浅谈规模化电动汽车接入下的个性化快充导航及源荷协同有序充电策略

摘要：在当今能源短缺和环境污染的背景下，电动车辆由于其节能减排和环境保护等特性而蓬勃发展。近年来，各主要经济体纷纷出台政策，促进该类型汽车的研发、生产与销售。
然而，当规模化的电动汽车接入时，电力系统的正常运行将受到显著影响。一方面，当电动汽车的渗透率达到特定阈值后，充电资源与充电需求的时空分布之间的匹配矛盾会愈发突出，这将不可避免的降低电动汽车用户的出行体验并导致高峰时段的充电拥堵等问题。另一方面，在夜间高渗透率电动汽车场景下，完成充电后电动汽车离网动作的“一致性”会导端负荷低谷。在有限的时段内急剧减少的负荷将会迫使火电机组进入不经济的深度峰值调节运行状态。
关键词：电动汽车；个性化充电导航；动态队列间的互作用；深度调峰；需求响应

1.引言

能源是人类社会存在与发展的重要物质基础，对能源利用水平的提高是推动人类文明的不断前行的动力之一。从木柴到煤炭，再到石油和天然气，伴随着能源消耗总量的持续增长，人类主要利用的能源类型也在不断发生着改变。当今世界能源消耗以化石能源为主，随着经济持续发展和人民生活水平的日益提高，能源需求还将继续增长，据国际能源署统计，2018年，全球能源消耗折合为石油大约是142.8亿吨。预计到本世纪中叶，全球能源消费还将在此基础上增长近50%。
传统化石能源在生产、运输和消费的全过程中均会产生污染物质，不可避免的导致全球生态破坏和气候变化。2010年4月，英国石油公司所属“深水地平线”钻井平台发生的原油泄露事故，其中有近56万吨原油未经任何处理流入大海，对周边区域生态环境造成严重破坏。化石能源在使用过程中会产生的多种有害物质，对人们的身体健康造成持续伤害，并导致气候变暖以及酸雨等严重的环境问题。在当前局势下，发展清洁能源和能源替代技术是从技术层面解决现阶段环境保护问题的重要途径。
1电动汽车产业的发展现状
电动汽车，即用自身存储的电能作为动力来源，通过电机驱动行驶的汽车。随着可充电的铅酸电池技术的成熟，世界上首辆实用的电动汽车出现在1881年巴黎国际电力博览会上。得益于简单的结构和成本上的优势，电动汽车在之后十几年里发展迅速。到1900年，电动汽车的生产数量已占到美国当年汽车总产量的85%，欧洲的大小街道上行驶的出租汽车中，每14辆中就有13辆是以电能为动力的。进入20世纪后，伴随着内燃机生产制造技术的进步，尤其是福特流水线生产方式和电力汽车起动机的发明，汽油机的使用成本迅速下降，电动汽车的发展陷入了停滞，市场份额被后者取代。
20世纪后期，情况有了转机。首先，70年代的三次石油危机导致的严重能源短缺使得各主要国家工业产值显著下降，这让人们对电动汽车重新产生兴趣。此外，80年代，大量消耗化石能源导致的环境恶化现象在世界范围内逐渐凸显，各国纷纷出台了相关的环保法规政策来限制污染物的排放。在能源短缺与环境保护的双重因素作用下，电动汽车产业终于迎来了曙光。

2.个性化快充导航及源荷协同有序充电策略研究意义

（1）解决高渗透率电动汽车接入下充电资源与需求时空分布不匹配问题，提升用户出行体验，缓解高峰时段充电拥堵。随着电动汽车的普及，充电需求也在不断增加。然而，目前充电设施的布局和数量还不能完全满足需求，尤其是在高峰时段，充电资源与需求的时空分布不匹配问题更加突出，导致充电拥堵，给用户带来不便。个性化快充导航及源荷协同有序充电策略可以根据用户的需求和充电设施的实时状态，为用户提供的充电方案，提高充电效率，缓解高峰时段充电拥堵，提升用户出行体验。
（2）避免夜间电动汽车离网动作“一致性”导致的负荷低谷，减轻火电机组深度调峰压力，保障电力系统安全稳定运行。夜间，大量电动汽车同时充电，会导致电网负荷急剧增加，给电力系统带来巨大压力。而个性化快充导航及源荷协同有序充电策略可以引导用户合理安排充电时间，避免夜间电动汽车离网动作“一致性”，从而减轻火电机组深度调峰压力，保障电力系统安全稳定运行。

