電動汽車充電對電網安全風險影響及管控措施研究

王軍亮，李永，李建設，陳麒宇

（1．國家電網公司，北京市 西城區 100031；2．上海久隆企業管理咨詢有限公司，上海市 長寧區 200040；3．上海景洪信息科技有限公司，上海市 楊浦區 200092；4．中國電力科學研究院有限公司，北京市 海淀區 100192）

0 引言

發展高效、清潔的電動汽車，可以有效緩解大氣污染和石油燃料的緊缺。我國已將電動汽車列入戰略性新興產業加以重點扶持。“十二五”期間，我國電動汽車面向“純電驅動”實施汽車產業技術轉型戰略，加快發展“純電驅動”電動汽車產品，通過發展純電動汽車和燃料電池汽車，大幅度降低污染物和溫室氣體排放[1-2]。2013年以來，國家政策激勵和補貼力度加大，補貼試點范圍由點擴展到面，并對示范城市在累計推廣量和配套設施方面提出了更具體的要求，成為我國電動汽車市場快速發展的催化劑。

國外相關研究[3-4]表明，電動汽車可以看作為一個個分布式電源，也可支持大規模可再生能源接入電網，還可進行頻率調節。而電動汽車作為分布式微儲能單元接入電力網絡后，配網將由一個放射狀網絡變為一個分布式可控微儲能和用戶互聯的復雜網絡，其運行特性會發生改變[5]。

電動汽車隨機性、間歇性的充電行為對電網負荷帶來影響，其大規模接入電網充電，將對電力系統的運行與規劃產生挑戰。而電動汽車接入電網不僅可以充電還可以放電，在滿足行駛需求的前提下將多余電能回饋給電網。電動汽車大規模集中放電，使得配電網有傳統的單點電源放射狀向多電源電網轉變，這一轉變也會給電網的運行檢修帶來安全風險。本文通過仿真方法分析出電動汽車接入對配網的影響，并使用美國反虛假財務報告委員會下屬的發起人委員會(the committee of sponsoring organizations，COSO)提出的企業風險管理整合框架(the committee of sponsoring organizations-enterprise risk management，COSO-ERM)對安全風險影響進行評估，最后制定出安全風險管控措施。

1 電動汽車充電負荷對電網的影響因素

1）充電時間。電動汽車充電時間越集中，電網需提供的充電功率越大。不同的充電時間對電網的影響不同，如果在峰荷時間進行充電將加重電網負擔，在非峰荷時間進行充電將減小充電對電網的沖擊[6]。

2）電池特性。電動汽車所使用的蓄電池不同，其充電特性也將會有一定的差異。通過對比鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池的充電特性，鋰離子電池的綜合特性最好[7-8]。不同的電池類型、電池容量和荷電狀態等電池特性，充電時會對電網造成不同的影響。

3）電動汽車充電模式。電動汽車充電模式可以分為慢充、快充和換電 3種模式[9]。慢充充電效率較高，對電網沖擊小，但大規模無序充電也會對電網運行造成較大影響。快充充電時間短，但充電電流大、充電效率低，會給電網帶來較大的沖擊。換電池模式快速便捷，便于集中管理，可以實現有序充電，發揮削峰填谷的作用。

4）電動汽車類型。按使用類型分類，電動汽車主要包括公交車、私家車、公務車和出租車、貨運車及工程車，本文主要針對電動客運汽車進行研究。公交車具有較為固定的行駛路線和行駛時間，采用慢充和換電方式。出租車行駛范圍和行駛時間較為確定，采用快充和換電方式。公務車常采用慢充方式。私家車擁有較長的停車時間，可采用慢充和換電方式。電動汽車不同的行駛特性必定會導致不同的充電負荷需求。

5）電動汽車的普及程度。電動汽車數量較少時對電網的影響非常小，而當電動汽車規模較大時，其對電網的影響不可小覷。電動汽車普及率越高，所需的充電站和充電機裝機容量就越高。

