化工用電成本控制關(guān)鍵！基于負荷時空均衡的快充定價策略

安科瑞 劉邁

　　摘要：為了引導電動汽車有序充電，提出了一種考慮負荷時空均衡和彈性響應的電動汽車快充電價定價策略。引入交通流理論描述交通路網(wǎng)，建立電動汽車快充負荷時空分布模型；考慮配電網(wǎng)調(diào)度和電動汽車快充負荷的彈性需求，構(gòu)建源-荷互動下的快充電價定價架構(gòu)，并基于潮流追蹤法從時空雙維度推導快充電價的計算方法；在此基礎(chǔ)上，計及電動汽車負荷彈性響應特性，以提升配電網(wǎng)的負荷均衡性為目標，建立快充電價定價策略，并通過迭代算法求解該定價策略。算例仿真結(jié)果表明，所提定價策略能夠有效引導電動汽車進行有序快充，激勵電動汽車用戶與配電網(wǎng)友好互動，提升負荷的時空分布均衡性。

　　關(guān)鍵詞：電動汽車；時空分布；快充電價；交通流；負荷均衡；彈性響應；源-荷互動；配電網(wǎng)

　　0引言

　　近年來，因為政策、成本、電池性能等利好因素，電動汽車（electricvehicle，EV）正在大規(guī)模普及。據(jù)公安部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2022年上半年，我國純EV保有量已突破810.4萬輛［1］。一方面，大規(guī)模接入電網(wǎng)的EV的無序充電行為（特別是隨機快充行為），會對配電網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生較為明顯的影響，導致負荷分布不均勻、電壓越限、線路阻塞、電能質(zhì)量惡化等問題，影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。另一方面，EV快充負荷具有時空靈活性，存在負荷需求彈性響應，可以通過合理的電價機制引導EV有序充電。

　　由于EV具有交通屬性，交通路網(wǎng)的運行狀態(tài)會影響EV的出行-充電行為，進而影響其快充負荷的時空分布，因此對EV快充負荷的引導需考慮交通流對用戶出行-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-路-網(wǎng)”融合架構(gòu)，分析了EV用戶的充電行為?；趧討B(tài)交通信息，從單體EV移動特性出發(fā)，考慮動態(tài)交通信息對EV充電行為的影響，模擬了區(qū)域EV充電負荷的時空分布。上述研究大多由單體EV充電模型通過簡單疊加擴展至群體EV充電負荷，忽視了交通路網(wǎng)中出行者之間的相互博弈作用對EV出行-充電行為的影響。針對該問題，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通行時長、充電時長和充電費用為目標規(guī)劃充電路徑，建立了含EV和燃油汽車的混合交通流均衡模型，以模擬EV快充負荷規(guī)模，但只考慮了單一時間斷面上的交通均衡狀態(tài)。進一步地，考慮余流現(xiàn)象，建立了多時段的半動態(tài)交通均衡模型。

　　在此基礎(chǔ)上，通常采用改變充電電價的方法來影響EV的出行-充電行為，進而改善EV快充負荷的時空分布均衡性?？紤]EV在時間維度上具有需求響應特性，制定具有時間屬性的電價可以引導用戶對充電時段的選擇，減小配電網(wǎng)負荷峰谷差。在傳統(tǒng)峰谷分時電價的基礎(chǔ)上，提出了計及EV負荷特性的動態(tài)分時定價策略來平抑負荷峰谷差，即根據(jù)前一個時段的電價、負荷水平、日平均負荷數(shù)據(jù)，制定后一個時段的電價。在傳統(tǒng)分時電價和實時電價的基礎(chǔ)上，考慮電網(wǎng)側(cè)的調(diào)峰需求和用戶側(cè)的需求響應意愿，提出了一種分時電價優(yōu)化方法，即根據(jù)EV接入電網(wǎng)后的負荷信息對電價進行動態(tài)更新。

　　時間維度上的電價策略主要針對EV到達目的地后進行慢充的充電場景，不適用于EV在途中充電需求的引導。部分研究通過制定具有空間屬性的節(jié)點電價來引導用戶對充電站點的選擇，發(fā)掘EV的空間需求響應能力。以改善配電網(wǎng)的供電電壓偏差指標——節(jié)點關(guān)鍵度為優(yōu)化目標，提出了計及配電網(wǎng)電能質(zhì)量及用戶響應特性的充電服務(wù)費制定方法，其中充電服務(wù)費的制定需要滿足快充站（fastchargingstation，F(xiàn)CS）總效益維持不變和可行區(qū)間約束。提出了基于虛擬負荷和充電站利用率均衡的充電站定價策略，其定價思路主要是根據(jù)每座充電站的虛擬負荷與所有充電站平均虛擬負荷之間的差值，優(yōu)化各座充電站的充電電價，從而能夠均衡充電站的利用率。

　　然而，上述充電定價策略側(cè)重于考慮EV負荷側(cè)的靈活響應，從充電站利益或電網(wǎng)安全性的角度研究充電電價的制定，忽略了配電網(wǎng)“源”的特性，而通過源-荷互動形式可以改善配電網(wǎng)的負荷不均衡，優(yōu)化負荷曲線。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)運營商，其主要職責包括調(diào)度所轄配電區(qū)域內(nèi)的分布式電源，并發(fā)布充電電價信號以激勵EV用戶自發(fā)響應，實現(xiàn)EV用戶與配電網(wǎng)電源的互動，引導充電負荷合理分布，供需雙方利益，同時提高配電系統(tǒng)整體的運行安全性。

