基于5G与实时电价的电动汽车需求侧管理研究

丁叶强，姚学恒，陈向民，崔金栋，刘珊珊，姚海燕

（1.国网浙江杭州市余杭区供电公司，杭州311100；2.东北电力大学经济管理学院，吉林吉林132012；3.杭州市电力设计院有限公司余杭分公司，杭州310030）

0 引言

在化石能源日益枯竭的时代，电动汽车作为新能源产物，愈发受到世界各国政府的重视并给予政策上的支持。美国能源部为大力发展下一代纯电动汽车所需要的电池和原件，特设20亿美元的扶持资金并出台相关政策。德国目前的电动汽车保有量达到100 万辆，大幅度提高了德国城市的空气质量，同时也降低了德国对石油的依赖性。当前可见，国外混合动力汽车产业发展趋于成熟，纯电动汽车也陆续进入市场。我国电动汽车产业发展不及发达国家起步早，对新能源电池的研究也没有发达国家的成就大，但在国家政策的大力扶持和研究人员的钻研下，我国近几年在电动汽车方面进步飞快，发展势头极好。由于城市中电动汽车使用者增多，为了满足用户的充电需求，规范电动汽车的使用，国家相继出台了QC/T 841—2010《电动汽车传导式充电接口》、GB/T 29781—2013《电动汽车充电站通用要求》、QC/T 842—2010《电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议》和GB/T 19753—2013《轻型混合动力电动汽车能耗量试验方法》等标准，一些相关的补贴政策也陆续实施。但电动汽车充电电价无法满足充电站和使用者双方的需求，就此问题，国内外专家在电动汽车充电电价方面进行了大量的研究，Larry，Jason等［1-4］的研究内容可以概括为：电动汽车可视为可移动储能装置接入电网；电动汽车可作为可再生能源接入电网。

目前，越来越多的用户选择电动汽车作为出行工具，必将伴随着大量电动汽车充电行为，对电网的稳定性冲击较大，使得电网运行难度增加，峰荷时期电压不稳定。基于以上状况，如何有效降低电动汽车入网对电网稳定性的影响，如何使充电电价更为合理并通过电价来协调电网负担，是当前研究的重点。王晛等［5］以电动汽车价格接收者的角度参与了电力市场定价模型的建立，考虑如何使用电动汽车实时电价来对电力市场的电价起到削峰填谷的作用。董罡、吕金炳等［6-7］在明确了电动汽车充放电状况的不确定性对配电网电压质量的影响后，提出了充电桩与用户交互的自由有序的充电策略，以此来降低负荷峰谷差，提高电能质量，同时还对配电网电压质量进行优化并建立了电动汽车充电控制模型。闫志杰、唐小波等［8-9］在对电动汽车使用群体无序充放电使得电网峰谷时期更加明显等不良影响进行分析的基础上，建立了智能电网下电动汽车有序充电的经济调度模型，优化配电网资源配置，提高电动汽车充放电经济效益，使得配电网资源配置更加合理，提高了用户充电成本效益比。李刚等［10］基于电动汽车和电网双向互动机制对双方的需求响应进行分析，将电动汽车电池容量作为约束条件，建立了实时电价下电动汽车的理性充放电模型。王彪、邹文等［11-12］为了使电动汽车使用成本最小化和充电站利益最大化，提出对充电站的建设位置和充电桩的数量进行规划，为电动汽车用户提供最便捷的服务并保证充电站经营者的利润。

以上研究多以分时电价为基础，对电动汽车在峰谷时期的充放电模型进行优化。在5G时代，电网负荷状态以及电动汽车使用数据的获取更加便捷，以往难以及时准确掌握的用户充电数据、电动汽车电池特性、峰谷电价等都变得清晰可见，这也使得之前无法大范围推广的实时电价变得可行，笔者将对电动汽车所使用的电价计算方法进行探讨，在此基础上对5G时代电动汽车实时电价进行分析，阐述电动汽车使用实时电价进行计费的优势以及如何落实电动汽车实时电价。

