淺談綜合能源充電站有序充電策略的研究與設計
蔣靜
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405
摘要：隨著電動汽車的發(fā)展，充電用戶越來越多，同時也出現(xiàn)了一系列問題，尤其是無序充電帶來的充電成本高、充電排隊時間長和電網負荷安全影響等問題，制約著電動汽車和充電設施的發(fā)展。為解決此類問題，文章研究和設計有序充電策略。 通過研究電動汽車充電過程數據，分析充電電壓、電流、和充電時間的關系曲線，在不同的電價時段和車多樁少情形下制定了合理的中止充電SOC值；為了提高充電站運營效益，針對充電站服務車輛對象的不同，設計了不同充電樁限功率有序充電策略。充電站有序充電策略的實現(xiàn)能夠提高運行收益、減低成本，讓用戶充電時間更合理，提高了充電體驗性，使充電站與電網互動，對電網削峰填谷，減小負荷波動率，提高了電網的安全性。
關鍵詞：有序充電；分時電價；功率調節(jié)；充電樁；安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)
1、前言
近年來，隨著化石能源的枯竭以及清潔新型能源技術的崛起，電動汽車和與之相應的充電站、充電樁和充電技術得到迅速發(fā)展。隨著互聯(lián)網＋充電樁的技術發(fā)展，充電服務設備建設越來完善，但仍存在諸多問題，一方面是用戶充電難、找樁難、排隊長等現(xiàn)象，另一方充電樁存在利用率不高、長期空閑、運營成本高的問題；除此之外，充電設施的大量使用對電網運行 帶來一定負荷安全影響，尤其是無序的電動汽車充電負荷會給配電網帶來電壓下降、線路過載、電網負荷峰值、網絡損耗等一系列問題，因此研究有序充電策略解決充電難，提高充電樁效益和減少充電對電網負荷影響變得愈發(fā)必要。
電動汽車有序充電在當前沒有嚴格的定義，文中提出的有序充電策略是指在車多樁少、充電站功率變動和合理利用峰谷電價情況下設計的一種充電控制方法。通過分析研究車輛充電時充電電壓、電流、SOC與充電時間的關系曲線，制定一個中止充電的SOC值來提高充電排隊效率；盡可能將充電時間安排在電價低的谷時段以降低充電運營成本，通過充電樁限功率方式對電網進行削峰填谷提高電網運行安全性。
2、有序充電方案設計
文中從三方面綜合定義有序充電，一是針對充電樁短缺設計的電動汽車排隊有序充電，通過計算電動汽車剩余充電時間和中止充電時的SOC來提供充電樁的充電效率和規(guī)劃排隊等候車輛充電次序；二是根據峰谷電價差異，合理安排有序充電時間，降低充電成本；三是對電網負荷曲線進行削峰填谷，減小負荷曲線方差，使充電設施與電網負荷協(xié)調互動而設計的有序充電策略。離散充電樁因分散無法有序充電管理難度大，因此，目前有序充電且主要應用于集中充電站。集中充電站的充電樁規(guī)模一般為20臺～50臺，主要服務對象為電動公交大巴，根據運營商需求，充電站主要分為專用充電站和公用充電站，專用充電站只對運營商制定的專用車（電動公交大巴等）提供充電服務，不對外運營；公用充電站除了服務專用車，同時對外營運，可以為所有社會電動車輛充電，文章將以兩類充電站為對象進行有序充電研究。充電站服務系統(tǒng)如圖１所示，站內充電樁通過4G/5G等物聯(lián)網或互聯(lián)網接入充電服務平臺，充電服務平臺為運營商提供給運營監(jiān)控客戶端，充電用戶可以使用充電卡和手機APP方式充電，為了使充電站與電網負荷協(xié)調互動，充電服務平臺接入充電站配電設備，該設備實時上送充電站可用功率信息至充電服務平臺。針對集中式充電站文中設計的有序充電策略具有以下功能。
（1）減少車輛排隊時間，通過計算在充車輛剩余充電時間和選擇中止充電SOC值來提供充電站服效率和減少充電用戶排隊時間；
（2）降低充電成本，通過有序充電策略設計讓車輛盡可能在電價低的谷時段充電。目前大多充電站根據 電網電價將充電時間分為平、谷、峰三個時段，分別對應正常計費、優(yōu)惠計費以及高價計費，充電電價及階梯時段如表1
表1充電電價及階梯時段
時段區(qū)間 | 電價（元／度） | 服務費（元／度） |
峰 8 :00 - 11 :00 8:00 - 23 :00 | 1.09 | 0.8 |
平 7:00 - 8:00 11:00 - 18 :00 谷 23 :00 - 7 :00 | 0.68 0.36 | 0.8 0.8 |
(3)優(yōu)化電網負荷，因用電高峰時期電網負荷壓力會造成網損和降低電能質量，文章設計充電樁功率調節(jié)策略使充電站用電功率隨電網需求動態(tài)調整。
3、專用充電站有序充電策略
目前專用集中式充電站大多用于電動公交大巴充電，文章以規(guī)模30臺60kW直流樁服務100輛電動公交車的充電站為設計對象。為提高充電樁使用效率，減少車輛排隊時間，文章分析了30多個充電數據，發(fā)現(xiàn)充電過程數據變化分析如表2所示。
表2充電過程數據分析
SOC/% | 充電電壓/V | 充電電流/A | 充電時間/min |
30 ~ 95 | 574 ~ 586 | 97 ~ 101 | 66 |
95 ~ 99 | 574 ~ 580 | 71 ~ 73 | 23 |