2 電動汽車接入對電網運行的安全風險影響合成分析

識別影響電動汽車充電負荷的因素，運用蒙特卡洛模擬方法，針對電動汽車接入對電網的安全風險影響進行合成分析，其中包括充電和放電兩方面的影響。

2.1 電動汽車充電負荷對配網的影響

為分析電動汽車分散充電對配網的影響，對上海某地一典型10 kV配電站的一條配電線路進行分析。選取配電饋線的開環線路進行仿真，其網絡拓撲結構、線路阻抗參數和節點編號見圖1。

圖1 配電網絡結構及參數Fig. 1 Structure and parameters of distribution network

1）對變壓器容量的影響。

為分析居民負荷區域內電動汽車的接入量，本項目分別通過對有階梯電價和無階梯電價情況下的電動汽車充電規律進行仿真分析。對電動汽車充電產生影響的用戶行為主要包括用戶出行開始和返回的時間，日行駛里程等。

返回時刻，即用戶接入到充電站內進行充電的起始時刻，滿足正態分布，其概率密度函數為

第一次出行時刻，即用戶從充電站取車的時刻，滿足正態分布，其概率密度函數為

式中：μe=8.92；e=3.24σ。

日行駛里程服從對數正態分布，其概率密度函數為

當民用負荷存在階梯電價，且考慮到車主的日常習慣，電動汽車的充電負荷具有圖 2(a)所示的充電規律。無階梯電價情況下，電動汽車充電起止時間和日行駛里程的統計規律滿足式(1)—(3)的分布規律，其負荷曲線如圖2(b)所示。

圖2 電動汽車充電隨時間分布規律Fig. 2 Distribution regular of electric vehicle charging with time

以線路末端配電變壓器的滿載運行及短時超負荷運行規律為約束，分析該區域下的可接入電動汽車容量，2種電價約束規律下的仿真結果如圖3所示。其中，單臺電動汽車以單相充電的方式接入電網，其充電電流為16 A、功率為3.3 kW。從圖3可以看到，隨著電動汽車在配電網中的接入量不斷增加，配電負荷也隨之增加。無論是否采用電價刺激，負荷容量均隨著電動汽車數量的增加呈線性增長，且在無分時電價時的增長速度小于有分時電價。電動汽車在配電網中的接入量要受配電網容量的限制，否則存在超出配電容量的風險。

圖3 不同電價模式下的電動汽車接入結果Fig. 3 Effect of electric vehicle scale under different electricity price modes

2）對負荷峰谷差的影響。

選定典型40 Ah的電動汽車作為代表，同時考慮有無階梯電價的2種充電模式，對配電饋線末端的配電變壓器下的負荷進行仿真分析，結果如圖4所示。

由圖4(a)、(b)、(c)可知，在上述2種電價模式下，電動汽車在配電網中的接入均會加大電網的峰谷差，還會使負荷峰值發生偏移。不同負荷情況下的峰谷差表明，當電動汽車的負荷在整體負荷的比例提高時，其負荷曲線將形成時間上的偏移，尤其是當電動汽車的接入容量到達常規負荷的50%時，2種電價模式下的曲線都將主要受電動汽車充電規律的影響。圖4(d)說明電動汽車的峰谷差值隨著電動汽車數量的增加而增長，且無分時電價的增長速度小于存在有分時電價的情況。考慮峰谷差和負荷波動約束，可避免大量電動汽車集中充電而產生新的負荷高峰[10]。

圖4 電動汽車負荷峰谷差的影響Fig. 4 Effect of electric vehicle on peak-to-valley difference

3）對電壓運營水平的影響。

正常運行情況下，電網的有功功率充足，系統電壓均維持在規定范圍內。通過對電動汽車接入點進行仿真分析，在電網功率充足的情況下，電動汽車的接入對就近供電點的電壓會產生一定的影響，而對同一配電線下的其他負荷基本無影響，電動汽車接入點的電壓能基本維持在規定范圍內。緊急情況下，電網的整體功率水平較低，配電網為提高電網穩定性而降低配電網電壓水平，10 kV母線電壓的標幺值為1(便于分析，電壓用標幺值表示)。該情況下，電動汽車接至線路末端的仿真結果如圖5所示。