1 实时电价对电动汽车需求侧的影响

1.1 电动汽车需求侧的影响因素分析

实时电价下电动汽车需求侧的影响因素有3个方面：电动汽车的电池种类、电动汽车使用者所选择的充电时间、不同电动汽车的充电特性。

（1）电动汽车的电池类型。电动汽车的电池类型是根据电动汽车的不同用途来区分的，如家用小轿车、大型运输车、公交车等。电动汽车用途不同，其电池充电电路和充电时长也不同。电动汽车的制造成本和充电性能很大一部分取决于电池的类型，小容量电池充电时间短、易更换，所以更易普及。

（2）电动汽车的充电时间。电动汽车使用者的用车习惯、空闲时间以及充电站优惠政策决定了电动汽车使用者选择何时对电动汽车进行充电。不同充电时段的电价水平不相同，如果在峰荷时段充电，电价较高，使用人数较多，充电费用较高；而在非峰荷时期充电，对电网的冲击较小，充电费用也会随之降低［13］。

（3）电动汽车的充电特性。汽车种类不同，接入电网所需的电压和电流不同［14］，充电特性亦不同，这就导致充电时间以及实时电价的收集工作较为繁复。笔者收集了不同类型电动汽车的用电信息，见表1。由表1可见，车型不同，其用电信息也无相似性。

表1 电动汽车类型及用电信息Tab.1 Power consumption information of different types of electric vehicles

5G 时代信息采集变得更加便捷，在这种情况下，实时电价对电动汽车需求侧的影响更加明显，不同类型的电动汽车产生的影响也不同。用电高峰时段的实时电价会比低谷时段低，其电能质量也会因使用人数过多而变得不稳定。以私家车为例，车主大多为上班族，大多会选择下班后的用电晚高峰时段充电，在实时电价的调控下，车主会主动避开电价较高的时段进行充电。

1.2 电动汽车充电方式及分时电价计量机制利弊

当前，电动汽车充电一般使用3种方式，分别是家庭自主充电、使用随车附赠的充电桩充电、去专门的充电站充电。这3种充电方式目前所使用的电价不同，有各自的利弊。

（1）家庭自主充电。越来越多的家庭选择电动汽车作为出行工具，大部分倾向于家庭自主充电，充电费用以民用电价计量。民用电的峰谷电价分别为0.6，0.4 元/（kW·h）。

（2）使用随车附赠的充电桩充电。电动汽车车主需要得到当地电力部门的许可后，才可由专业人员上门安装充电桩。这种充电桩一般使用交流电，不管安装在什么电力系统下都按特定的价格收费，既不算家庭用电，也不算商业用电，电价一般为0.6元/（kW·h）。以电池容量为50 kW·h 的电动汽车为例，一般充1次电需要花费34.2 元。

（3）去专门的充电站充电。这种快速充电桩一般采用直流电，是收费相对较高的充电方式，充电价格为1.6～1.8 元/（kW·h）。以一辆电池容量为50 kW·h 的电动汽车为例，一般充1 次电需要花费86.4～97.2 元。

按照当前国内的电价计量机制，电动汽车充电通常采用分时电价。分时电价是根据不同时间段的充电情况和电力系统供电成本差异制定的一种电价机制，其常见的制定标准有季节价格（春夏昼长夜短，秋冬昼短夜长）、水旱价格、峰谷价格等。根据电网负荷分布情况，将1 天、1 周、1 季度、1 年分为高峰时段、平均值时段、低谷时段等，在居民用电高峰时期对电价进行调增，用电低谷期对电价进行调减，以此来引导用户尽量避免在用电高峰期用电，降低电网压力，优化电网负荷，缓解用电高峰期电压不稳、电网负荷过重、电能质量低的问题，降低发电方投资与运行成本，也可以降低用户电费。但在分时电价机制下，如果高峰时段电价过高，虽然可以优化电网负荷，但会大大降低用户满意度，低负荷期如果电价过低，则会造成系统的峰谷倒挂。