99 ~ 100 | 574 ~ 580 | 47 ~ 48 , | 15 |
3.1峰平時段與排隊有序充電策略設計
充電站內車輛運行模式一般是白天使用晚上充電，充電集中在谷電價時段，但因特殊情況需要白天峰或平電價時段充電時，為了降低充電成本，同時不影響 車輛運營，采取設定車輛中止充電的 SOC 上限值的充電策略，峰和平電價時段車輛 SOC 分別達到 80% 和90% 時結束充電，谷時段不設定 SOC 上限值。另一方面，在車多樁少，車輛排隊等候的情況，為了提高充電樁使用效率，增加充電站運營效益，也設定了車輛 SOC 充電上限，文章對充電排隊的定義是因急需用車而排隊充電，對于晚上谷時段沒有使用需求排隊依次充電不屬于文章定義的排隊充電的范疇。
表3充電中止 SOC 劃分
充電中止 SOC/% | 充電時段 | 排隊車輛比例 |
80 | 峰時段 | rate > 1 . 5 |
90 | 平時段 | 1 . 5≥rate > 0. 75 |
95 | 谷時段 | 0. 75≥rate > 0. 4 |
99 | 谷時段 | 0. 4≥rate > 0 |
100 | 谷時段 | 0 |
3.2充電樁限功率有序充電策略設計
專用充電站的車輛充電優(yōu)先級沒有嚴格要求，充電過程中充電站輸出功率受到電網負荷限制時，在車輛享有同等充電權限前提下，設計有序充電策略 調整充電樁輸出功率。充電樁功率調整分為下調和上調兩種，當充電站輸出總功率大于功率限定值時需進行下調，反之上調。
3.3專用充電站有序充電策略實現(xiàn)
專用充電站從峰谷電價充電成本、樁少車多充電 排隊效率和與電網負荷互動三方面設計了有序充電策 略，其策略實現(xiàn)如下：
(1)在峰平電價時段，充電樁全被占用，而后來車 輛因某些原因需要急用而充電則可以通用手機 APP 申 請排隊充電；
(2)充電服務平臺將不同電價時段和排序充電的 充電中止SOC策略以及當前排隊車輛數下發(fā)給每個充電樁，充電樁根據實際情況計算充電中止SOC值，當車輛SOC達到固定值時停止充電。
4、公用充電站有序充電策略
與專用充電站相比，公用充電樁除了對本站專用車輛服務外，還對外開放，允許所有社會車輛充電，這樣不但提高了充電樁使用率，還可以為運營商帶來額外的收益。針對站內專用車輛和社會充電車輛，文章 設計有序充電策略是充電優(yōu)先級專用車輛高于社會車輛，社會車輛之間則按先到優(yōu)先級高的原則。
5、安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)
5.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網技術對接入系統(tǒng)的汽車充電站、電動自行車充電站以及各個充電樁進行不間斷地數據采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資源管理、電能管理、明細查詢等，同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓、欠壓、絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網，用戶通過微信、支付寶、云閃付掃碼充電。
5.2應用場合
適用于住宅小區(qū)等物業(yè)環(huán)境、各類企事業(yè)單位、醫(yī)院、景區(qū)、學校、園區(qū)等公建、公共停車場、公路充電站、公交樞紐、購物中心、商業(yè)綜合體、商業(yè)廣場、地下停車場、高速服務區(qū)、公寓寫字樓等場合。
5.3系統(tǒng)結構
現(xiàn)場設備層：連接于網絡中的各類傳感器，包括多功能電力儀表、汽車充電樁、電瓶車充電樁、電能質量分析儀表、電氣火災探測器、限流式保護器、煙霧傳感器、測溫裝置、智能插座、攝像頭等。
網絡通訊層：包含現(xiàn)場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現(xiàn)場設備層設備的數據，并可進行規(guī)約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續(xù)上傳數據，保證服務器端數據不丟失。
平臺管理層：包含應用服務器和數據服務器，完成對現(xiàn)場所有智能設備的數據交換，可在PC端或移動端實現(xiàn)實時監(jiān)測充電站配電系統(tǒng)運行狀態(tài)、充電樁的工作狀態(tài)、充電過程及人員行為，并完成微信、支付寶在線支付等應用。
5.4平臺功能描述
5.4.1充電服務
充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等。
5.4.2首頁總覽
總覽當日、當月開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，累計的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，以及相應的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統(tǒng)計。
5.4.3交易結算