圖5 緊急情況下電動汽車對電壓的影響Fig. 5 Effect of electric vehicle on voltage in emergency

由圖5可知，緊急情況下，配電網的整體電壓均表現為較低的狀態。在電動汽車接入配電末端節點時，無分時電價模式下電動汽車充電可能造成就地負荷的短時電壓降超標，而有分時電壓模式下的充電則會使得就地負荷在負荷高峰時段電壓降長時間超標，影響設備的運行安全及負荷的供電可靠性。無論電網運行在何種情況下，隨著電動汽車數量的不斷增加，電動汽車接入點負荷產生的電壓降也隨之增大[11]，且在電網緊急情況下的影響較為明顯。

4）對負荷不平衡的影響。

通過模擬電動汽車充電行為、充電時間等行為習慣，對100輛電動汽車在線路末端節點的不平衡接入進行仿真分析，結果如圖6所示(充電樁平衡建設在三相之間)。由于電動汽車的充電功率較大，分散式電動汽車在電網中的接入可能會造成一定程度的影響。在不同電價模式下，無分時電價下的不平衡度影響較為明顯。通過對不同電動汽車規模對三相電流不平衡度的影響情況進行仿真，電動汽車按 5:3:2的比例接入，分析表明配電網的整體不平衡度隨著電動汽車的數目的增加而嚴重，而不平衡度的增加可能增大配電變壓器和線路上的電能損耗。

圖6 不同電價三相電流不平衡度的影響Fig. 6 Effect of different electricity price modes on the unbalance of three kinds of current

5）對短路故障的影響。

針對圖1所示的配電網進行單相短路仿真。設0.2 s時刻，配電網中電動汽車接入節點的變壓器低壓側發生A相短路，0.24 s時短路切除，有無電動汽車充電時的故障波形如圖7所示。從圖7可以看出電動汽車接入充電后，短路電流增大。而進一步的分析得知，無電動汽車充電時，A相電壓的有效值為 198 V，而電動汽車接入充電的有效值為 219 V，系統電壓近似額定，與短路電流增大的結論相符。

圖7 短路點電流Fig. 7 Short circuit current

由仿真得知，電動汽車充電會為不嚴重的短路提供一定的電壓支持，同時減少配電網側的短路電流，增加故障的保護切除時間，對電網的安全運行存在威脅，如配電線路將長時間工作在大電流狀態，電流過大會使導線發熱，增加線路損耗，同時會對用電設備造成沖擊。

2.2 電動汽車充電設備對配網的影響

以圖1所示配電網為例，對電動汽車高次諧波的影響進行仿真，電動汽車接至末端節點變壓器低壓側。為保證配電變壓器的功率因數，在變壓器低壓側配有電容補償裝置，其容量為400 kvar，假設電容補償具有 10檔投切開關，仿真結果如圖8所示。從圖8可看到系統在700 Hz附近存在諧振點。在電動汽車接入點處注入含 5%，680～700 Hz的諧波電流，再次進行仿真分析，發現變壓器低壓側的電壓和電流波形均發生畸變。

圖8 系統在電動汽車接入點處的等效正序阻抗幅頻特性Fig. 8 Equivalent positive sequence impedance of the amplitude frequency at the electric vehicle access point

電動汽車充電過程中的較高次諧波可能引起電網內的諧振，中高次諧波可引起配電網內的局部并聯諧振或串聯諧振[12-13]，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀，嚴重時還可能造成繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。

2.3 電動汽車充電設備分散放電對配網的影響

電動汽車放電的孤島效應是當主電網的部分線路因故障或維修需要斷開時，電動汽車通過放電繼續向周外的負載提供電能，構成一個不受電網控制的自給供電孤島的現象。通過仿真可以分析出形成孤島效應的不同情形。孤島效應一旦發生，就會使得孤島區域內的線路帶電，檢修時如果線路不接地，就會對檢修人員造成人身安全，降低電網的安全性[14]。而且孤島效應對合閘也存在影響，若供電區域與外界斷開連接后形成孤島，在恢復供電時，斷路器兩端沒有達到同期合閘的條件，就會產生很大的沖擊電流，損害電網設備，甚至造成電網重新跳閘。

