基于多重约束的电动汽车充电服务调度研究与实现

牛文东，张远镇

（1.国网技术学院，山东 济南 250002；2.国网淄博供电公司，山东 淄博 255000）

0 引言

随着电动汽车及动力电池技术的不断进步，特别是在节能减排的双重压力和各级政府的大力支持下，作为解决能源安全、环境污染和全球气候变暖的一种有效途径，电动汽车在汽车市场的占有份额不断增大，数量越来越多。然而，大量电动汽车的无序充电，会引起电网、充电服务网络管理的混乱和充电客户不满。破解多重约束，有效解决由此引起的电动汽车在充电时间、空间和需求的结构性供求失衡，是一项迫切的任务。

1 目前存在的问题

无论电网负荷管理，还是充电服务，都需要在时间和空间上实现实时平衡，但充电的盲目和无序会带来许多问题。

1）影响电网的安全经济调度。由于充电需求的随机性，无序的充电行为，会对电网造成很大的尖峰负荷叠加，影响电网安全运行。而在电网的低谷阶段，大量负荷无法有效利用，形成弃风、弃光、弃水，增大电网峰谷差，影响电网经济调度。

2）影响配电网资源的有效利用。无序的充电行为，需要电网在所有的地域分布上都有很大的裕度方可满足，否则，就会出现在时间、空间上的充电拥塞或闲置。

3）影响充电服务网络资源的有效利用。无序的充电行为，需要充电服务网络在所有的地域分布上都有很大的裕度方可满足，否则，就会出现有的充电处拥塞，有的充电处空闲，设备得不到有效合理的利用。

4）影响充电客户的满意度。充电客户有距离、价格、充电速度等方面的选择性要求，缺乏充电服务调度，极易造成电动汽车使用者的不便和抱怨。

2 电动汽车充电服务研究与实现

要解决以上问题，引导客户尽可能利用低谷电为电动汽车充电，减小负荷峰谷差，提升电网及充电服务网络的利用率，满足客户充电需求，就必须加大对充电服务调度的研究。

2.1 消除或减少电动汽车充电对电网的影响

1）分层智能服务调度。随着高级计量体系（Advanced metering infrastructure，AMI）和智能电网通信技术的软硬件的发展，通过协调充电或智能充电，可以实现解决充电对电网的影响。如果调度机构通过平台直接对接入的每台电动汽车统一调度，进行有序控制，将存在规模庞大，变量维数激增，收敛困难的问题。借鉴Di Wu等人提出的双层调度模型理念［1］，引入互联网+、大数据、云计算等理念和工具，通过中间管理者统一平台上、分区接入、分层调度、个别服务，可应对电动汽车规模化后直接调度充电者的困难，对电网的峰谷负荷控制和安全运行形成正向引导。

2）利用分时电价引导分时充电。国家发展改革委发改价格［2014］1668号文明确规定：电动汽车充换电设施用电执行峰谷分时电价政策。适应不同客户不同的充电需求，引导价格敏感客户利用电网低谷时段充电。依据对时段分时电价或者浮动电价调控，并考虑电动汽车的行驶规律，对充电行为进行时段控制的策略［2］，是一种符合政策、易行、有效地调控措施，并可解决配电网、充电服务网络利用效率问题。

2.2 对电动汽车充电网络监控管理

1）采用互联网+技术构建电动汽车充电网络监控管理平台。目前的智能充电系统必须具备的功能包括：电流、电压、时间和电量等参数的监测、计量和显示，智能化的人机交互和消费应用功能。可考虑采用嵌入式技术，利用微处理器和操作系统搭建系统的软硬件平台，利用现有的无线传感网络技术，构建了监控管理系统的无线监测网络。并在此基础上扩展射频识别设备和多种传感器，采集充电现场的充电桩状态信息和充电过程信息，实现对充电桩的状态监控和充电过程控制［3］。结合当前通信技术、数据采集技术、GIS技术、Web技术，建设电动汽车充电服务网络运营管理系统。

2）优化操作系统提升客户感知度。基于充电桩提供充电服务的流程，根据中央处理器卡上中文操作系统规范化要求设计卡上文件系统、安全体系、文件存储信息，完成中央处理器卡的应用初始化。在微处理器主控板与串口连接的读卡器硬件架构上，完成建立串口连接、与中央处理器卡操作系统的通信、文件信息读取与写入、异常情况处理等应用程序的设计，并通过移植加入到主控程序循环中。针对用户的开卡、充值、消费／充值记录查询等服务需求，开发了图形界面的用户信息管理系统，并实现与读卡器通信、与中文操作系统的命令交互、异常情况处理以及系统自身的维护等功能［4］。设置可下载的APP终端，供客户在距离优先、价格优先、快充优先等方面的菜单中充分选择［5］，提升充电客户感知和满意度。

3）电网、充电服务网络和充电者信息接入，动态链接。电网和充电服务网络都有自己的调度系统，实现自身参数的优化和平衡。通过中间充电服务调度商的介入，可以将电网和充电服务网络通过动态链接的方式，在给充电者提供充电引导的同时，满足电网供需的实时平衡。如图1所示。

图1 电动汽车充电服务调度示意图

2.3 提前布局电网及充电服务网络规划

1）规划先行。按照到2020年形成满足500万辆电动汽车充电需求的充电服务网络要求的原则，地方政府应把充电设施及配套电网建设与改造纳入城市建设规划，因地制宜制定充电设施专项建设规划，在用地等方面给予政策支持，对建设运营给予必要补贴。电网企业根据需要配合做好电网特别是配电网规划及建设［6］。

2）政策配套是关键。鼓励具备条件的政府机关、公共机构、企事业等单位及小区新建或改造停车场，结合电动汽车配备更新计划，充分考虑百姓购买新能源汽车的需要，按照适度超前的原则，规划设置电动汽车专用停车位、配建充电桩。按照发改委发布的《电动汽车充电基础设施发展指南》（2015-2020年），到2020年新增集中式充换电站超过1.2万座，分散式充电桩超过480万个。进一步放宽市场准入，鼓励和支持社会资本进入新能源汽车充电设施建设和运营、整车租赁、电池租赁和回收等服务领域［7－8］。

3 基于多重约束的电动汽车充电服务应用效果

截至目前，高级计量体系和智能电网通信技术得到联合初步应用，加上互联网+技术构建电动汽车充电网络监控管理平台的投用，同时鼓励具备条件的新建小区规划设置电动汽车专用停车位、配建充电桩。通过以上措施，在化解电网负荷实时平衡、安全经济调度和充电服务网络高效利用、充电客户满意率高的多重约束的同时，使有限的电网功率和充电资源既能满足电动汽车充电的多样化服务需求，又能对充电站内所有电动汽车动力电池的充放电时序进行智能管理和控制，实现了区域电网的削峰填谷，降低了充电站的购电成本，并实现了电动汽车充电站运营效益最大化。