2 基于5G与实时电价的电动汽车需求侧管理

2.1 5G下的电动汽车实时电价评估

随着智能电网的不断建设与发展，凭借先进的测量技术、通信技术和智能采集技术，可以按照很短的时间间隔（如1.0 h或0.5 h）对电力用户的用电量进行定价，即实时电价。电价的波动与需求的波动相互影响。电动汽车使用者可以实时了解当前电网的运行状态，掌握电价的实时波动情况，从而决定当前是否对电动汽车进行充电。电动汽车实时电价的评估步骤大致如下：确定电动汽车实时电价相关指标，划定电动汽车充电时间和空间范围，确定研究范围内的电动车数量和类型，模拟计算充电负荷，计算当前运行背景下的电价指标，评价电动汽车的充电消耗，计算用电价格。

电动汽车实时电价与其充电状态下的负荷状况密切相关，因此，评估电动汽车实时电价的基础是计算电动汽车充电负荷，计算方法主要包括以下3种。

（1）通过不同充电场景所使用的电量计量表来获取电动汽车的实时充电曲线，根据电动汽车使用者的使用习惯，可将电动汽车充电场景分为午间充电、夜间充电、分时段充电等。此外，对不同用途与种类的车辆（如私家车、公务车、公交车、环卫车等）进行定性划分，分析其充电特征及充电时段分布规律，由此能够更为快捷高效地剖析多样化场景下电动汽车的用电状况以及实时电价曲线。

（2）通过安装在电动汽车使用者手机上和汽车上的软件，对每个电动汽车用户的出行情况及充电行为进行实时监测。该方法从用户的用车习惯出发，可以获得不同用户之间清晰的差异。

（3）考虑电动汽车用户的随机性，通过蒙特卡罗仿真法对各种随机特性进行模拟，进而得到一定数量电动汽车的叠加充电负荷曲线。

无论采用何种方法，在对系统进行评估时，都应考虑电动汽车充电负荷的不确定性，这也是目前电动汽车实时电价在国内没有得到普及的原因。

2.2 5G下的电动汽车实时电价计算数据

调查表明，电动汽车实时电价主要与充电设施的供电模式和功率、电动汽车的动力电池容量以及用户的驾驶和充电行为有关。5G时代下，可以通过大数据得到不同车辆和充电设施的技术参数，这些参数不尽相同且存在一定差异；同时，电动汽车使用者的使用行为和充电行为具有不确定性和随机性，容易受到外部因素的影响：这些因素使得电动汽车实时电价计算的难度增大。对于大规模接入电网的电动汽车来说，实时电价计算直接涉及的变量主要包括实时充电频率、充电时段、充电地点、充电容量和充电功率等。其中：充电频率、充电时段和充电地点与电动汽车使用者的驾驶习惯、充电设施布局、充电成本等因素有关；充电容量受电动汽车使用者的行驶距离、车辆能耗等因素影响。一些模型将电动汽车用户的最后出行结束时间定为用户的充电时间，然而用户并不一定在出行结束立即进行充电；另外，电动汽车的充电功率受到供电条件、供电设备以及当前电池技术水平的限制，充电曲线也有很大的不同。充电负荷对上述各变量的敏感度有所差异，在计算电动汽车实时电价时，需要根据不同的评价范围、水平和指标采取不同的计算方法，尽可能涵盖各种电动汽车充电变量，使计算结果更有说服力，以此来建立电动汽车实时电价的计算模型。

除了电动汽车充电负荷的数值，电动汽车充电负荷与电网原始负荷在时间上的关联也决定了叠加后的总负荷曲线特性。在对电力系统的负荷率、损耗和电压升降进行评估时，必须从时间和空间2个角度来考虑电动汽车充电负荷在电网中的分布。在特定的充电场景下，可以借助5G技术充分考虑电动汽车充电负荷的随机性和不确定性，再通过概率潮流计算进行各项负荷指标的评估，从而得到各重要指标的分布概率。5G时代下，电动汽车实时电价影响因素逐渐增多，各指标数据采集的实时性加强，为使电动汽车实时电价计算更为准确，用户可根据实时电价调整用电时段，以节省充电成本为主要目的，主动参与电网负荷的调整。

