日充电总量的70%，极大地增加了电网波动。

为了应对电动汽车充电对配电网负荷的影响，有序控制策略成为关键。通过合理规划充电设施、采用智能充电技术、引导用户行为等措施，可以有效减轻电动汽车充电对配电网的影响，保障电网的安全稳定运行。同时，有序控制策略也有助于提高能源利用效率，促进电动汽车产业的健康发展。

1.2研究目的

随着电动汽车数量的不断增加，其充电行为对配电网的影响日益显著。本研究的目的在于探讨有效的智能有序控制策略，以降低电动汽车充电对配电网的负面影响。

电动汽车的充电需求具有随机性和不确定性，这给配电网的负荷预测和调度带来了极大的挑战。例如，自然资源保护协会与国网能源研究院有限公司联合发布的报告指出，到2020年与2030年，在无序充电情形下，国家电网公司经营区域峰值负荷将分别增加1361万千瓦和1.53亿千瓦。分区域来看，加快发展地区占比最大，超过62%和58%；分设施来看，分散式专用充电桩占比最大，约 68%和75%。

为了应对这些挑战，需要采取一系列智能有序控制策略。首先，协调充电时间是一种有效的方法。通过政策引导和高级计量系统、智能软硬件的支持，鼓励电动汽车用户避开充电高峰期。例如，私家车用户可以在每日上午进行快速充电，或者在每日15：00之前利用公用充电设施慢充，以保证在下午充电高峰到来之前完成充电。公交车的充电时段调控可参考私家车充电的方式，并根据其运行规律采用不同的调控模式加以引导。

其次，智能充电技术的应用可以有效减轻电动汽车充电对配电网的影响。例如，集中式充电控制策略可以减小充电负荷的峰谷差，避免配电网负荷的波动；分布式充电控制策略可以借助通信技术动态检测电动汽车的充电时间、初始状态、充电功率等，并为电动汽车用户提供个体化的充电方案。

综上所述，通过探讨有效的智能有序控制策略，可以降低电动汽车充电对配电网的负面影响，保障配电网的安全稳定运行，促进电动汽车产业的健康发展。

二、理论基础

2.1电动汽车充电技术特性

电动汽车的充电技术特性在其发展和推广中起着至关重要的作用。不同的特性决定了其在不同场景下的应用，也影响着用户的使用体验和电网的运行稳定性。

2.1.1充电速度与用户体验

快充技术的出现极大地提升了用户的使用体验。例如，一些电动汽车品牌采用高电压、大电流的快充技术，能在短时间内为车辆补充大量电量。以部分车型为例，使用快充技术可以在 30 分钟内将电池电量从 20%提升到 80%，大大缩短了用户的充电等待时间。

然而，快充技术对电网也带来了一定的影响。一方面，快充站的建设需要大量的电力资源，可能会增加电网的负荷压力。据统计，一个功率为 120kW 的快充桩，其充电电流可达几百安培，相当于几十户家庭的用电负荷。另一方面，快充过程中会产生较大的电流波动，可能影响电网的电压稳定性。

2.1.2充电安全性保障

充电安全性是电动汽车发展的重要保障，涉及电气安全和电池安全两个方面。

在电气安全方面，充电桩都应配置了漏电保护、过流保护和防雷等电气防护设备。例如，充电桩柱体安装了防盗锁，为用户提供基本的安全保障。充电干路上的空气开关、漏保开关、交直流接触器和浪涌保护器对整个系统形成多级保护。系统软件智能实时监控，一旦出现任何异常，在毫秒级别的时间内切断整个充电电流回路，确保操作人员和设备安全。

在电池安全方面，纯电动汽车配有BMS电源管理系统，会在充电时时刻关注电池组的状态，调整充电功率以调节温度等，并且在充满电后会自动切断电源。此外，充电启动前，纯电动汽车的充电口，以及充电桩都要进行绝缘检测，若绝缘检测失败，则无法启动充电。充电桩还设计有短路保护，如果充电过程发生短路，设备也会第一时间切断充电电流，以确保安全性。

