安科瑞 陳聰

摘要：為了引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)有序充電，提出了一種考慮負(fù)荷時(shí)空均衡和彈性響應(yīng)的電動(dòng)汽車(chē)快充電價(jià)定價(jià)策略。引入交通流理論描述交通路網(wǎng)，建立電動(dòng)汽車(chē)快充負(fù)荷時(shí)空分布模型；考慮配電網(wǎng)調(diào)度和電動(dòng)汽車(chē)快充負(fù)荷的彈性需求，構(gòu)建源-荷互動(dòng)下的快充電價(jià)定價(jià)架構(gòu)，并基于潮流追蹤法從時(shí)空雙維度推導(dǎo)快充電價(jià)的計(jì)算方法；在此基礎(chǔ)上，計(jì)及電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷彈性響應(yīng)特性，以提升配電網(wǎng)的負(fù)荷均衡性為目標(biāo)，建立快充電價(jià)定價(jià)策略，并通過(guò)迭代算法求解該定價(jià)策略。算例仿真結(jié)果表明，所提定價(jià)策略能夠有效引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序快充，激勵(lì)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)與配電網(wǎng)友好互動(dòng)，提升負(fù)荷的時(shí)空分布均衡性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；時(shí)空分布；快充電價(jià)；交通流；負(fù)荷均衡；彈性響應(yīng)；源-荷互動(dòng)；配電網(wǎng)

0引言

近年來(lái)，因?yàn)檎?、成本、電池性能等利好因素，電?dòng)汽車(chē)（electricvehicle，EV）正在大規(guī)模普及。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2022年上半年，我國(guó)純EV保有量已突破810.4萬(wàn)輛［1］。一方面，大規(guī)模接入電網(wǎng)的EV的無(wú)序充電行為（特別是隨機(jī)快充行為），會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生較為明顯的影響，導(dǎo)致負(fù)荷分布不均勻、電壓越限、線(xiàn)路阻塞、電能質(zhì)量惡化等問(wèn)題，影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，EV快充負(fù)荷具有時(shí)空靈活性，存在負(fù)荷需求彈性響應(yīng)，可以通過(guò)合理的電價(jià)機(jī)制引導(dǎo)EV有序充電。

由于EV具有交通屬性，交通路網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)影響EV的出行-充電行為，進(jìn)而影響其快充負(fù)荷的時(shí)空分布，因此對(duì)EV快充負(fù)荷的引導(dǎo)需考慮交通流對(duì)用戶(hù)出行-充電行為的影響。采用“速度流量”模擬EV的交通行駛特性，建立了“車(chē)-路-網(wǎng)”融合架構(gòu)，分析了EV用戶(hù)的充電行為?；趧?dòng)態(tài)交通信息，從單體EV移動(dòng)特性出發(fā)，考慮動(dòng)態(tài)交通信息對(duì)EV充電行為的影響，模擬了區(qū)域EV充電負(fù)荷的時(shí)空分布。上述研究大多由單體EV充電模型通過(guò)簡(jiǎn)單疊加擴(kuò)展至群體EV充電負(fù)荷，忽視了交通路網(wǎng)中出行者之間的相互博弈作用對(duì)EV出行-充電行為的影響。針對(duì)該問(wèn)題，部分研究引入交通均衡理論模擬出行者在路徑規(guī)劃和充電決策中存在的相互影響。以EV通行時(shí)長(zhǎng)、充電時(shí)長(zhǎng)和充電費(fèi)用為目標(biāo)規(guī)劃充電路徑，建立了含EV和燃油汽車(chē)的混合交通流均衡模型，以模擬EV快充負(fù)荷規(guī)模，但只考慮了單一時(shí)間斷面上的交通均衡狀態(tài)。進(jìn)一步地，考慮余流現(xiàn)象，建立了多時(shí)段的半動(dòng)態(tài)交通均衡模型。

在此基礎(chǔ)上，通常采用改變充電電價(jià)的方法來(lái)影響EV的出行-充電行為，進(jìn)而改善EV快充負(fù)荷的時(shí)空分布均衡性。考慮EV在時(shí)間維度上具有需求響應(yīng)特性，制定具有時(shí)間屬性的電價(jià)可以引導(dǎo)用戶(hù)對(duì)充電時(shí)段的選擇，減小配電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差。在傳統(tǒng)峰谷分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，提出了計(jì)及EV負(fù)荷特性的動(dòng)態(tài)分時(shí)定價(jià)策略來(lái)平抑負(fù)荷峰谷差，即根據(jù)前一個(gè)時(shí)段的電價(jià)、負(fù)荷水平、日平均負(fù)荷數(shù)據(jù)，制定后一個(gè)時(shí)段的電價(jià)。在傳統(tǒng)分時(shí)電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，考慮電網(wǎng)側(cè)的調(diào)峰需求和用戶(hù)側(cè)的需求響應(yīng)意愿，提出了一種分時(shí)電價(jià)優(yōu)化方法，即根據(jù)EV接入電網(wǎng)后的負(fù)荷信息對(duì)電價(jià)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

