摘要：大量、無序的插電式混合動(dòng)力汽車接入電網(wǎng)，會造成高峰時(shí)段電網(wǎng)變壓器過熱、過載，導(dǎo)致跳閘甚至大面積停電。因此電動(dòng)汽車的協(xié)調(diào)充電問題是電網(wǎng)中一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。文章首先將插電式混合動(dòng)力汽車協(xié)調(diào)充電問題定義為帶約束條件的優(yōu)化問題，然后提出一種雙層充電策略對該優(yōu)化問題進(jìn)行求解。在第一層基于需求側(cè)管理對電網(wǎng)低壓變壓器的負(fù)荷曲線進(jìn)行扁平化平滑優(yōu)化；在第二層基于一致性迭代算法，使插電式混合動(dòng)力汽車用戶的總體充電成本達(dá)到最小并同時(shí)滿足用戶的充電需求。所提充電策略既保持了電網(wǎng)變壓器供電負(fù)荷曲線波動(dòng)最小，又實(shí)現(xiàn)了每個(gè)電動(dòng)汽車用戶的充電成本最小，滿足了用戶的充電需求。

關(guān)鍵詞：插電式混合動(dòng)力汽車；多目標(biāo)優(yōu)化；需求側(cè)管理；動(dòng)態(tài)資源分配

0引言

為鼓勵(lì)電動(dòng)汽車用戶參與到電動(dòng)汽車的協(xié)調(diào)充電過程，本文提出了一種用戶成本分?jǐn)偰Ｐ?，并利用帶約束條件的優(yōu)化模型描述了有域內(nèi)電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)充電的動(dòng)態(tài)變化過程；其次，為解決所描述的優(yōu)化問題，本文提出了兩層充電策略將描述的優(yōu)化問題分解成2個(gè)階段，分別在低壓變壓器控制層和用戶控制層來予以解決。

1系統(tǒng)模型

1.1圖論介紹

在有向圖G=(V,E)中,非空集合V=表示圖的頂點(diǎn)，E=表示從頂點(diǎn)j可以接受到i的信息，wi,j是關(guān)聯(lián)矩陣W的第i行、第j列元素。對于節(jié)點(diǎn)i∈V，其入鄰居和出鄰居為Ni-=和Ni+=。節(jié)點(diǎn)i接收入鄰居的信息，并將自身信息發(fā)送給出鄰居完成信息

在鄰居之間的傳遞。di-=|Ni-|和d=|Ni+|分別表示入鄰居和出鄰居的個(gè)數(shù)。強(qiáng)連通的有向圖是指任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是可達(dá)的。令k=k0,k1,…,kN-1表示N個(gè)時(shí)間戳,G(k)=(V,E(k))表示k時(shí)刻的強(qiáng)連通圖。

1.2問題描述

本文研究的分布式電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，包含1個(gè)高壓變壓器（HVT）連接到1組低壓變壓器（LVTs），每個(gè)低壓變壓器又連接到多個(gè)用戶，并且每個(gè)用戶擁有1臺插電式混合動(dòng)力汽車。

圖1分布式電網(wǎng)架構(gòu)

圖1所示的分布式電網(wǎng)架構(gòu)［19—20］是一種徑向放射網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于低壓變壓器比高壓變壓器更容易過載，高壓變壓器和低壓變壓器無法同時(shí)獲得波動(dòng)最小的負(fù)荷曲線。因此本文研究低壓側(cè)電網(wǎng)的負(fù)載波動(dòng)情況。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究使電動(dòng)汽車用戶充電成本最小化的充電策略，從而使用戶能積極參與到負(fù)荷曲線的削峰填谷中去。

本文將電網(wǎng)中的插電式混合動(dòng)力汽車協(xié)調(diào)充電問題描述成有域的多約束優(yōu)化問題。假設(shè)所有電動(dòng)汽車充電開始和結(jié)束的時(shí)刻分別為k0和kN-1，xi,k∈R表示電網(wǎng)在k時(shí)刻提供給電動(dòng)汽車i的電能。

