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王丹丹
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：在住宅小区传统建设模式下，充电桩安装难、配套投资大，严重阻碍了充电桩在小区内进行普及使用。为解决该问题，本文首先调研了住宅小区内的电动汽车用户的出行习惯和充电特点，提出了分时电价响应和动态服务价响应两种有序充电模式，然后以用户充电费用较低为目标建立了数学模型，并引入特别小区配电变压器容量的惩罚因子，之后利用改进粒子群算法，仿真分析在无序充电、分时电价响应有序充电、动态服务价响应有序充电三种方式下的负荷波动性。算法仿真后，证明了所提出充电策略的正确性、有效性。之后，针对住宅小区公共、个人停车位充电桩，提出了住宅小区停车位安装充电桩响应有序充电建设方案，为今后住宅小区电动汽车实际应用充电提供了指导建议。
关键词：电动汽车;住宅小区；分时电价响应；动态服务价;有序充电策略
0引言
国家在加快电动汽车充电基础设施建设的指导文件《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》中明确，住宅小区配建停车位时要同步建设充电设施或预留充电桩建设安装条件。但调查发现，小区物业部门担心安全责任准宅小区业主安装充电桩仍存在较多困难、物业不配合、报装以及接电难度大等情况。在住宅小区电动汽车规模化发展的基础上，小区安装充电桩数量将进一步增多。以山东省某市为例，约有1万个小区，每个小区变压器、高低压电缆等配套设施设备、施工费按30万元/台粗略估计，假设增容或新上5台变压器及配套设施用于小区充电桩充电使用，预计配套电源投资达到150亿元。全国耗资可能需要上万亿，投资成本数额巨大。并且在普遍的老旧小区，普遍因位置紧张、地方协调关系复杂，配电设施扩建改造非常困难。短时间内,无法实现该目标和要求,迫切需要在原有配电设施不改造的前提下，研究一种科学有效、合理有序、投资少见效快、可持续发展的住宅小区电动汽车有序充电策略[1-2]。国家在《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中明确，住宅小区内要积极推广建设有序慢速充电桩。文献［3-4］提出在原有配电设施不增容、不升级改造的前提下,利用谷时段充电,从而获取充电费用较低的有序充电方法。文献提出一种无需集中式通信系统实时监测控制的分布式电动汽车有序充放电策略。实际生活中，更需要以主动引导方式,鼓励电动汽车用户能够充分、主动响应充电价格参与有序充电策略。文献提出用户充电成本和电动汽车充电起始时间两个目标相结合为较优的充电控制策略。文献考虑充电站运营收益，以电网分时电价动态引导，建立有序充电模型。通过调整电动汽车充电时间和预测充电负荷，使得客户充电成本较低，建立有序充电模型。利用启发式算法，综合客户充电成本和负荷曲线较优为目标，建立有序充电模型。文献利用原有专变冗余容量,建立由专变用户、充电站运营商和电动汽车用户的三层有序充电模型。以上研究对充电价格定义尚不明确,仅在峰谷分时电价或动态分时电价上研究探讨。 国家在电动汽车用电价格的政策规定，电动汽车用户充电后应向充电桩运营企业缴纳电费、充电服务费两项。因此，本文将充电价格分为充电电价、充电服务价两部分，分别对应充电电费、充电服务费，并依据充电价格划分原则引导、鼓励用户主动调整用车行为和充电习惯，响应电动汽车有序充电策略。充电电价执行一般工商业分时电价，充电服务费由充电桩运营企业根据现场实际、自身经营情况等制定，主要用于弥补充电桩的运营成本和建设成本。本文在分析住宅小区电动汽车用户出行习惯和充电特点后，在无序充电方式的基础上定义分时电价响应和动态服务价响应的两种有序充电方式，建立以用户充电费用较低目标函数，并引入超小区配电变压器容量的惩罚因子，利用改进粒子群算法以，分析分时电价响应有序充电、动态服务价响应有序充电两种方式下负荷波动性影响。算例仿真验证了本文提出的有序充电策略的有效性和合理性。
1电动汽车出行习惯