2.2配电网运行原理

配电网是电力系统中连接输电网和用户的重要环节，其结构和功能直接影响着电力的供应质量和可靠性。配电网主要由变压器、配电线路、开关设备等组成，其功能是将高压电能降压后分配给各个用户。

2.2.1配电网结构与负荷承载

变压器在配电网中起着关键的作用，它将高压电能降压为适合用户使用的电压等级。在承载电动汽车充电负荷时，变压器需要根据充电负荷的大小和变化进行合理的配置和调整。例如，当电动汽车充电负荷增加时，变压器可能需要承受更大的电流和功率，这就要求变压器具有足够的容量和过载能力。一般来说，变压器的容量越大，其承载充电负荷的能力就越强。

配电线路是将电能从变压器输送到各个用户的通道。在承载充电负荷时，配电线路需要考虑电流大小、线路长度、导线截面积等因素。根据搜索素材中的数据，当新能源汽车在住宅区的保有量达到一定规模后，此时“居民端”在电网的用电量将会是原来的4-5倍。以一个近似的数据来做个比较，如一辆新能源汽车的平均电池容量是70kw.h，其每天/每次充电电量为总容量的50%计算（SOC从30%充到80%），即每次的充电量是35kw.h。若一个人一天平均用掉10度电，则一辆新能源汽车一次充电的用电量就相当于3.5个人一天的用电量。这意味着配电线路需要具备足够的载流能力，以满足电动汽车充电负荷的需求。否则，可能会导致线路过热、电压下降等问题，影响电网的正常运行。

2.2.2配电网稳定性指标

电网频率是衡量电网稳定性的重要指标之一。电动汽车充电负荷的变化可能会影响电网频率的稳定性。当大量电动汽车同时充电时，电网的负荷会突然增加，可能导致电网频率下降。为了维持电网频率的稳定，电力系统需要采取相应的措施，如调整发电机的输出功率、启动备用电源等。

功率平衡也是配电网稳定性的重要指标。在配电网中，发电功率和负荷功率需要保持平衡，以确保电网的正常运行。电动汽车充电负荷的增加会打破这种平衡，可能导致功率缺额或过剩。为了维持功率平衡，电力系统需要根据充电负荷的变化及时调整发电功率，或者采取需求侧管理措施，如引导用户合理安排充电时间、采用智能充电技术等。

此外，电动汽车充电负荷的随机性和不确定性也会给配电网的稳定性带来挑战。为了应对这些挑战，电力系统需要加强对充电负荷的预测和管理，提高电网的灵活性和适应性。例如，可以采用大数据分析、人工智能等技术，对电动汽车充电负荷进行精准预测，为电网的调度和规划提供依据。同时，也可以通过建设智能配电网、推广储能技术等措施，提高电网的稳定性和可靠性。

三、电动汽车充电对配电网的影响

3.1对配电网负荷的影响

随着电动汽车数量的不断增加，其对配电网负荷的影响日益显著。

3.1.1高峰时段负荷过载

在高峰时段，大量电动汽车同时充电可能会导致局部电网负荷过载。例如，公安部最新数据显示，截至6月底，全国新能源汽车保有量达1620万辆，占汽车总量的4.9%。其中，纯电动汽车保有量占新能源汽车总量的77.8%。上半年，新注册登记新能源汽车312.8万辆，同比增长41.6%，创历史新高。如此庞大的电动汽车数量，在高峰时段同时充电，会给局部电网带来巨大压力。以北京为例，大部分电动汽车车主充电时间是晚6点下班后，此时正值居民用电晚高峰，这就与居民生活负荷高度重叠，拉高居住区峰值负荷，影响电网设备的经济性和安全性。大量电动汽车在高峰时段的集中充电，可能使局部电网负荷超过其承载能力，导致电网故障甚至停电。

