基于逐级电网安全的电动汽车有序用电策略和系统框架

李 晶

承德市质量技术监督检验所 河北 承德 067000

引言

目前,我国已将推广电动汽车列入了战略新兴产业的高度,作为全球电动汽车市场中增长率和保有量最大的国家,截至2018年底,我国电动汽车的增长率达到了70%,保有量达到了211万辆。根据相关新闻资料预测,预计到2030年,我国的电动汽车保有量将达到1 亿辆,充电功率将达到1000GW,相当于目前国内所有煤电装机的总和。其中,预计北京市在2035年,电动汽车规模将达到247万辆,最大充电功率达到9GW,如此巨大规模的负荷接入电网,将进一步增大电网负荷曲线的峰谷差,对电力系统带来巨大的冲击,如果继续以现有电网规划原则接入电动汽车负荷,电源和电网侧的基建投资和规模将十分庞大,考虑到我国能源资源储备有限,大气环境污染压力突出,新建相同规模的电源对我国现状发展情况来看,是十分不现实的,因此,需要提高电力系统中电源侧和电网侧的设备运行效率,增强电力系统运行的经济性,对电网负荷曲线进行“削峰填谷”。在我国电力市场建设还不完善的情况下,当前所采取的需求侧管理手段通常采用以政府行政手段为主、经济手段为辅的方式,安排对电力大用户、高耗能企业等在用电高峰季节和日高峰时段进行设备检修或错峰生产。2018年河北南部电网在夏季负荷高峰期间以上述方式对用户进行限电,最大限电负荷达到了5.12GW,根据调研相关限电经济损失资料,预计经济损失可达11.1亿元人民币。因此,对于一些可中断、可调节特性的负荷如电动汽车负荷等,临时的降低或停止供电功率不会造成较大的经济损失,可作为理想的需求侧管理的目标负荷。随着国家电网有限公司对泛在电力物联网的建设,电网具备对电动汽车负荷的实时感知和控制能力,同时也具备了对电网设备运行数据的全面共享的能力,对接入电网中的电动汽车采取有序用电奠定了基础。

1 电动汽车的充电模式

1.1 常规充电 常规充电也被称为慢速充电。这种充电方式通过较小的充电电流对电动汽车进行能量补充,并且充电过程中对电网的冲击性比较小,不过缺点是充电功率较小,相应的充电时间也较长,因此比较适用于停车时间较久的电动汽车用户。常见的如小区充电桩、办公.区充电桩以及人群集聚量较大的场合。

1.2 电动汽车用户的出行规律 私用车适用人群大部分是对于上班族以及上学的学生,私用车每天的行程分布规律比较明显,由于私家车往往分布于小区或者办公区。于用户的上下班时间一般比较固定,所以私家车的充电习惯以及离开充电站的时间也会遵循一定的规律,所以采用私家车模拟充电负荷对电网的影响客观上有很大的合理性与可行性。通过调研北京市各类充电桩的服务情况,归纳充电桩的充电服务边界为：充电桩按类型分为私人桩和公共桩两大类,考虑充电桩建设进度满足电动汽车的充电需求。私人桩根据2017年数据,北京市12万辆私家车,建设了8.33万个私人充电桩,受老旧小区和停车位等问题的影响,私人桩建设比例约为70%。预计2035年私人建桩比例达到80%。私人充电桩充电功率主要约为7kW。2035年每次平均充电80kWh,充电桩利用率50%(有效充电时间12h/d),每天每桩服务车辆为1车次。按照有私人充电的桩私家车(公务车)用户70%的电能补给需求由自有充电桩满足,30%由公共网络满足,无固定私人桩的私家车(公务车)用户100%的电能补给由公共网络满足。

2 电动汽车有序用电策略和系统框架

2.1 有序用电策略 通过上述有序用电目标优化数学模型,计算得到的各时段的充电负荷曲线,可平均分摊至所有充电桩侧,也可通过与用户签订协议远程关断部分充电桩充电功能来实现,考虑电网运行过程中的实际情况,根据上述模型建立相关的综合策略流程。在日前计划策略中,首先对电网整体负荷曲线、逐级设备负荷曲线和电动汽车充电负荷曲线进行日前预测,通过预测结果建立有序用电模型信息库,对电网整体负荷曲线和考虑电网逐级设备安全进行目标优化计算,计算出电网中电动汽车的日前用电计划。在日中实施策略中,电网执行日前用电计划,并实时监测电网设备负荷和充电桩负荷数据,由下至上对逐级电网设备进行校核,如发现电网设备越限,切换至日中实时策略,立即在既有充电计划基础上进行越限紧急控制,通过更新约束条件,以消除电网设备越限进行实时控制,重新进行电网整体负荷曲线和电网逐级设备的目标优化计算,如发现设备仍越限,向调度运行平台发出方式调整命令,如无相应方式调整措施或调整措施无效,发出设备风险预警。

2.2 有序用电系统框架 电动汽车负荷参与有序用电的前提是国家电网有限公司的泛在电力物联网的全面建成,泛在电力物联网中,国网云平台具备根据历史数据的建模进行短期预测未来负荷曲线的能力,在电网台区配变侧至500k V主变侧均具备边缘计算能力,可实时接收逐级变压器的负荷曲线数据,充电桩侧加装一些传感器和能量路由器,具备实时监控充电负荷曲线、多方向功率调节能力,用户通过手机端可与充电桩侧针对是否参与有序用电、预计用车时间以及预期充电的SOC值等内容进行交互,交互信息可作为目标优化计算过程中的新约束条件。通过将电网整体和电网逐级设备负载曲线信息采集至数据中台存储和共享,将数据推送至电网云平台侧进行负荷曲线的预测,通过对电网整体负荷曲线和考虑电网逐级设备安全的有序用电模型信息库的搭建,进行日前有序用电计划的制定,将计算结果发送至逐级电网设备中的边缘代理侧,作为边缘代理侧进行日中实时策略计算的初始条件,由边缘代理侧进行针对具体设备的目标优化的实时计算,达到保障设备运行安全和经济的目的。

结语

本文未着重考虑电动汽车用户或电动汽车聚合商在此工作中的影响因素,在今后的研究中还应全面考量多种利益相关方的影响,以推进需求侧响应市场的建立和完善。