3 電動汽車充換電設施的安全風險識別評估及管控措施

3.1 電動汽車充換電設施的安全風險識別評估

結合文獻研究、實地調研和仿真模擬分析，采用 COSO-ERM 框架對電動汽車充換電設施規劃、建設、運維過程的主要風險進行識別、評估和制定應對措施。

1）安全風險識別。

對多種影響因素下電動汽車大規模無序充電對配電網合成影響進行仿真建模分析，識別電動汽車充換電設施規劃、建設和運維過程中的各類風險。主要風險類別包括：電網安全、人身安全、設備安全、規劃計劃、工程建設、運維檢修、信息安全等風險。

2）安全風險評估。

建立風險分析評估模型，進行安全風險評估。風險分析評估分為3個步驟進行：設定評估標準、單項風險評分、風險重要性排序。設定出評估標準，量化每項風險的可能性及損失度，從而對每一項風險進行評估。將風險進行單項評分，為風險重要性排序提供依據。匯總所有風險，根據風險影響得分集中度的正態分布，形成重大以及一般風險分級排序。

3）安全風險應對。

對識別出的重大風險，分析原因，從風險降低、轉移、保留或回避制定應對策略。以風險應對策略為目標，分別從組織機制、管理流程和資源配置等方面制定風險應對措施。

3.2 電動汽車充換電設施的安全風險管控方案

以 COSO-ERM 全面風險管理框架為指導，識別、分析、評估電動汽車充換電設施規劃、建設和運維過程中的安全風險，并針對這些危險，制定出相應的電動汽車充換電設施管控方案。

1）規劃過程安全風險管控。

電動汽車充電設施規劃應堅持以“形式上融合發展、時序上遠近統一、空間上科學合理”為原則[15]。在規劃原則指導下，制訂電動汽車充換電設施的發展策略。合理預測電動汽車未來的規模，科學制定發展規劃。通過分析電動汽車充換電設施規劃的關鍵因素，編制充電設施規劃的安全管控流程。

2）建設過程安全風險管控。

電動汽車充換電設施建設應堅持“統一標準、統一管控、統一驗收”的管控原則。設施設計、施工和竣工驗收、項目外包等過程，應嚴格遵循國家電網基建標準化相關規定進行，同時嚴格執行充換電設施相關標準規范。建設階段安全風險管控應重點推動電動汽車充換電相關標準的完善、統一和強制執行。

3）運維過程安全風險管控。

運維階段的安全風險管控主要應是制度完善、有序用電、用電監控。應逐步建立并完善充換電設備操作、巡視、檢修、事故處理及應急搶修等標準及安全管理規范。還可以構建電動汽車群智能有序充電系統，加強用電安全異常監控，以最大程度降低大規模電動汽車無序接入對電網的影響。

4）自建自管安全風險管控。

在自建自管電動汽車充換電設施建設方面，對參與建設的民營企業的資質、建設技術規范、建設流程等按照國家相關規定及標準進行規范。在自建自管充換電設施運營方面，應對施運營企業資質、職責分工、安全操作和運營監控進行規范，以保證充換電設施安全運營，降低電網安全風險。

4 結論

電動汽車充換電設施的快速發展對電網的安全運營提出了新的挑戰。本文通過仿真分析了電動汽車的接入對配網的影響。電動汽車大規模接入會使電網負荷容量和峰谷差增加，負荷不平衡度變得嚴重，還會加大電動汽車接入點電壓降和短路電流和系統故障電流，而且電動汽車的充電過程存在諧波污染，放電過程存在孤島效應，這些都威脅著電網的安全運行。需要對存在的安全風險進行識別評估，制定應對策略和相應的管控措施來保證電網的安全穩定運行。