3.1.2负荷随机性与预测难度

电动汽车充电的随机性和不确定性给电网负荷预测和调度带来了极大的挑战。一方面，电动汽车的充电行为受到用户出行习惯、电池电量、充电设施可用性等多种因素的影响，难以准确预测。例如，用户可能在任何时间、任何地点进行充电，而且充电时长也不确定。另一方面，随着电动汽车数量的快速增长，这种随机性和不确定性对电网的影响也越来越大。根据搜索素材中的数据，自然资源保护协会与国网能源研究院有限公司联合发布的报告指出，到2020年与2030年，在无序充电情形下，国家电网公司经营区域峰值负荷将分别增加1361万千瓦和1.53亿千瓦。分区域来看，加快发展地区占比最大，超过62%和58%；分设施来看，分散式专用充电桩占比最大，约68%和75%。这种不确定性使得电网负荷预测变得更加困难，难以准确安排发电和输电计划，影响电网的稳定运行。为了应对这种挑战，需要采用先进的技术手段，如大数据分析、人工智能等，对电动汽车充电负荷进行精准预测，同时结合智能充电技术和需求侧管理措施，提高电网的灵活性和适应性。

3.2对配电网电压的影响

电动汽车充电过程中，电网的电压可能会因为负荷的快速变化而出现波动，这对配电网电压产生了多方面的影响。

3.2.1电压波动与充电效率

电压波动会显著影响电动汽车的充电效率。当电网电压波动较大时，充电设备需要不断调整输出功率以适应电压变化，这可能导致充电时间延长。例如，根据搜索素材中的数据，极氪001使用超级充电桩进行充电时，由于站点电压不够，整个充电过程比较漫长，未达到预估值。如果电网电压不稳定，充电设备可能无法以最佳功率输出，从而降低充电效率。此外，电压波动还可能影响电池的寿命和性能。频繁的电压波动可能使电池内部化学反应不稳定，加速电池老化，降低电池的容量和续航里程。

3.2.2对其他设备的影响

电压波动对电网中其他用电设备也有很大危害。一方面，可能导致设备运行不稳定。一些精密电子设备对电压变化非常敏感，如计算机、医疗设备等。当电网电压波动时，这些设备可能出现故障、数据丢失或误操作。另一方面，可能缩短设备寿命。长期处于电压波动环境下的设备，其内部电子元件容易受到损坏，从而降低设备的使用寿命。例如，一些家用电器在电压波动时可能出现噪音增大、发热异常等现象，长期使用可能会提前损坏。此外，电压波动还可能引发谐波污染，影响电网的电能质量，进一步对其他用电设备造成不良影响。例如，电动汽车充电产生的谐波可能与其他设备产生的谐波叠加，导致电网中的谐波含量超标，影响电网的正常运行。

3.3对配电网稳定性的影响

3.3.1频率下降与稳定性

大量电动汽车同时充电可能会导致电网频率下降，影响电网的稳定性。随着电动汽车保有量的不断增加，其充电需求也日益增长。当大量电动汽车在同一时间段集中充电时，电网的负荷会突然增加。根据搜索素材中的数据，电力规划设计总院预计，到2030年全国电动汽车充换电的理论最大负荷或达到25亿千瓦，将与我国全社会最大用电负荷基本相当。如此大规模的充电需求，会使电网的发电功率难以迅速响应，从而导致电网频率下降。

电网频率的下降会对电网的稳定性产生严重影响。一方面，可能会影响发电机的运行稳定性。发电机的转速与电网频率密切相关，频率下降会导致发电机转速降低，可能使发电机进入不稳定运行区域，甚至引发发电机跳闸等故障。另一方面，可能影响电力系统的继电保护装置。继电保护装置通常是根据电网的频率、电压等参数进行动作的，频率下降可能导致继电保护装置误动作，影响电网的正常运行。