1.1 电动汽车功率需求分析
假设电动汽车用户出行结束后，就开始充电。 假设充电过程近似为恒压过程，即恒功率充电。 一辆电动汽车的充电时间：
式(1)中:Tc为充电的时间;Pc为充电功率;SOCo为电动汽车初始荷电状态;w为电动汽车电池容量。将24小时分为96个充电时段，则t时段电动汽车的充电功率为：
式(2)中N为动汽车充电数量,Pev,i(t)为电动汽车i在第t时段的充电功率，其为正值表示在充电，为负值表示在放电，为零值表示不充电(为闲置状态)。
1.2 电动汽车用户行为习惯
一天24小时中，住宅小区电动汽车用户的出行时间不是均匀分布，具有显著的早晚高低峰现象叫由于上下班工作、接送孩子上学等生活工作习惯，电动汽车用户的出行高峰主要集中在7 : 00-8 : 00、17 : 00-19 : 00两个时间段区间，电动汽车用户在下班后进行充电的概率较大。而这期间本身就是住宅小区用电高峰期，电动汽车集中在此时间段充电会增加用电量，造成高峰时期电力负荷的紧张,给住宅小区配电设施带来运行风险，同时电力系统出现“峰上加峰”的现象。为此，需要通过充电价格引导用户，改变其充电习惯,避免造成电力负荷紧张的局面。
2住宅小区充电模式分析
小区用户购买电动汽车，主要用于生活、工作需求，在小区充电较为方便,工作日下班后、周末全天充电均可,用于第二天上班或生活使用,适合交流慢充。考虑在分时充电价格响应的有序充电方式下,不需要在小区配置专人管理电动汽车接入充电桩,只通过充电价格引导用户主动响应充电。
2.1 无需充电方式
无序充电方式下，不论充电价格如何变化,电动汽车用户下班后将电动汽车连接到住宅小区充电桩充电，近似恒功率充满电才断开充电连接。整个住宅小区所有电动汽车用户在有充电桩闲置的情况下，下班后随机接入充电。
2.2 分时电价响应的有序充电方式
分时电价响应的有序充电方式是在充电电价分时段、充电服务价固定统一的前提下,部分电动汽车用户下班后没有立即连接充电桩，而是选择在一段时间后连接充电，目的是花费较低的充电成本费用充满电。充电电价执行国家规定的一般工商业峰谷分时电价。
2.3 动态服务价响应的有序充电方式
动态服务价响应的有序充电方式是在充电价格分时段(充电电价、服务价均分时段)的前提下，部分电动汽车用户下班后没有立即连接充电桩，而是选择在一段时间后连接充电，目的是花费较低的充电成本费用充满电。 充电服务价制定规则。住宅小区配电室变压器容量是影响小区电动汽车充电的关键因素。为更有效地利用变压器余量，通过充电服务价响应参与住宅小区普通电力负荷曲线调度，根据上一时段电力负荷计算该时段的充电服务价。利用各时段价格差，通过充电管理系统控制充电桩电流大小，鼓励用户将充电负荷转移到普通电力负荷较低的时段，实现较大化利用住宅小区变压器容量。
充电服务价与普通电力负荷的关系为：
式(3),(4)中：P'n(t)为t时段普通电力负荷;Pn为一天中普通电力负荷平均值。v0为固定充电服务价，指充电桩运营企业向充电车主收取一定服务费弥补建设成本,本文取0.45元/千瓦时。
图1充电服务价变化曲线
高峰期充电，避免住宅小区配电设施超负载运行;普通电力负荷低时,充电服务价相对较低，吸引、鼓励住宅小区充电用户选择接入充电，提高住宅小区配电设施利用率。电动汽车的充电负荷具有可转移性,在充电服务价格差的刺激下，电动汽车用户为降低充电费用，尽量选择在充电服务价低的时段充电也就是将充电负荷聚集到普通电力负荷少的时段充电,充分利用小区配电室变压器容量。在0 ： 00-6 : 00时间段内，充电服务价相对较低，在0.2元/千瓦时以下;在17 : 00-22 : 00时间段内，充电服务价相对较高，在0.8元/千瓦时以上。
3有序充电优化模型
3.1 优化目标
有序充电优化策略目标是在现有住宅小区配电网变压器余量的基础上，通过用户主动响应，让用户充电费用降特别多。
3.2 有序充电模型
(1)充电价格函数:s(t)=q(t) + v(t)无序充电方式下,q(t)、v(t)、s(t)为常数。
分时电价下的有序充电方式,q(t)为阶段函数,v(t)为一常数，因此s(t)为变量。
