淺談分時(shí)電價(jià)下含電動(dòng)汽車的微電網(wǎng)群雙層多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度

安科瑞 陳聰

摘要：為解決大規(guī)模電動(dòng)汽車無序充電導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)“峰上加峰”現(xiàn)象，依據(jù)電動(dòng)汽車充電地點(diǎn)的不同將配電網(wǎng)劃分為居民區(qū)、辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)微電網(wǎng)，提出基于峰谷差、分時(shí)電價(jià)、用戶充電滿意度多目標(biāo)下的電動(dòng)汽車充電模式，建立了微電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商峰谷差—用戶充電費(fèi)用少和充電滿意度的雙盈多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，采用上海市實(shí)際居民辦公商業(yè)混合體，基于MATLAB/NSGA?Ⅱ算法求解負(fù)荷整形度；采取粒子群優(yōu)化算法求解電動(dòng)汽車車主達(dá)到充電滿意度；實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電時(shí)刻和充電功率的引導(dǎo)。實(shí)際算例仿真結(jié)果表明，該方法能有效降低配電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，提高電動(dòng)汽車充電效率，滿足用戶充電需求。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)群；電動(dòng)汽車；分時(shí)電價(jià)；多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度；雙層優(yōu)化

為了應(yīng)對(duì)全球氣候變暖和化石能源日益短缺的挑戰(zhàn)，中國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)。國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案。開發(fā)和利用各種新型清潔能源，將電動(dòng)汽車（electricvehicle，EV）

與分布式能源相結(jié)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)多種能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)具有十分重要的意義。大量電動(dòng)汽車接入微電網(wǎng)，對(duì)微電網(wǎng)群的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著分布式新能源的發(fā)展，傳統(tǒng)的單一微網(wǎng)模式已經(jīng)處于劣勢(shì)。微電網(wǎng)群將多個(gè)單一的微電網(wǎng)結(jié)合在一起，增強(qiáng)了微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使可再生能源能夠靈活滿足電力的多元化需求，并減少了電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)傳統(tǒng)大電網(wǎng)的影響。在城市中，電動(dòng)汽車數(shù)量眾多，其電池具有電源與負(fù)荷的雙重特性，與分布式電源具有互補(bǔ)性。發(fā)展城市風(fēng)光儲(chǔ)一體化，可以減少遠(yuǎn)距離輸電損耗，實(shí)現(xiàn)能源利用的。

電動(dòng)汽車充電難、充電價(jià)格不合理等問題日益突出。文獻(xiàn)提出了電價(jià)引導(dǎo)的策略，通過制定動(dòng)態(tài)電價(jià)引導(dǎo)EV車主進(jìn)行有序充電，降低系統(tǒng)峰谷差，減少運(yùn)行成本。文獻(xiàn)［提出電動(dòng)車智慧傳輸路徑，通過云傳輸來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的充電協(xié)調(diào)與資源優(yōu)化匹配功能。文獻(xiàn)通過在樓宇中安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，模擬了電動(dòng)汽車在樓宇中的充電行為特征，驗(yàn)證了其在城市中的應(yīng)用可能性。EV充電站具有分布式特點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)充電站密集的區(qū)域，輔以光伏發(fā)電，一定程度上減輕了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，并提高了供電可靠性。以往對(duì)于EV優(yōu)化調(diào)度的研究以單層優(yōu)化、單目標(biāo)優(yōu)化為主，但EV優(yōu)化調(diào)度是復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問題，因此文獻(xiàn)建立了包含EV的雙層優(yōu)化模型，通過博弈實(shí)現(xiàn)了充電站收益與電動(dòng)汽車車主利益之間的平衡。隨機(jī)性與不確定性是EV充電時(shí)空需求方面的明顯特點(diǎn)，導(dǎo)致充電樁利用率不高，因此需要在電動(dòng)汽車充電優(yōu)化調(diào)度方面進(jìn)行研究。