充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表。
5.4.4故障管理
故障管理故障記錄查詢、故障處理、故障確認、故障分析等管理項，為用戶管理故障和查詢提供方便。
5.4.5統(tǒng)計分析
統(tǒng)計分析支持運營趨勢分析、收益統(tǒng)計，方便用戶以曲線、能耗分析等分析工具，瀏覽樁的充電運營態(tài)勢。
5.4.6運營報告
按用戶周期分析汽車、電瓶車充電站、樁運行、交易、充值、充電及報警、故障情況，形成分析報告。
5.4.7APP、小程序移動端支持
通過模糊搜索和地圖搜索的功能，可查詢可用的電樁和電站等詳細信息。掃碼充電，在線支付:掃描充電樁二維碼，完成支付，微信支付完成后，即可進行充電。
5.4.8資源管理
充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。
5.5系統(tǒng)硬件配置
類型 | 型號 | 圖片 | 功能 |
安科瑞汽車充電樁收費運營云平臺 | AcrelCloud-9000 |
| (一)資源管理 充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁異常交易監(jiān)測 (二)交易結算 充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表 (三)用戶管理 用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理 (四)充電服務 充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等 (五)微信小程序 掃碼充電，賬單查詢、充電信息監(jiān)測等功能 (六)數據服務 數據采集，數據存儲和解析 (七)收益隔天結轉到帳 |
安科瑞電瓶車充電樁收費運營云平臺 | AcrelCloud-9500 |
| (一)資源管理 充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁異常交易監(jiān)測 (二)交易結算 充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報 (三)用戶管理 用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理 (四)充電服務 充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等 (五)微信小程序 掃碼充電，賬單查詢、充電信息監(jiān)測等功能 (六)數據服務 數據采集，數據存儲和解析 (七)收益隔天結轉到帳 |
IC卡汽車充電樁管理系統(tǒng)（本地單價版） | Acrel-AVMS |
/ | 輸入輸出：AC220V 1個充電接口，充電線長5米；輸出功率7KW;掃碼刷卡支付;標配 無線通訊：4G、WIFI、藍牙三選一 （下單備注規(guī)格，無備注默認4G通訊） |
10路電瓶車智能充電樁 | ACX10A系列 |
| 10路最大承載電流25A，單路最大輸出電流3A，單回路最大功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護。故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 可選配 K(進線漏保) C(每回路測溫) J(進線計量，單相電能表) L(進線漏電監(jiān)測，超限跳開所有回路) ACX10A-TYHN 戶內使(IP21),支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN 戶內使用(IP21)，支持投幣、刷卡，免費充電 ACX10A-YHW 戶外使用(IP65)，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN 戶內使用(IP21)，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW戶外使用(IP65),支持刷卡、免費充電 ACX10A-MW 戶外使用(IP65)，僅免費充電，不能刷卡掃碼 |
20路電瓶車智能充電樁 | ACX20A系列 |
| 20路最大承載電流50A，單路最大輸出電流3A，單回路最大功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。可選配 K(進線漏保) C(每回路測溫) J(進線計量，單相電能表) L(進線漏電監(jiān)測，超限跳開所有回路) ACX20A-YHN 戶內使用(IP21),支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN 戶內使用(IP21)，支持刷卡，免費充電 |
2路智能插座 | ACX2A系列 |