动态服务价下的有序充电方式,q(t)为阶段函数,v(t)为动态变量，因此s(t)为变量。
式中:s(t)为t时段充电价格,q(t)为t时段充电电价,v(t)为t时段充电服务价。
(2)配变余量函数：
式中Sn为小区配电室变压器额定容量;COSφN为变压器额定功率因数;μ为变压器负载率;Pb(t)为t时段住宅小区配电网普通电力负荷pi+(t)为t时段变压器用电余量。本公式是指充电桩与普通电力负荷同时接在一台变压器上，充电桩有功功率与普通电力负荷有功功率之和是变压器负载。 在不超过住宅小区配电变压器容量的前提下,以用户充电费用很低为目标建立函数：
式⑸ 中Pev,i(t)为第i辆电动汽车t时段充电功率,N为电动汽皋充电桩台数△t为时间间隔;γ为各时段超出小区配电变压器额定容量限制的惩罚因子本文取10元/千瓦。定义符号函数
3.3 约束条件
电动汽车充电响应主要受住宅小区电压范围、 充电容量、线路热负荷等因素限制。
住宅小区可允许的电压范围约束充电桩侧的电压维持额定范围为：
式(7)中：Vi为第i个充电桩的电压，Vmin和Vmax分别为住宅小区配电网允许的较大、较小电压值。
小区充电站内的充电功率变化范围为：
式(8)中:△P0为当前时段与上一时段小区充电站的充电功率变化范围，本文取20kW。
(3)充电容量约束
式⑼ 中SOCi,0为第i辆电动汽车动力电池的初始荷电状态;Wi为第i辆电动汽车动力电池容量。
(4)荷电状态连续性约束
式(10)中SOCi,0为第i辆电动汽车在t时间段末电池的荷电状态,SOCt-i为第i辆电动汽车在(t-1)时间段末电池的荷电状态。
(5)线路热负荷约束
式(11)中:LMCLMCMAX祝嗅分别为线路的热负荷、较大热负荷。
3.4有序充电控制算法
本文结合Monte-Carlo模拟，采用改进粒子群算法(improved particle swarmoptimization, IPS0)求解问题，并引入动态惯性因子w。
式(12） 中：Wmax、Wmin为惯性因子的较大、较小值，一般Wmax=0.9,Wmin =0.4,t、Tmax分别为当前迭代次数与设置的较大迭代次数。 使用IPSO进行优化求解时，将第i辆电动汽车在t时段的充电功率变量xit作为粒子的位置坐标,粒子维数为NxT。
图2有序充电方式算法流程图
本文研究24小时进行数学优化，采用Madab仿真求解，其算法流程图如图2所示。
4仿真算例
4.1 住宅小区配电网
以山东省某市住宅小区为例，其设备参数:一台配电变压器容量为800kVA,额定功率因数0.95,较大允许负载率0.9,变比10/0.4kV,三相线路2.8km,单相电缆1.2km,480家住宅用户，低压配电网电压在额定电压220/380V允许的+10%-10%范围内波动。经调査了解,住宅小区内电动汽车保有量48辆,有长城C30EV、比亚迪e5、北汽EX360等电动汽车品牌，电池容量大致在25kWh~80kWh,计划近期购买或更换电动汽车有72户。如果要对该住宅小区统一安装充电桩，计划安装60台功率7kW交流充电桩，车桩比约2 ：1。
4.2 电动汽车无序充电方式
电动汽车无序充电，电动汽车用户不受充电价格影响，随机接入充电桩启动充电,16 : 00-20 : 00时间段充电负荷出现高峰期。住宅用户由于下班回家，电视、厨房等用电设备开启，在18 : 00-22 : 00时间段，普通电力负荷出现负荷高峰期。计入住宅小区电动汽车用户充电负荷，总负荷曲线在18 : 00-20 : 00时间段内出现“峰峰叠加”现象，较高负荷达到866kW,超出较大允许负荷684kW约27%( 图3)。
图3无序充电方式下的负荷变化曲线
在考虑接入48辆电动汽车的前提下，引入惩罚因子对超出小区配变容量限制予以加收费用，利用IPSO求解目标函数，用户充电费用10931元。住宅小区配电变压器已超载,无法满足小区继续新增电动汽车充电需求。在该时间段内变压器出现过载现象，线路过热，可能影响变压器等设备过载、线路跳闸,严重影响整个住宅小区正常用电。由此可见，无序充电方式既不安全，又不经济。
4.3 分时电价响应的有序充电方式