一般來說，對于約束條件為線性的凸優(yōu)化問題具有的全局解，為了便于求解和表征電動(dòng)汽車充電用戶的充電成本，本文假設(shè)每個(gè)電動(dòng)汽車i在時(shí)刻k均關(guān)聯(lián)一個(gè)凸的二次型成本函數(shù)

Fi,k(xi,k)=(xi,k-αi,k)2/2βi,k+γi,k（1）

式中：αi,k和γi,k∈R為成本系數(shù)；βi,k>0保證了二次型函數(shù)為凸函數(shù)。相應(yīng)的導(dǎo)函數(shù)為

Ji,k(xi,k)=dFi,k(xi,k)/dxi,k=(xi,k-αi,k)/βi,k（2）

由于插電式混合動(dòng)力汽車的鋰離子電池容量和最大充電功率有一定的限制，因此電動(dòng)汽車i在k時(shí)刻具有相應(yīng)的最大充電功率和最小充電功率約束

-xi,k≤xi,k≤i,k（3）

在本文中，假設(shè)i,k=i，-xi,k=-xi。為了滿足用在某一段時(shí)間[k0,kN-1]的充電需求，有如下約束條件

i,k=bi（4）

式中：bi為電動(dòng)汽車i在時(shí)間段[k0,kN-1]內(nèi)需要充的電能。此外，電網(wǎng)低壓變壓器提供給所有電動(dòng)汽車的電能為

i,k=dk（5）

式中：dk為k時(shí)刻電網(wǎng)提供給n個(gè)電動(dòng)汽車的電能。

從電動(dòng)汽車用戶的角度，每個(gè)用戶都希望將自身的充電成本降到。因此，在分布式電網(wǎng)中插電式混合動(dòng)力汽車協(xié)調(diào)充電問題可表示為如下帶約束條件的優(yōu)化問題

在下一節(jié)中本文將給出相應(yīng)充電控制策略，來解決式（6）所描述的電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)充電問題。

圖2一種基于LVTs和插電式混合動(dòng)力汽車之間相互作用控制方案

2.1第一階段優(yōu)化

為了能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)低壓變壓器的負(fù)載曲線“削峰填谷”目的，低壓變壓器控制器基于用戶的非電動(dòng)汽車負(fù)載來規(guī)劃提供給電動(dòng)汽車充電的電能。令dkj表示在時(shí)刻kj變壓器提供給n臺電動(dòng)汽車充電的電能，qi(k)表示電動(dòng)汽車用戶i的非電動(dòng)汽車負(fù)載所消耗的功率（如熱水器、電吹風(fēng)、空調(diào)等），第一階段的目標(biāo)是通過規(guī)劃給電動(dòng)汽車充電的電能盡可能使得低壓變壓器側(cè)總負(fù)荷曲線（即電動(dòng)汽車負(fù)荷與非電動(dòng)汽車負(fù)荷之和）最平。通過對某居民用電區(qū)域統(tǒng)計(jì)其負(fù)載變化規(guī)律，本文假設(shè)某個(gè)家庭中的非電動(dòng)汽車負(fù)載對用戶i來講是已知的。第一階段低壓變壓器控制器基于需求側(cè)管理負(fù)荷曲線波動(dòng)最小問題可以描述為

式中：目標(biāo)函數(shù)f(d)為各個(gè)時(shí)刻負(fù)荷曲線的波動(dòng)變化之和，當(dāng)且僅當(dāng)f(d)=0時(shí)，總體的功率曲線和理想的功率曲線保持一致，即負(fù)載曲線實(shí)現(xiàn)了削峰填谷；dkj為優(yōu)化變量，表示在時(shí)刻kj變壓器提供給n臺電動(dòng)汽車充電的電能，kj=k0,k1,…,kN-1為電動(dòng)汽車的優(yōu)化時(shí)刻；qi(k)為電動(dòng)汽車用戶i的非電動(dòng)汽車負(fù)載所消耗的功率；i為電動(dòng)汽車i的最大