| 2路最大承載電流20A，單路最大輸出電流10A，單回路最大功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護。故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX2A-YHN 戶內使用(IP21)，支持刷卡、掃碼充電，單路最大電流10A ACX2A-HN 戶內使用(IP21)，支持掃碼充電，單路最大電流10A ACX2A-YN 戶內使用(IP21)，支持刷卡充電，單路最大電流10A |
落地式電瓶車智能充電樁 | ACX10B系列 |
| 10路最大承載電流25A，單路最大輸出電流3A，單回路最大功率1000W總功率5500W，充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護。故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報可選配 K(進線漏保) C(每回路測溫) J(進線計量，單相電能表) L(進線漏電監(jiān)測，超限跳開所有回路) ACX10B-YHW 戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL 戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告 |
7KW交流充電樁 | AEV-AC007D |
| 額定功率7kW，單相三線制，防護等級IP65，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方式：4G/WIFI/藍牙 支持刷卡，掃碼、免費充電 可選配觸摸顯示屏（LCD) |
30KW直流樁 | AEV-DC030D |
| 額定功率30kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電 |
60KW直流樁 | AEV-DC060S |
| 額定功率60kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電 |
120KW直流樁 | AEV-DC120S |
| 額定功率120kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電 |
IC充值卡 | ACX10A-IC02 |
| 充電樁配套購電卡 |
充值機 | ACX10A-CZJ01 |
| 電瓶車充電樁開卡讀卡器 |
7kw交流充電樁立柱 | AEV-AC007LZ |
| 用于AEV-AC007D立柱安裝 |
30kw直流充電樁立柱 | AEV-DC030LZ |
| 用于30kw充電樁AEV-DC030D專用立柱套件，可實現(xiàn)落地式安裝安裝 |
汽車充電樁IC卡 |
M1射屏卡 |
| 通過刷卡控制電動汽車充電樁的啟停并扣費 |
汽車充電樁讀卡器 |
讀卡器 |
| 汽車充電樁開卡讀卡器 |
電氣防火限流式保護器 | ASCP200-40B |
| 壁掛式安裝，可實現(xiàn)短路限流滅弧保護、過載限流保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測等功能；1路RS485通訊，1路NB 無線通訊(選配)；額定電流為0~40A，額定電流菜單可設。 |
導軌式電能表 | ADL200 |
| 單相U、I 、P、Q、S、PF、F 等全電參量測量， 有功無功電能統(tǒng)計；LCD顯示；可選配 RS485 通訊功能，方便用戶電瓶車充電樁汽車充電樁進行用電監(jiān)測計量。 |
導軌式直流電能表 | DJSF1352-RN |
| 直流電壓、電流、功率測量及正反向電能計量，復費率電能統(tǒng)計，SOE事件記錄；紅外通訊，電壓最大輸入1000V,電流外接分流器接入（75mV)或霍爾元件接入（0-5V)導軌式安裝，電能精度1級，8位LCD顯示，標配2路開關量輸入，2路開關量輸出，1路 RS485 通訊，1路直流電能計量，AC/DC85-265V，供充電樁直流計量。 |
6、結語
充電樁有序充電尚在研究起步階段，隨著V2G和充放電技術的發(fā)展和應用，有序充電將逐漸成為充電樁和充電站的發(fā)展方向。AcrelCloud-9000安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)是基于物聯(lián)網和大數據技術的充電設施管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調度和管理、提供充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗和服務質量。
【參考文獻】
胡道棟,邱俊宏,王玉芳等.綜合能源充電站有序充電策略的研究與設計[J].電測與儀表，2023,60（02）
劉科學，李雪梅，謝楓.等.基于聯(lián)絡線峰谷差的充電樁綜合運行效益檢測系統(tǒng)[J].自動化技術與應用，2022，41（7）
安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.6版
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