基于以上背景，本文針對(duì)基于負(fù)荷變化制定分時(shí)充電電價(jià)的電動(dòng)汽車有序充電優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行了研究。我們構(gòu)建了運(yùn)營(yíng)商—用戶雙層多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，將配電網(wǎng)劃分成居民區(qū)、辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)微電網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上，以微電網(wǎng)內(nèi)電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，依據(jù)負(fù)荷的變化制定日前分時(shí)充電電價(jià)，兼顧電網(wǎng)供電可靠性與電動(dòng)汽車用戶的利益，引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶參與有序充電。

1含電動(dòng)汽車的微網(wǎng)群與日前分時(shí)電價(jià)

通過微電網(wǎng)群能量管理系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行控制，控制平臺(tái)在前一天將微網(wǎng)內(nèi)部基本用電負(fù)荷、光伏與風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力以及電動(dòng)汽車行為信息上傳至管理系統(tǒng)，從而對(duì)次日的微電網(wǎng)群內(nèi)電動(dòng)汽車進(jìn)行調(diào)度。微網(wǎng)群結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1微電網(wǎng)群結(jié)構(gòu)

由圖中可以看出，影響微電網(wǎng)群的因素由以下幾個(gè)方面組成：

（1）光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電的發(fā)電功率受到光照強(qiáng)度、外界溫度等多種因素的影響。

（2）風(fēng)力發(fā)電模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率受多種因素影響，包括風(fēng)速大小、風(fēng)向以及風(fēng)速持續(xù)的時(shí)間等。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有風(fēng)能利用率高、啟動(dòng)風(fēng)速低等優(yōu)點(diǎn)。在低風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)將提供自啟動(dòng)功能，并且不需要任何偏航機(jī)構(gòu)。由于城市中高層建筑物數(shù)量眾多，建筑物頂部的風(fēng)速相對(duì)較大，這為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝和使用提供了條件。

1. 電動(dòng)汽車充電方式

目前，常見的電動(dòng)汽車充電有交流充電、直流充電與換電3種方式。交流充電應(yīng)用廣，在充電時(shí)電流較小，適用于家庭充電。直流充電是將交流電整流成直流電供給電池充電，多用在集中充電站，其充電電流大，輸出功率高，在對(duì)充電速度要求高的情況下使用。換電是通過更換已充滿電的電池組來達(dá)到充滿電的效果，但是由于不同汽車品牌的電池型號(hào)不統(tǒng)一，成為制約換電措施的因素。

（4）電動(dòng)汽車行為特性

電動(dòng)汽車充電時(shí)間與行駛里程等特征不確定性大，用對(duì)數(shù)正態(tài)分布描述其行駛距離的概率，EV初始充電時(shí)間與結(jié)束時(shí)間的概率用正態(tài)分布表示。

（5）日前分時(shí)電價(jià)模型

制定靈活合理的EV充電電價(jià)能調(diào)動(dòng)車主參與電網(wǎng)調(diào)度的積極性，但目前EV充電電價(jià)多以固定電價(jià)的形式存在，電價(jià)形式較為單一，不能反映不同時(shí)段和負(fù)荷情況下的供需關(guān)系，這限制了EV充電電價(jià)的靈活性和適應(yīng)性。因此，為鼓勵(lì)車主參與電網(wǎng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，提前一天對(duì)微網(wǎng)內(nèi)用電情況預(yù)測(cè)，依據(jù)每時(shí)間段負(fù)荷的不同，根據(jù)負(fù)荷變化確定日前分時(shí)電價(jià)，作為電動(dòng)汽車用戶的充電電價(jià)。

依據(jù)負(fù)荷變化制定的分時(shí)電價(jià)，當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)，有大量電動(dòng)汽車接入會(huì)導(dǎo)致充電電價(jià)升高，對(duì)一些用戶而言會(huì)選擇換個(gè)時(shí)間段充電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶充電行為的引導(dǎo)。