充電功率；η為期望的負(fù)載功率曲線，計(jì)算公式為

（1）算法1基于LVT需求側(cè)管理調(diào)度算法輸入：bi,qi(k),i=1,2,…n,k=k0,k1,…,kN-1輸出：dkj,kJ=k0,k1,…,kN-1

Step1.PHEVi向LVT發(fā)送用戶的充電需求bi以及其他非電動(dòng)汽車的負(fù)載qi(k)，i=1,2,…n,k=k0,k1,…,kN-1。

Step2.LVT計(jì)算k時(shí)刻總體非電動(dòng)汽車負(fù)載

Step3.LVT計(jì)算理想的負(fù)載功率曲線

Step4.利用MATLAB的MLPP工具箱求解問題（7）。

Step5.LVT將獲得的需求側(cè)管理調(diào)度結(jié)果發(fā)送給所有的電動(dòng)汽車用戶。

2.2第二階段優(yōu)化

。

3仿真研究

為了驗(yàn)證本文提出的智能電網(wǎng)中電動(dòng)汽車雙層充電策略的有效性，以某小區(qū)內(nèi)分布式電網(wǎng)中小規(guī)模的電動(dòng)汽車滲透為背景?？紤]到電動(dòng)汽車充電時(shí)的充電功率對小區(qū)內(nèi)變壓器峰值的影響若電動(dòng)汽車數(shù)目過少則導(dǎo)致負(fù)荷波動(dòng)幅度過小，起不到普適性的研究目的。同時(shí)，根據(jù)對不同汽車數(shù)量樣本的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，一般電動(dòng)汽車充電個(gè)數(shù)達(dá)到4個(gè)后，就會對峰值產(chǎn)生顯著影響，并且后續(xù)隨著汽車數(shù)量增多，仿真結(jié)論均趨于一致。因此本文考慮小區(qū)內(nèi)具有普適性的電動(dòng)汽車充電場景，以4個(gè)電動(dòng)汽車用戶充電為例進(jìn)行仿真研究。

電動(dòng)汽車參數(shù)如表1所示。電動(dòng)汽車充電的時(shí)間為18:00至次日6:00，共12h，每個(gè)小時(shí)采樣14個(gè)點(diǎn)，一共有168個(gè)采樣點(diǎn)。本文通過以最大功率充電的方式進(jìn)行對比，從而突出本文的算法有效性。

表1仿真中的電動(dòng)汽車參數(shù)設(shè)置

隨著通信技術(shù)和測量技術(shù)在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，假設(shè)在局域網(wǎng)中電動(dòng)汽車用戶之間的拓?fù)溥B接方式如圖3所示。另外，以最大功率充電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為全聯(lián)通方式。

圖3仿真中強(qiáng)連通電動(dòng)汽車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在本仿真研究中，所有電動(dòng)汽車的開始充電時(shí)間為18:00，結(jié)束時(shí)間為次日6:00。采樣周期14samples/h。因此整個(gè)電動(dòng)汽車優(yōu)化運(yùn)行共有168個(gè)采樣時(shí)刻，本文等間隔地將其分為4組，每組21個(gè)采樣時(shí)刻。在每個(gè)時(shí)刻，與每個(gè)電動(dòng)汽車關(guān)聯(lián)的成本函數(shù)均采用二次型凸函數(shù)形式。算法2中的正參數(shù)ε=0.2。