3 5G下电动汽车实时电价的应用策略

3.1 实时电价下电动汽车有序充电

目前，降低电动汽车充电对电网影响的有效途径是在实时电价的基础上使电动汽车用户自主有序充电，这就意味着电动汽车以有序、实时方便的形式参与电网调节。电动汽车有序充电是在电网实时运行的基础上，以经济性最优为目标，充分考虑电动汽车充电影响因素，协调电动汽车充电的过程。电动汽车用户可以通过手机预约最新的充电服务提供商，并在手机上选择相应的充电器号码，通过这种方式来节省电动汽车的充电成本，提高充电效率，避免大规模拥挤的现象。由于每个时段的充电需求不同，充电站与当地电网合作，购买智能电网所收集的实时电价数据和相应的电能质量数据，计算出第2天各个时段大概的实时电价水平，在每天的固定时间公布第2 天的实时电价水平，供用户自主选择时参考。电动汽车用户通过手机接收到实时电价的信息，及时了解实时电价详情，选择合理的时间段充电，增加了电动汽车用户的自主选择意愿，提高了节约环保意识。实时电价的应用方式如图1 所示，用户可以基于实时电价自主选择充电时段，并能够与充电服务开发商进行互动，提出充电过程中存在的一些问题，提高电动汽车用户的用电效益。

图1 5G和实时电价下电动汽车有序充电Fig.1 Coordinated charging of electric vehicles with 5G and spot price

3.2 电动汽车与电网交互

笔者对所采集的电动汽车实时充电数据进行了分析，电网当前使用状态、电动汽车使用者充电方式、电动汽车充电数量等都会对电动汽车实时电价产生影响。电动汽车可以作为可移动式储能单元，以充放电的方式对电网进行调节。目前，对作为储能单元的电动汽车实时价格调控的研究主要集中在电动汽车与电网的相互作用、控制策略、成本效益分析和硬件开发等方面。首先，将电动汽车视为可移动式储能单位使用，在电动汽车和充电装置上安装软件，通过5G技术对电动汽车进行实时监控；进而利用软件对数据进行处理，并控制电动汽车的充放电行为，做到高峰放电、低谷充电，实现系统的调峰填谷。其次，电动汽车作为可移动储能单元可以参与电网系统的频率调节，比传统的调频装置更加便捷迅速。

电动汽车实时电价的计量与确定需要电动汽车与电力系统之间进行信息交互，信息交互的内容需要包括电动汽车实时充电需求、充电开始与停止时间、电池充电状况等，如果输电站信息化程度不高，输电站运行的实时信息就无法完全掌握，基于实时电价信息的计算模型无法得到准确的数据，该方式就无法普及。在控制方式上，如果采用集中控制方式，就对大型电动汽车充放电策略优化和双向信息交互处理提出了更高的要求。为了提高电动汽车实时数据信息的处理速度，降低对通信系统硬件及软件运行速度的要求，有必要对电动汽车的充放电方式和策略进行研究。此外，在电动汽车和电力系统交互信息的过程中，应做好保密工作，尽可能避免数据泄露。5G时代下，不仅要研究电力系统与通信装置的物理连接，电动汽车与电网系统之间也需要有约束机制来限制双方的行为，从而保证双方的利益不受侵害。在这种约束机制下，电动汽车使用者与充电站经营者都将从自身利益出发，在调整和控制电价过程中做出积极的反应。基于当前5G大数据时代，支持电动汽车大量接入电网的首要条件就是建立电动汽车与电力系统之间的通信系统、保密的管理模式以及控制方式，用户和电网之间的信息交流不可被泄露，需要有高度保密性；与此同时，电力系统必须增强自身的监控力度，对于用户的可控设备以及实时数据进行有效管控，确保从云端得到的数据是实时、有效的，以保证电力市场环境和电动汽车实时电价计算机制更加完善，使电动汽车实时电价更加准确，实现用户的利益最大化。

4 结束语

笔者研究了未来电力市场实时电价下电动汽车的充电定价机制，鼓励电动车用户积极参与电力市场调控，有效缓解电力供需矛盾，达到节能减排、提高生产效率、促进经济增长的目的。通过对实时电价的研究，可以得到电价实时波动数据，并通过此项数据引导电动汽车使用者调整充电行为，从而达到合理优化电源配置、监测用电日负荷曲线、削峰填谷、缩小负荷峰谷差的目的。以实时电价机制鼓励电动汽车用户合理用电，使电价红利惠及用户，是5G 时代下进行电动汽车实时电价研究的目的。