3.3.2功率平衡挑战

电动汽车充电的不确定性给电网功率平衡带来了巨大挑战。电动汽车的充电行为具有随机性和不确定性，用户可能在任何时间、任何地点进行充电，而且充电时长也不确定。这种不确定性使得电网的负荷预测变得更加困难，难以准确安排发电和输电计划。

例如，在某些时段，大量电动汽车同时充电，可能导致电网的负荷瞬间增加，打破功率平衡。而在其他时段，电动汽车充电需求较少，又可能导致电网的发电功率过剩。为了维持电网的功率平衡，电网运营商需要采取一系列措施。一方面，可以通过调整发电机的输出功率来适应电网负荷的变化。当电动汽车充电负荷增加时，增加发电机的输出功率；当充电负荷减少时，降低发电机的输出功率。另一方面，可以采用需求侧管理措施，引导用户合理安排充电时间，避免在电网负荷高峰时段充电。例如，通过价格机制，鼓励用户在低谷时段充电，以减少对电网的压力。

此外，还可以利用储能技术来应对电动汽车充电带来的功率平衡挑战。储能设备可以在电网负荷低谷时段充电，在负荷高峰时段放电，从而起到削峰填谷的作用，维持电网的功率平衡。例如，南方电网深圳供电局的虚拟电厂管理中心，目前已接入1.8万支充电桩。充电桩等电力负荷侧资源通过技术和算法聚合控制后，相当于一个云端电厂，可随时响应电网调度进行调峰，同时满足深圳海量电动汽车的充电需求。

四、电动汽车充电有序控制策略

4.1协调充电时间策略

协调充电时间是一种有效的电动汽车充电有序控制策略，通过政策引导和智能软硬件的支持，可以协调不同类型电动汽车的充电时段，避免充电高峰与电网负荷高峰重合，从而改善配电网的负荷特性。

4.1.1政策引导与用户响应

政策引导在协调充电时间策略中起着关键作用。政府可以制定一系列政策，鼓励电动汽车用户避开充电高峰期。例如，根据不同时段的电价划分原则，实行峰谷电价政策，在用电低谷时段给予较低的电价，引导用户在此时段充电。据统计，实行峰谷电价后，部分地区的低谷电价可降低至高峰时段的一半甚至更低，这对于用户来说具有很大的吸引力。

此外，政府还可以通过宣传教育等方式，提高用户对充电时间协调的认识和响应度。例如，利用媒体、网络等渠道，向用户普及电动汽车充电对电网的影响以及协调充电时间的重要性，鼓励用户积极配合政策引导，合理安排充电时间。

4.1.2不同类型车辆调控

对于私家车和公交车等不同类型的电动汽车，可以采用不同的充电时段调控模式。

对于私家车，由于其充电行为相对较为灵活，可以通过政策引导和智能软硬件的支持，鼓励用户在每日上午（充电低峰）进行快速充电，或者在每日15：00之前利用公用充电设施慢充，以保证在下午充电高峰到来之前完成充电。例如，一些城市推出了智能充电APP，用户可以通过APP查看附近充电桩的使用情况和电价信息，选择合适的充电时段和地点。

对于公交车，由于其行驶里程和运营时间相对固定，可以根据其运行规律采用不同的调控模式加以引导。例如，可以在公交车非运营时间集中充电，或者在白天利用公交场站的充电桩进行分散充电。同时，政府和公交公司可以通过智能调度系统，合理安排公交车的充电时间和充电地点，避免与电网负荷高峰重合。

总之，协调充电时间策略是一种有效的电动汽车充电有序控制策略，通过政策引导和智能软硬件的支持，可以协调不同类型电动汽车的充电时段，避免充电高峰与电网负荷高峰重合，从而改善配电网的负荷特性，保障电网的安全稳定运行。

