電動汽車充換電樁負(fù)荷互動式控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李貞陽，田利坤，索明貴，王家冕

（國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司，山東 日照 276800）

0 引言

在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動下，2022 年，全國電動汽車保有量達(dá)1 310 萬輛，占汽車總量的4.10%，且呈高速增長態(tài)勢。受峰谷分時電價(jià)影響，絕大多數(shù)電動汽車車主選擇在夜間集中充電，造成夜間配電變壓器過載和三相不平衡，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行[1]。

針對電動汽車集中充電對配網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成的影響，許多學(xué)者對電動汽車充電策略進(jìn)行了研究，但尚未解決以下問題：（1）缺少實(shí)現(xiàn)充電樁智能開關(guān)和變壓器出線開關(guān)一體化控制功能的設(shè)備；（2）缺少電動汽車車主和電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時響應(yīng)和高效互動的便攜工具；（3）缺乏滿足電動汽車車主和電網(wǎng)運(yùn)行利益的電價(jià)策略；（4）缺少電網(wǎng)運(yùn)行和電動車主的協(xié)同優(yōu)化決策平臺[2-3]。針對目前研究存在的問題，本文提出基于智能配變終端的充電負(fù)荷控制技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行工況的就地分析，解決充電樁精準(zhǔn)控制問題。研發(fā)基于客戶終端App 的網(wǎng)車互動軟件，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)車信息的雙向透明，解決車主和電網(wǎng)訴求無法實(shí)時共享的問題。提出適應(yīng)網(wǎng)車2級優(yōu)化的電價(jià)策略，實(shí)現(xiàn)了用戶對電網(wǎng)運(yùn)行訴求的快速響應(yīng)，解決負(fù)荷側(cè)響應(yīng)積極性差的問題。建立基于負(fù)荷互動系統(tǒng)主站的網(wǎng)車協(xié)同優(yōu)化決策平臺，實(shí)現(xiàn)控制策略的云端優(yōu)化，解決網(wǎng)車?yán)鎱f(xié)同的問題。發(fā)掘客戶側(cè)需求響應(yīng)潛力，解決電動汽車無序充電造成的電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題。

1 電動汽車充換電樁負(fù)荷互動式控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程

國網(wǎng)山東日照供電公司群創(chuàng)項(xiàng)目資金支持的電動汽車充換電樁負(fù)荷互動式控制系統(tǒng)，主要由智能配變終端、負(fù)荷互動系統(tǒng)主站、客戶終端及電價(jià)策略構(gòu)成，整體運(yùn)行流程如圖1 所示。負(fù)荷互動系統(tǒng)主站用于上層決策，系統(tǒng)的充電樁終端通過采集變壓器低壓總電流，結(jié)合變壓器容量判斷其當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)并上傳至互動系統(tǒng)主站。互動系統(tǒng)主站正常接受變壓器運(yùn)行狀態(tài)和用戶選擇的電價(jià)策略、用車計(jì)劃等，當(dāng)其有重過載風(fēng)險(xiǎn)或在用電高峰期時，互動系統(tǒng)主站下發(fā)給對應(yīng)客戶終端的緊急電價(jià)策略，用戶根據(jù)策略和自己的用車計(jì)劃選擇是否執(zhí)行，下發(fā)具體控制方案給充電樁控制開關(guān)，充電樁控制開關(guān)執(zhí)行相應(yīng)策略，分合閘相應(yīng)充電樁，實(shí)現(xiàn)電動汽車用戶的分時充電。變壓器運(yùn)行工況發(fā)生相應(yīng)改變，工況數(shù)據(jù)被采集，再次執(zhí)行上述過程。負(fù)荷互動系統(tǒng)主站同充電樁終端（供電服務(wù)指揮系統(tǒng)）經(jīng)過安全隔離后開展信息交互，以確保信息安全。

圖1 電動汽車充換電樁負(fù)荷互動式控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

本研究實(shí)現(xiàn)配電變壓器負(fù)載率和三相負(fù)載不平衡率的采集和計(jì)算，計(jì)算誤差小于5%；采集三相電流值（TA 二次電流0～5 A）；開發(fā)單相和三相充電樁錯峰充電控制算法，保證變壓器的負(fù)載率不超過80%，并且三相負(fù)載不平衡率小于15%；一旦超標(biāo)，就一臺一臺的分閘充電的開關(guān)；開發(fā)電動車每晚充電量需求互動技術(shù)，給出受控充電樁客戶電費(fèi)優(yōu)惠策略（以上級批復(fù)為準(zhǔn)），保證客戶停車充電期間的充電費(fèi)用最低；在App 或小程序中輸入第二天幾點(diǎn)開車、最小充電時間等信息；開發(fā)電動汽車充電開關(guān)的分合閘控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動分合閘。如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 電動汽車充換電樁負(fù)荷互動式控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 智能融合終端