　　因此，本文首先通過半動態(tài)交通流分配模型模擬EV的行駛路徑和充電決策，從而模擬多時段的EV快充負荷分布；然后，結(jié)合EV負荷的彈性響應和DSO電源出力調(diào)度，提出源-荷互動定價架構(gòu)，并基于潮流追蹤法分別從時間和空間維度推導電價的計算公式；進一步地，提出了考慮負荷均衡和彈性響應的快充電價定價策略。

　　1源-荷互動下的快充電價定價模式

　　在出行過程中，當EV的電池電量無法支撐其到達目的地或電池電量低于閾值時，EV用戶產(chǎn)生快充需求。假設(shè)EV用戶可以通過車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)獲取交通路網(wǎng)的道路車流量、FCS車流量及充電電價信息，交通均衡理論已經(jīng)描述了車流量對用戶出行路徑選擇的影響。因此，本章首先分析充電電價對用戶充電決策的引導機理，將DSO和FCS視作一個整體，由配電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)整體調(diào)整FCS的充電電價，提出了一種DSO與EV用戶互動的定價模式，并基于潮流追蹤法推導了具有時空雙維度的充電電價生成方法。

　　2.1充電電價對EV充電決策的引導機理

　　1）充電站點的選擇。

　　對于同一時段內(nèi)充電電價不同的充電站而言，根據(jù)EV用戶的路徑出行成本式（18），如果低充電電價的充電成本加上繞路時間成本仍小于高充電電價的充電成本，則用戶會選擇繞路充電，從而實現(xiàn)EV快充負荷的空間轉(zhuǎn)移。

　　出行時刻的選擇。

　　與傳統(tǒng)燃油汽車相比，EV具有出行彈性需求。EV的出行、充電需求受到充電時間和充電價格的影響，EV有可能為了避免漫長的充電排隊時間或高昂的充電費用而主動改變出行時刻，使得EV出行需求時段和充電負荷發(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)不同時段的電價進行彈性調(diào)節(jié)的規(guī)律。負荷維持均衡狀態(tài)。

　　2.3具有時空特性的充電電價生成方法

　　在源-荷互動定價模式下，充電電價對EV充電決策的引導包括充電站點選擇（空間屬性）、出行時刻選擇（時間屬性），因此，有必要提出一種具有時空特性的充電電價生成方法。隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，配電網(wǎng)從純無源的受端系統(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”的靈活特性的電價制定需要反映電力資源在時空中的真實供需價值成本，體現(xiàn)電能的時間價格信號、空間位置價格信號。提出了一種基于潮流追蹤法的輸電網(wǎng)成本分攤方法，本文將其應用到配電網(wǎng)層面，形成具有時空屬性的配電網(wǎng)節(jié)點成本電價。配電網(wǎng)節(jié)點成本電價由具有時間價格信號屬性的發(fā)電成本、具有空間位置價格信號屬性的配電線路成本兩部分組成。

　　發(fā)電成本部分。

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

　　配電線路成本部分。

　　利用潮流跟蹤法將配電網(wǎng)線路的固定成本公平合理地分攤到各節(jié)點，得到節(jié)點配電線路成本。

　　2安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

　　2.1概述

　　AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)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(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、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(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。

　　2.2應用場所

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

　　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)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

　　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：包含應用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

　　5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

　　小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

　　2.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

　　2.4.1智能化大屏

　　智能化大屏展示站點分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、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實時監(jiān)控

　　實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(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。

2.4.3交易管理

　　平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、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信息。

2.4.4故障管理

　　設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

2.4.5統(tǒng)計分析

　　通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

2.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

　　在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施，維護充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

2.4.7運維APP

　　面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

2.4.8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。

2.5系統(tǒng)硬件配置

　　3結(jié)論

　　本文提出了一種考慮負荷時空均衡和彈性響應的快充電價定價策略，所得結(jié)論如下：

　　通過分析電價對用戶決策的引導機理，建立了出行時段轉(zhuǎn)移意愿的數(shù)學模型，表明彈性響應量與轉(zhuǎn)移時段、敏感系數(shù)κ相關(guān)，轉(zhuǎn)移時段越小，κ越小，則轉(zhuǎn)移意愿越強；

　　利用潮流追蹤法推導節(jié)點成本電價，具有時空引導屬性，符合配電網(wǎng)前端接受能力越大的特點，有利于引導快充負荷轉(zhuǎn)移到靠近供電節(jié)點的FCS；

　　基于源-荷互動定價模式架構(gòu)，提出了快充電價優(yōu)化模型，采用迭代算法求解可以有效收斂得到快充電價，該電價能夠有效提升FCS利用率以及配電網(wǎng)負荷時空均衡性，有利于配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行。

　　本文提出的快充電價定價策略假設(shè)快充電價由DSO統(tǒng)一制定，然而，隨著充電樁市場的快速發(fā)展，充電站的運營主體逐漸市場化。因此，研究FCS的市場運營機制將是下一步的方向。