圖4算法1的電動(dòng)汽車充電功率曲線

圖5以最大功率充電的負(fù)荷曲線

圖6不協(xié)調(diào)充電時(shí)電動(dòng)汽車充電的功率分配

圖7不協(xié)調(diào)充電和協(xié)調(diào)充電電動(dòng)汽車充電的功率曲線

圖8電動(dòng)汽車用戶每日充電成本柱形圖

仿真結(jié)果如圖4—圖8所示。圖4為通過算法1低壓變壓器的負(fù)載功率曲線。綠色實(shí)線表示總的非電動(dòng)汽車負(fù)載。從圖4可以看出，當(dāng)電動(dòng)汽車的運(yùn)行周期被分割的時(shí)間區(qū)間個(gè)數(shù)趨向于無窮時(shí)，總功率曲線將與期望的負(fù)載曲線保持一致，達(dá)到完整的“削峰填谷”效果。

圖5和圖6分別為電動(dòng)汽車在協(xié)調(diào)充電策略和不協(xié)調(diào)充電策略下的仿真結(jié)果。不協(xié)調(diào)充電策略是指電動(dòng)汽車以最大功率進(jìn)行充電直到達(dá)到用戶的充電需求。通過圖5和圖6的對比可以看出，電動(dòng)汽車的協(xié)調(diào)充電策略可以極大的減小電動(dòng)汽車的充電峰值負(fù)荷，從而可以進(jìn)一步減小對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。圖7表示分別在協(xié)調(diào)充電和非協(xié)調(diào)充電情況下總體的功率曲線變化。

從圖7可以看出，不協(xié)調(diào)充電策略的總功率最大值為42kW，相對于期望的功率曲線20kW造成了110%的過載，而協(xié)調(diào)充電策略波動(dòng)至25kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非協(xié)調(diào)充電策略，驗(yàn)證了本文提出的算法通過控制電動(dòng)汽車的充電功率和充電時(shí)間使總功率曲線波動(dòng)明顯減小。圖8表示在協(xié)調(diào)充電和非協(xié)調(diào)充電情況下用戶的成本柱形圖。

從圖8可以看出，協(xié)調(diào)充電策略不僅僅可以減小全體的電動(dòng)汽車用戶充電成本，同時(shí)可以大大減少每個(gè)電動(dòng)汽車用戶的充電成本，從而可以鼓勵(lì)用戶參與到電網(wǎng)的“削峰填谷”協(xié)調(diào)充電調(diào)度策略中去。

通過對電動(dòng)汽車的充電策略進(jìn)行規(guī)劃，使用充電策略來完成電動(dòng)汽車的充電，用電能來替代傳統(tǒng)的化學(xué)能源，有利于減緩傳統(tǒng)能源的消耗速度。進(jìn)一步，通過大規(guī)模利用電動(dòng)汽車來取代傳統(tǒng)的油車，減少污染物的排放，從而減小環(huán)境污染。本文的首要目標(biāo)是通過使得電網(wǎng)曲線波動(dòng)最小，峰谷差最小，從而避免因峰值過高引起跳閘甚至大面積停電。

4安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)選型方案

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)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(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。

4.2應(yīng)用場所

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)。

4.3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。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。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)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(shí)長、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。

4.4.2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。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(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。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(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)場問題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺，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。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(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。4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(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

4.4.8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。

4.5系統(tǒng)硬件配置

參考文獻(xiàn):

[1]范子愷，俞豪君，朱俊澎，等.電力高峰時(shí)段電動(dòng)汽車負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度［J］.電力需求側(cè)管理，2014，16（5）：3-9.

[2]吳奇珂，陳昕儒，姜寧，等.峰谷電價(jià)背景下考慮電動(dòng)汽車用戶行為的配網(wǎng)規(guī)劃研究［J］.電力需求側(cè)管理，

[3]蒯圣宇，田佳，臺德群，等.計(jì)及分布式能源與電動(dòng)汽車接入的空間負(fù)荷預(yù)測［J］.電力需求側(cè)管理，2019，21（1）：47-51.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05版

[5]白云霄，劉思捷，錢峰，劉俊磊，鮑威.智能電網(wǎng)中電動(dòng)汽車雙層充電策略