選取已在變壓器廣泛安裝的智能融合終端作為充電樁終端，并以廣泛使用的供電服務(wù)指揮系統(tǒng)作為充電樁終端系統(tǒng)，避免設(shè)備購買和系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用。充電樁終端集配電變壓器電流采集、就地化分析決策、主站通信及第一開關(guān)控制充電樁終端接收，并執(zhí)行負(fù)荷互動系統(tǒng)主站命令和策略，用于對充電樁開關(guān)和配電變壓器低壓總開關(guān)進(jìn)行精準(zhǔn)停送電操作，如圖3 所示。通過有序充電控制，實(shí)現(xiàn)對充電樁智能開關(guān)的遠(yuǎn)程控制，協(xié)助用戶遠(yuǎn)程調(diào)控，將電動汽車充電負(fù)荷合理地引導(dǎo)到電網(wǎng)非負(fù)荷高峰時段充電，降低用戶的充電成本，引導(dǎo)用戶合理用能，有效提高電網(wǎng)對充電設(shè)施的承載能力。

圖3 電動汽車充換電樁負(fù)荷互動式控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 客戶終端

客戶終端安裝網(wǎng)車互動軟件，用戶在App 上填寫個人基本信息、車輛基本信息等進(jìn)行注冊，在App 上查看當(dāng)前變壓器可同時充電車數(shù)量、在充電車數(shù)量，掌握變壓器負(fù)載率。使用App 的二維碼掃描功能，掃描充電樁上的二維碼信息，獲取充電樁終端的信息并上傳主站，綁定此次充電的車輛。編制電動汽車計(jì)劃充電時間、計(jì)劃用車時間，選擇適合自己的電價(jià)策略，在選擇策略時可以參考?xì)v史用電電費(fèi)。在變壓器負(fù)載超過90%時，App 接受主站緊急電價(jià)策略并提示充電用戶做出選擇。在出現(xiàn)強(qiáng)制停電或故障停電時，也會給客戶提示當(dāng)前狀態(tài)。

2.3 電價(jià)策略

電價(jià)策略有4 種模式：（1）正常電價(jià)策略。充電電價(jià)為常數(shù)a，即客戶選擇此模式時，可在任何時間段充電；（2）波動電價(jià)策略。充電電價(jià)隨變壓器負(fù)荷變化而變化，電價(jià)b=mx+n，x為變壓器負(fù)荷，m、n均為電價(jià)常數(shù)，可根據(jù)供電企業(yè)策略而改變；（3）托管電價(jià)策略?？蛻暨x擇此充電方式即認(rèn)為在滿足計(jì)劃用車充滿電的前提下，完全接受供電公司負(fù)荷調(diào)度，自動將充電時間安排在低用電量時間段或低谷時間段，并享有更低的電價(jià)；（4）緊急電價(jià)策略。選擇非托管電價(jià)策略的客戶，在充電變壓器負(fù)載高于90%時，會啟動該電價(jià)策略，互動系統(tǒng)主站通過App 推送給用戶，給出更加低廉的充電電價(jià)和準(zhǔn)確的充電時段。引導(dǎo)用戶更改充電計(jì)劃，激勵客戶主動調(diào)整。此策略從用戶的角度思考，通過調(diào)整或改變其使用和購買電能的方式，可以獲得經(jīng)濟(jì)上的回報(bào)與好處，平衡電力供求關(guān)系。

3 應(yīng)用效果

依托論文成果，以國網(wǎng)日照供電公司已有的PMS2.0電網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)和圖模為基礎(chǔ)，以智能融合終端為核心，以各級分布式智能單元LTU 為支撐，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)集成配電臺區(qū)電氣設(shè)備，研制出配電臺區(qū)充電樁有序充電控制和優(yōu)化接入系統(tǒng)，并于2023 年1—9 月在公司2 144 個充電樁259 個充電樁臺區(qū)開展應(yīng)用，系統(tǒng)界面如圖4 所示。

圖4 負(fù)荷互動系統(tǒng)主站電動汽車充換電樁狀態(tài)信息

應(yīng)用以來，通過App 客戶與配網(wǎng)互動851 次，累計(jì)指導(dǎo)客戶接受主站優(yōu)惠政策并做出選擇595 次，客戶主動響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)需求805 次，有效降低了客戶用能成本，客戶平均充電電價(jià)為正常電價(jià)的22.5%，發(fā)掘了客戶側(cè)需求響應(yīng)潛力。應(yīng)用以來，配變重載預(yù)警732 臺次，其中，通過啟動緊急電價(jià)策略遙控充電樁開關(guān)斷開720 次，充電樁終端控制低壓母聯(lián)開關(guān)關(guān)合、配變并列12 次。配變輕載預(yù)警255 次，其中通過托管電價(jià)策略遙控充電樁開關(guān)關(guān)合240 次，充電樁終端通過控制出線開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)集中負(fù)荷15 次，動作正確率100%。全量充電樁配電變壓器負(fù)載率全部運(yùn)行于20%～70%的合理區(qū)間，有效保障了配變的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文研制了一種新型電動汽車充換電樁負(fù)荷互動式控制系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，該系統(tǒng)站在客戶和電網(wǎng)企業(yè)雙贏的角度，動態(tài)調(diào)整優(yōu)化充電樁充放電行為。該系統(tǒng)不額外購買其余設(shè)備，而是整合現(xiàn)有智能融合終端、供電服務(wù)指揮系統(tǒng)等現(xiàn)有資源，避免額外投資。指導(dǎo)客戶選取最優(yōu)充電策略，提高了電動汽車車主參與充電負(fù)荷響應(yīng)的積極性，且達(dá)到配變安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制的目標(biāo)，降低了客戶的充電成本。