4.2智能充电策略

智能充电策略在电动汽车充电有序控制中发挥着重要作用，能够有效解决充电时间、地点不确定给电网调度带来的问题，最大限度地发挥电网集中调度的优势。

4.2.1集中式充电控制

集中式充电控制的目的是减小充电负荷的峰谷差，从而避免配电网负荷波动。在实际应用中，可以通过建立集中式充电设施，对大量电动汽车进行统一管理和调度。例如，在一些大型停车场或充电站，可以安装多个大功率充电桩，同时配备先进的充电管理系统。

集中式充电控制可以根据电网的实时负荷情况，动态调整充电功率和时间。当电网负荷较低时，可以提高充电功率，加快电动汽车的充电速度；当电网负荷较高时，则降低充电功率，甚至暂停充电，以减轻电网负担。据相关数据显示，采用集中式充电控制策略，可以有效降低电网峰谷差，提高电网的稳定性和可靠性。

此外，集中式充电控制还可以结合储能技术，进一步优化充电过程。储能设备可以在电网负荷低谷时段充电，在负荷高峰时段放电，为电动汽车提供充电服务，从而实现削峰填谷的效果。例如，一些集中式充电站配备了大型储能电池，能够存储大量电能，在需要时为电动汽车充电，有效缓解了电网的压力。

4.2.2分布式充电控制

分布式充电控制是指管理者借助通信技术动态检测电动汽车的充电时间、初始状态、充电功率等，并将动态更新信息与优化过程相结合，从而为电动汽车用户提供个体化的充电方案。

分布式充电控制可以根据每辆电动汽车的具体情况，制定个性化的充电计划。例如，对于电池容量较大、剩余电量较多的电动汽车，可以适当延迟充电时间，避免在电网负荷高峰时段充电；对于急需充电的电动汽车，可以优先安排充电，同时调整充电功率，以减少对电网的影响。

通过分布式充电控制，用户可以更加灵活地选择充电时间和地点，提高充电的便利性和效率。同时，电网也可以更好地管理充电负荷，降低电网的运行风险。例如，一些智能充电桩可以通过手机 APP 与用户进行交互，用户可以随时查看充电桩的使用情况和电价信息，选择最合适的充电方案。

总之，智能充电策略中的集中式和分布式充电控制策略各有优势，可以相互补充，共同为电动汽车充电有序控制提供有力支持。通过合理应用这些策略，可以有效减轻电动汽车充电对配电网的影响，保障电网的安全稳定运行，促进电动汽车产业的可持续发展。

五、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

六、结论与展望

随着电动汽车的快速发展，其充电行为对配电网的影响日益显著。本研究深入探讨了电动汽车充电对配电网负荷、电压和稳定性的影响，并提出了相应的有序控制策略。

研究表明，电动汽车充电在高峰时段可能导致局部电网负荷过载，其负荷的随机性和不确定性也增加了电网负荷预测和调度的难度。此外，充电过程中的电压波动不仅影响电动汽车的充电效率，还对其他用电设备造成危害。同时，大量电动汽车同时充电可能导致电网频率下降，给电网稳定性带来挑战，而充电的不确定性也给电网功率平衡带来巨大压力。

针对这些问题，本研究提出的有序控制策略具有显著的有效性。协调充电时间策略通过政策引导和用户响应，以及对不同类型车辆的调控，能够避免充电高峰与电网负荷高峰重合，改善配电网的负荷特性。智能充电策略中的集中式充电控制可以减小充电负荷的峰谷差，结合储能技术进一步优化充电过程；分布式充电控制则能为用户提供个体化的充电方案，提高充电的便利性和效率，同时降低电网运行风险。

综上所述，本研究为应对电动汽车充电对配电网的影响提供了有效的解决方案，对保障电网的安全稳定运行和促进电动汽车产业的可持续发展具有重要意义。

参考文献：

[1]刘磊.电动汽车充电对配电网负荷的影响及有序控制策略探究[J]

[2]胡泽春, 宋永华, 徐智威等.“电动汽车接入电网的影响与利用”[J]

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版