時(shí)間維度上的電價(jià)策略主要針對(duì)EV到達(dá)目的地后進(jìn)行慢充的充電場(chǎng)景，不適用于EV在途中充電需求的引導(dǎo)。部分研究通過(guò)制定具有空間屬性的節(jié)點(diǎn)電價(jià)來(lái)引導(dǎo)用戶(hù)對(duì)充電站點(diǎn)的選擇，發(fā)掘EV的空間需求響應(yīng)能力。以改善配電網(wǎng)的供電電壓偏差指標(biāo)——節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度為優(yōu)化目標(biāo)，提出了計(jì)及配電網(wǎng)電能質(zhì)量及用戶(hù)響應(yīng)特性的充電服務(wù)費(fèi)制定方法，其中充電服務(wù)費(fèi)的制定需要滿(mǎn)足快充站（fastchargingstation，F(xiàn)CS）總效益維持不變和可行區(qū)間約束。提出了基于虛擬負(fù)荷和充電站利用率均衡的充電站定價(jià)策略，其定價(jià)思路主要是根據(jù)每座充電站的虛擬負(fù)荷與所有充電站平均虛擬負(fù)荷之間的差值，優(yōu)化各座充電站的充電電價(jià)，從而能夠均衡充電站的利用率。

然而，上述充電定價(jià)策略側(cè)重于考慮EV負(fù)荷側(cè)的靈活響應(yīng)，從充電站利益或電網(wǎng)安全性的角度研究充電電價(jià)的制定，忽略了配電網(wǎng)“源”的特性，而通過(guò)源-荷互動(dòng)形式可以改善配電網(wǎng)的負(fù)荷不均衡，優(yōu)化負(fù)荷曲線(xiàn)。為了充分調(diào)度電網(wǎng)側(cè)的靈活性資源，引入配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，其主要職責(zé)包括調(diào)度所轄配電區(qū)域內(nèi)的分布式電源（distributedgeneration，DG），并發(fā)布充電電價(jià)信號(hào)以激勵(lì)EV用戶(hù)自發(fā)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)EV用戶(hù)與配電網(wǎng)電源的互動(dòng)，引導(dǎo)充電負(fù)荷合理分布，供需雙方利益，同時(shí)提高配電系統(tǒng)整體的運(yùn)行安全性。

因此，本文首先通過(guò)半動(dòng)態(tài)交通流分配模型模擬EV的行駛路徑和充電決策，從而模擬多時(shí)段的EV快充負(fù)荷分布；然后，結(jié)合EV負(fù)荷的彈性響應(yīng)和DSO電源出力調(diào)度，提出源-荷互動(dòng)定價(jià)架構(gòu)，并基于潮流追蹤法分別從時(shí)間和空間維度推導(dǎo)電價(jià)的計(jì)算公式；進(jìn)一步地，提出了考慮負(fù)荷均衡和彈性響應(yīng)的快充電價(jià)定價(jià)策略。

1源-荷互動(dòng)下的快充電價(jià)定價(jià)模式

在出行過(guò)程中，當(dāng)EV的電池電量無(wú)法支撐其到達(dá)目的地或電池電量低于閾值時(shí)，EV用戶(hù)產(chǎn)生快充需求。假設(shè)EV用戶(hù)可以通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)獲取交通路網(wǎng)的道路車(chē)流量、FCS車(chē)流量及充電電價(jià)信息，交通均衡理論已經(jīng)描述了車(chē)流量對(duì)用戶(hù)出行路徑選擇的影響。因此，本章首先分析充電電價(jià)對(duì)用戶(hù)充電決策的引導(dǎo)機(jī)理，將DSO和FCS視作一個(gè)整體，由配電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)整體調(diào)整FCS的充電電價(jià)，提出了一種DSO與EV用戶(hù)互動(dòng)的定價(jià)模式，并基于潮流追蹤法推導(dǎo)了具有時(shí)空雙維度的充電電價(jià)生成方法。

2.1充電電價(jià)對(duì)EV充電決策的引導(dǎo)機(jī)理

1）充電站點(diǎn)的選擇。

對(duì)于同一時(shí)段內(nèi)充電電價(jià)不同的充電站而言，根據(jù)EV用戶(hù)的路徑出行成本式（18），如果低充電電價(jià)的充電成本加上繞路時(shí)間成本仍小于高充電電價(jià)的充電成本，則用戶(hù)會(huì)選擇繞路充電，從而實(shí)現(xiàn)EV快充負(fù)荷的空間轉(zhuǎn)移。