有90%电动汽车用户响应分时电价下的有序充电方式，其中30%电动汽车用户选择在下班后平时段（21 : 00-23 : 00）接入充电桩充电,60%电动汽车用户选择在下班后谷时段（23 : 00-7 : 00）接入充电桩充电，剩余10%电动汽车仍选择在下班后随机接入充电桩充电（表1）。
表1分时段充电价格表
在21 : 00之后充电负荷开始增加,23 : 00之后再次出现陡增趋势;22 : 00总负荷出现较大峰值605kW,在小区配电变压器安全运行容量范围内（图4）。求解目标函数，用户充电费用2217元,与无序充电方式相比较,充电费用节省80%。
图4分时电价响应的有序充电方式负荷变化曲线
随机抽取第3辆电动汽车用户为例，分析计算该用户充电费用。该用户电动汽车品牌是北汽EX360,电池容量48kWh,充电起始荷电状态SOC为28%, 用户需求是充满电,SOC达到根据用户需求，按照恒功率7kW交流充电桩充电，北汽EX360充满电需5小时（表2）。
表2不同充电方式下的充电费用明细
在无序充电方式下,该用户17 : 30下班到住宅小区接入充电桩充电，在峰时段（17 : 30-21 : 00）充电3.5h,在平时段（21 : 00-22 : 30）充电1.5h0北汽EX360单次充满电，需花费用户44.83元。 用户响应分时电价下的有序充电方式,分别为响应平时段有序充电和响应谷时段有序充电。响应平时段有序充电，用户下班后没有接入充电桩充电而是在21 : 00接入充电。在平时段（21 : 00-23 : 00）充电2h,在谷时段（23 : 00-次日2 : 00）充电3h。同理计算，北汽EX360单次充满电,需花费用户41.71元,充电费用节省7%。响应谷时段有序充电，用户下班后没有接入充电桩充电，而是在23 : 00接入充电。在谷时段（23 : 00-次日4 : 00）充电5h。同理计算,北汽EX360单次充满电，需花费用户37.54元,充电费用节省16%。
4.4 动态服务价响应的有序充电方式
考虑48辆电动汽车充电负荷响应有序充电，在充电电价分时段的基础上,90%用户响应充电服务价有序充电方式。住宅小区电动汽车用户结合自身出行需求，由充电管理系统控制充电桩电流大小，尽量选择在充电价格较低时间段充电。充电负荷主要集中在充电电价谷时段(23 : 00-6 : 00)、充电服务价低时段(13 : 00-15 : 30)充电(图1)。夜间，普通电力负荷虽然在22：00之后急剧下降，但充电价格也同时下降，吸引电动汽车用户积极参与充电服务价下的有序充电方式。白天，充电电价在平时间段(11 : 30-16 : 00)较低,充电服务价在13 : 00-15 : 30时间段较低，相互叠加，共同作用，影响充电价格在13 : 00-15 : 30时间段较低，电动汽车充电负荷增加约100kWo与此同时，普通电力负荷在10 : 00-13 : 00时间段迎来负荷“小高峰”，再次叠加,形成总负荷在时间段11 : 30-13 : 00时间段形成“小高峰”，较大负荷400kW,仍在小区配电变压器安全运行容量范围内。求解目标函数，用户充电费用1334元，与无序充电方式相比较，充电费用节省 88%(图 5)。
图5小区内48辆电动汽车响应动态服务价有序充电方式的负荷变化曲线
计入小区用户计划的72辆电动汽车后，仿真模拟120辆电动汽车充电负荷响应充电服务价下的有序充电，总负荷曲线更趋于平缓(图6)。
图6小区内120辆电动汽车响应动态服务价有序充电方式的负荷变化曲线
48辆电动汽车、120辆电动汽车充电负荷分别响应充电服务价下的有序充电与无序充电方式相比较负荷波动性(表3)。
与分时电价下的有序充电方式相比,动态服务价的有序充电方式更能为用户有效节省充电费用。 而且从小区配电变压器负荷波动性角度看，通过响应普通电力负荷曲线制定的动态充电服务价，对电动汽车用户参与有序充电更具有吸引性。在同一小区配电变压器，更多的电动汽车充电负荷接入，不仅不超变压器负载,而且总负荷曲线波动性趋于平缓,“移峰填谷”作用更为明显。
5有序充电方式应用