2微網(wǎng)群雙層多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度

考慮微電網(wǎng)與電動(dòng)汽車用戶雙方利益，建立含電動(dòng)汽車的微網(wǎng)群雙層多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。外層兼顧微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與參與電動(dòng)汽車調(diào)度的用戶充電費(fèi)用，依據(jù)制定的日前分時(shí)充電電價(jià)對(duì)電動(dòng)汽車充電行為進(jìn)行引導(dǎo)；內(nèi)層以電動(dòng)汽車用戶充電滿意度為目標(biāo)，構(gòu)建雙層模型，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)群的優(yōu)化運(yùn)行。

1. 外層優(yōu)化

為保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，外層優(yōu)化需要考慮系統(tǒng)功率平衡約束，風(fēng)機(jī)、光伏出力約束，傳輸線路容量約束。

1. 內(nèi)層優(yōu)化

用電動(dòng)汽車SOC值來描述電動(dòng)汽車電量，電動(dòng)汽車車主達(dá)到出行滿意是充電結(jié)束時(shí)電動(dòng)汽車的SOC達(dá)到自己的期望值。內(nèi)層優(yōu)化需考慮充電功率與電動(dòng)汽車的SOC約束

1. 雙層多目標(biāo)優(yōu)化求解流程

外層要考慮系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)與電動(dòng)汽車用戶充電費(fèi)用少的多目標(biāo)優(yōu)化問題。以微網(wǎng)群內(nèi)電動(dòng)汽車充放電計(jì)劃為自變量，根據(jù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)從外層優(yōu)化的Pareto解集中選出某一組解，作為電動(dòng)汽車參與調(diào)度的整體充放電計(jì)劃。再通過內(nèi)層以電動(dòng)汽車車主充電期望值為目標(biāo)函數(shù)，得到每輛電動(dòng)汽車車主的127電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)2024年1月充電量，采用粒子群算法求解。當(dāng)所得解不滿足實(shí)際情況時(shí)，返回至外層多目標(biāo)優(yōu)化階段，重新選擇一組解，繼續(xù)進(jìn)行內(nèi)層優(yōu)化，直到得到的解滿足實(shí)際情況。優(yōu)化求解整體流程如圖2所示。

圖2優(yōu)化求解流程

3安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

3.1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)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(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)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2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)。

3.3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)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車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4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(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、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過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，充電用戶提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

5.4.1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。

3.4.2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)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

3.4.3交易管理

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

3.4.4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)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問題。

3.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(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，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，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)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

3.4.7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、查詢流量卡使用情況、查詢充電\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

3.4.8充電小程序

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

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)語

針對(duì)電動(dòng)汽車在微電網(wǎng)中的優(yōu)化調(diào)度問題，文中以EV充電地點(diǎn)的不同，將配電網(wǎng)劃分居民區(qū)、辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)微電網(wǎng)，基于負(fù)荷變化制定日前分時(shí)電價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電行為的引導(dǎo)，提出了雙層多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，兼顧微電網(wǎng)與EV車主的利益，并進(jìn)行算例分析。

（1）建立的含EV的微電網(wǎng)群優(yōu)化調(diào)度模型降低了微電網(wǎng)中的負(fù)荷峰谷差，提高EV充電效率，滿足不同類型EV用戶充電需求，可兼顧微電網(wǎng)和EV車主的利益，同時(shí)促進(jìn)了新能源的就地消納，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

（2）依據(jù)負(fù)荷變化制定的分時(shí)充電電價(jià)有效地引導(dǎo)了用戶參與微電網(wǎng)調(diào)度，與無序充電相比，降低了一部分負(fù)荷波動(dòng)，大規(guī)模EV接入電網(wǎng)后效果將更加明顯。中國(guó)的電價(jià)朝著實(shí)時(shí)電價(jià)的趨勢(shì)發(fā)展，還需進(jìn)一步研究實(shí)時(shí)電價(jià)下EV在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的優(yōu)化調(diào)度。

參考文獻(xiàn)

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