3.电动汽车接入对电力系统的影响

3.1电动汽车负荷特性

（1）电动汽车充电类型介绍不同类型的电动汽车充电方式及其特点。
目前，电动汽车主要有家用充电桩和公共充电桩两种充电方式。
家用充电桩充电：购买新能源汽车后，很多人会安装家用充电桩，随时可以充电，较为方便。充电时，先在充电桩上设置好充电时间和停止时间，也可在手机APP中操作。将车辆熄火，关闭车内所有电源后，下车将充电桩电枪插入充电口，此时充电桩指示灯闪烁绿色或红色。打开手机APP，选择私桩管理，启动充电，充电桩指示灯变为绿色常亮即开始充电。充完电后，先解锁充电枪，再拔出放回充电桩，完成充电过程。
公共充电桩充电：对于无法安装家用充电桩的人来说，公共充电桩是常用的充电方式。将车辆停放到充电桩停车位，熄火断电下车。手机扫码或刷卡支付电费后，充电桩解锁，连接到车辆充电口即可。充电启动后，观察电流以及电压是否正常，正常后可离开车辆。待电费用完或者电量充满后，会自动断电，先解锁充电桩，再将枪头取下放回充电桩上，盖好充电盖板，完成充电。
此外，新能源汽车还有换电站这种充电方式。一些汽车公司为了方便，建立了换电站，如北汽、蔚来等汽车公司都有自己的换电站，但目前只是专车专用，影响较大，只有找到相应品牌的换电站才能换电，且换电设备各方面配套要求高，成本也较高，推广起来困难，很多车主还担心换上的电池太旧。
（2）电动汽车的旅行链分析电动汽车的出行规律对充电需求的影响。
浙江迦辰新能源股份有限公司取得的专利“一种考虑车主出行规律的电动汽车充电需求时空分布的模拟与调度优化方法”表明，车主出行规律对电动汽车充电需求有重要影响。
电动汽车的出行规律不尽相同，如出行方式、用车习惯和性格个性等，所以用户充电需求在时间和空间分布上具备一定随机性。一般来说，充电需求在白天较高，特别是在早晚高峰时段，因为这是驾驶员主要的出行时间；而换电需求则可能更集中在夜间或者清晨，因为这些时间段更换电池的运输成本较低。
（3）电动汽车充电需求分布探讨电动汽车充电需求在时间和空间上的分布特征。
充电需求在空间上呈现出分布不均的特点。城市由于人口密集，充电需求也更为集中。而在城市边缘或郊区，充电需求则相对较低。

4.如何减少电动汽车接入对电力系统的影响

4.1优化充电策略
通过个性化快充导航及源荷协同有序充电策略，可以引导电动汽车用户合理安排充电时间和地点，避免充电负荷的集中出现。例如，可以在低谷时段鼓励用户充电，以减少对火电机组的压力。同时，可以根据电网的负荷情况和火电机组的运行状态，实时调整充电功率，以提高充电效率和电网的稳定性。
4.2加强电网建设
为了适应高渗透率电动汽车的接入，需要加强电网的建设和改造。可以增加电网的容量和灵活性，提高电网的接纳能力和稳定性。例如，可以建设智能电网，实现电网的智能化管理和控制，提高电网的运行效率和可靠性。
4.3推广可再生能源发电
可再生能源发电具有清洁、可再生的特点，可以减少对火电机组的依赖。可以通过推广太阳能、风能等可再生能源发电，增加电网的清洁能源供应，降低火电机组的出力压力。同时，可以利用电动汽车的储能特性，实现可再生能源的消纳和存储，提高可再生能源的利用效率。
综上所述，高渗透率电动汽车的接入对火电机组的运行产生了显著影响。为了减轻这种影响，需要采取优化充电策略、加强电网建设和推广可再生能源发电等措施，以实现电动汽车与火电机组的协调发展。

5.个性化快充导航策略系统构成

个性化快速充电导航系统主要由车辆、充电站和电网等部分组成。车辆作为充电需求的发起者，其性能和状态直接影响充电需求。充电站是提供充电服务的关键设施，包括快充站和慢充站等不同类型。电网则为整个充电过程提供电力支持，确保充电设施能够正常运行。
车辆具备电池管理系统，能够实时监测电池状态，如电量、温度等，并与导航系统进行交互，为用户提供充电建议。充电站包括充电设备、监控系统和计费系统等。充电设备负责为车辆充电，监控系统实时监测充电状态，计费系统根据充电量和充电时间进行费用计算。电网通过变电站、输电线路等设施将电力输送到充电站，满足车辆的充电需求。

6.源荷协同有序充电策略概述

在规模化电动汽车接入的背景下，源荷协同有序充电策略显得尤为重要。该策略旨在通过协调电源侧与负荷侧的资源，实现电动汽车充电的有序化，提高充电效率，保障电力系统的安全稳定运行。
源荷协同有序充电策略的核心是充分考虑电源侧的发电能力和负荷侧的充电需求，通过合理的调度和控制，实现两者的平衡。
7安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展
7.1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。
7.2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。
7.3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。
7.4安科瑞充电桩云平台系统功能
7.4.1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。
 7.4.2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。
 7.4.3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。
 7.4.4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。
 7.4.5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。
 7.4.6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。7.4.7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

 7.4.8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。

 7.5系统硬件配置

8.总结

本文针对规模化电动汽车接入下的个性化快充导航及源荷协同有序充电策略进行了深入研究。
首先，在研究背景及意义方面，指出当前国内外能源利用面临短缺和环境污染问题，电动汽车以其节能减排和环保特性蓬勃发展。接着，分析了电动汽车接入对电力系统的影响。从电动汽车负荷特性入手，介绍了不同类型的电动汽车充电方式及其特点，包括家用充电桩充电、公共充电桩充电和换电站充电。然后，阐述了个性化快充导航策略。介绍了基于动态排队互作用的个性化快速充电导航系统的构成、基本假设和工作过程。随后，论述了源荷协同有序充电策略。概述了源荷协同有序充电策略，包括源侧资源的优化利用、荷侧资源的协调管理和源荷协同的优化调度。
综上所述，本文对规模化电动汽车接入下的个性化快充导航及源荷协同有序充电策略进行了研究，为解决电动汽车充电问题提供了理论依据和实践指导。但在实际应用中，还需要进一步考虑技术成本、用户接受度等因素，不断优化和完善充电策略和技术实现。未来，可以进一步研究更加智能、的充电导航和有序充电策略，推动电动汽车产业的可持续发展。
参考文献：
[1]季陈林.规模化电动汽车接入下的个性化快充导航及 源荷协同有序充电策略研究
[2]陈新琪，李鹏，胡文堂，等. 电动汽车充电站对电网谐波的影响分析
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版