在本文描述的基于分时电价、动态服务价响应的两种有序充电方式基础上，提出住宅小区停车位安装充电桩响应有序充电建设方案，用于指导实际商业应用。
5.1 住宅小区公共停车位充电桩建设方案
对于老旧小区，可能不存在物业公司等管理部门,公共停车位归业委会或居委会所有;对于新建小区，一般公共停车位由物业公司负责管理。无论老旧小区还是新建小区，均可以由第三方建设运营企业建设有序充电桩,响应动态分时充电价格激励，停车位经营管理单位（业委会或居委会、物业公司）参与收益分配,增加积极性。
5.2 住宅小区个人停车位充电桩建设方案
住宅小区业主在个人停车位安装随车配建的充电桩，可以通过程序升级等技术改造,申请加入动态分时充电价格响应有序充电，利用业主一般白天上班、停车位闲置时间，将个人停车位及停车位上的充电桩共享，为其他电动汽车提供停车服务和充电服务,通过个人停车位共享获得收益o个人通过停车位共享能够满足其他车辆停放、 充电，获得收益或抵扣个人充电费;停车场经营管理单位通过合作能从充电客户获取停车费、从第三方建设运营企业获取充电设施固定租金收入或服务费分成收益。住宅小区不仅解决了充电难问题，还解决了停车难问题，停车场经营管理单位获取了“停车费+固定租金（或服务费分成）”收入,电动汽车用户能用低成本充满电，第三方建设运营企业提高了充电设施使用率，实现了多方合作、互利共赢局面。
6 安科瑞充电桩收费运营云平台
6.1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。
6.2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。
6.3系统结构
6.3.1系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。
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）数据中心层：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。
6.4安科瑞充电桩云平台系统功能
6.4.1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。
6.4.2.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。
6.4.3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。
6.4.4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。
6.4.5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。
6.4.6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。
6.4.7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
6.4.8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。
6.5系统硬件配置
7结语
在考虑住宅小区充电桩难安装的背景下，本文根据电动汽车用户出行习惯、充电特点和住宅小区配电变压器容量限制因素，提出利用改进粒子群算法建立以用户充电费用较低为目标的数学模型。通过仿真分析，得到以下结论:与无序充电方式相比， 两种有序充电方式都能节省充电费用，负荷波动性趋于平缓；与分时电价响应的有序充电方式相比,通过小区配网负荷曲线制定的动态服务价响应有序充电方式更能够平抑负荷曲线，提升小区配网设施利
用率与安全性，且对电动汽车用户吸引度高,能够积极响应。规模化电动汽车应用后，响应动态分时电价的有序充电方式的用户比例越高,“移峰填谷”作用越明显。
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