1. 出行時(shí)刻的選擇。

與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)相比，EV具有出行彈性需求。EV的出行、充電需求受到充電時(shí)間和充電價(jià)格的影響，EV有可能為了避免漫長(zhǎng)的充電排隊(duì)時(shí)間或高昂的充電費(fèi)用而主動(dòng)改變出行時(shí)刻，使得EV出行需求時(shí)段和充電負(fù)荷發(fā)生轉(zhuǎn)移。出行彈性需求描述了EV出行需求根據(jù)快充網(wǎng)絡(luò)不同時(shí)段的電價(jià)進(jìn)行彈性調(diào)節(jié)的規(guī)律。負(fù)荷維持均衡狀態(tài)。

2.3具有時(shí)空特性的充電電價(jià)生成方法

在源-荷互動(dòng)定價(jià)模式下，充電電價(jià)對(duì)EV充電決策的引導(dǎo)包括充電站點(diǎn)選擇（空間屬性）、出行時(shí)刻選擇（時(shí)間屬性），因此，有必要提出一種具有時(shí)空特性的充電電價(jià)生成方法。隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，配電網(wǎng)從純無(wú)源的受端系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹珼G的有源系統(tǒng)，因此考慮配電網(wǎng)“源”的靈活特性的電價(jià)制定需要反映電力資源在時(shí)空中的真實(shí)供需價(jià)值成本，體現(xiàn)電能的時(shí)間價(jià)格信號(hào)、空間位置價(jià)格信號(hào)。提出了一種基于潮流追蹤法的輸電網(wǎng)成本分?jǐn)偡椒?，本文將其?yīng)用到配電網(wǎng)層面，形成具有時(shí)空屬性的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)成本電價(jià)。配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)成本電價(jià)由具有時(shí)間價(jià)格信號(hào)屬性的發(fā)電成本、具有空間位置價(jià)格信號(hào)屬性的配電線(xiàn)路成本兩部分組成。

1. 發(fā)電成本部分。

DSO可調(diào)度的電力資源包括從上級(jí)ISO購(gòu)電和所轄區(qū)域內(nèi)的DG。將配電網(wǎng)內(nèi)的購(gòu)電節(jié)點(diǎn)和DG均視作發(fā)電節(jié)點(diǎn)，由此根據(jù)潮流追蹤法可以推導(dǎo)得到節(jié)點(diǎn)成本電價(jià)中的發(fā)電成本分量。

1. 配電線(xiàn)路成本部分。

利用潮流跟蹤法將配電網(wǎng)線(xiàn)路的固定成本公平合理地分?jǐn)偟礁鞴?jié)點(diǎn)，得到節(jié)點(diǎn)配電線(xiàn)路成本。

2安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

2.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢(xún)等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

2.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶(hù)端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶(hù)端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

2.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

2.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

2.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

2.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對(duì)其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷(xiāo)等操作，可查看小區(qū)用戶(hù)每日的充電交易詳細(xì)信息。

2.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

2.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

2.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶(hù)，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、凍結(jié)和解綁。

2.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

2.4.8充電小程序

面向充電用戶(hù)使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶(hù)充值，充電卡綁定、交易查詢(xún)、故障申訴等功能。

2.5系統(tǒng)硬件配置

3結(jié)論

本文提出了一種考慮負(fù)荷時(shí)空均衡和彈性響應(yīng)的快充電價(jià)定價(jià)策略，所得結(jié)論如下：

1. 通過(guò)分析電價(jià)對(duì)用戶(hù)決策的引導(dǎo)機(jī)理，建立了出行時(shí)段轉(zhuǎn)移意愿的數(shù)學(xué)模型，表明彈性響應(yīng)量與轉(zhuǎn)移時(shí)段、敏感系數(shù)κ相關(guān)，轉(zhuǎn)移時(shí)段越小，κ越小，則轉(zhuǎn)移意愿越強(qiáng)；

2. 利用潮流追蹤法推導(dǎo)節(jié)點(diǎn)成本電價(jià)，具有時(shí)空引導(dǎo)屬性，符合配電網(wǎng)前端接受能力越大的特點(diǎn)，有利于引導(dǎo)快充負(fù)荷轉(zhuǎn)移到靠近供電節(jié)點(diǎn)的FCS；

3. 基于源-荷互動(dòng)定價(jià)模式架構(gòu)，提出了快充電價(jià)優(yōu)化模型，采用迭代算法求解可以有效收斂得到快充電價(jià)，該電價(jià)能夠有效提升FCS利用率以及配電網(wǎng)負(fù)荷時(shí)空均衡性，有利于配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

本文提出的快充電價(jià)定價(jià)策略假設(shè)快充電價(jià)由DSO統(tǒng)一制定，然而，隨著充電樁市場(chǎng)的快速發(fā)展，充電站的運(yùn)營(yíng)主體逐漸市場(chǎng)化。因此，研究FCS的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)制將是下一步的方向。

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