综合能源充电站有序充电策略的研究与设计
摘要：随着电动汽车的发展，充电用户越来越多，同时也出现了一系列问题，尤其是无序充电带来的充电成本高、充电排队时间长和电网负荷安全影响等问题，制约着电动汽车和充电设施的发展。为解决此类问题，文章研究和设计有序充电策略。 通过研究电动汽车充电过程数据，分析充电电压、电流、和充电时间的关系曲线，在不同的电价时段和车多桩少情形下制定了合理的中止充电SOC值；为了提高充电站运营效益，针对充电站服务车辆对象的不同，设计了不同充电桩限功率有序充电策略。充电站有序充电策略的实现能够提高运行收益、减低成本，让用户充电时间更合理，提高了充电体验性，使充电站与电网互动，对电网削峰填谷，减小负荷波动率，提高了电网的安全性。
关键词：有序充电；分时电价；功率调节；充电桩；安科瑞充电桩收费运营云平台系统
1、前言
近年来，随着化石能源的枯竭以及清洁新型能源技术的崛起，电动汽车和与之相应的充电站、充电桩和充电技术得到迅速发展。随着互联网＋充电桩的技术发展，充电服务设备建设越来完善，但仍存在诸多问题，一方面是用户充电难、找桩难、排队长等现象，另一方充电桩存在利用率不高、长期空闲、运营成本高的问题；除此之外，充电设施的大量使用对电网运行 带来一定负荷安全影响，尤其是无序的电动汽车充电负荷会给配电网带来电压下降、线路过载、电网负荷峰值、网络损耗等一系列问题，因此研究有序充电策略解决充电难，提高充电桩效益和减少充电对电网负荷影响变得愈发必要。
电动汽车有序充电在当前没有严格的定义，文中提出的有序充电策略是指在车多桩少、充电站功率变动和合理利用峰谷电价情况下设计的一种充电控制方法。通过分析研究车辆充电时充电电压、电流、SOC与充电时间的关系曲线，制定一个中止充电的SOC值来提高充电排队效率；尽可能将充电时间安排在电价低的谷时段以降低充电运营成本，通过充电桩限功率方式对电网进行削峰填谷提高电网运行安全性。
2、有序充电方案设计
文中从三方面综合定义有序充电，一是针对充电桩短缺设计的电动汽车排队有序充电，通过计算电动汽车剩余充电时间和中止充电时的SOC来提供充电桩的充电效率和规划排队等候车辆充电次序；二是根据峰谷电价差异，合理安排有序充电时间，降低充电成本；三是对电网负荷曲线进行削峰填谷，减小负荷曲线方差，使充电设施与电网负荷协调互动而设计的有序充电策略。离散充电桩因分散无法有序充电管理难度大，因此，目前有序充电且主要应用于集中充电站。集中充电站的充电桩规模一般为20台～50台，主要服务对象为电动公交大巴，根据运营商需求，充电站主要分为专用充电站和公用充电站，专用充电站只对运营商制定的专用车（电动公交大巴等）提供充电服务，不对外运营；公用充电站除了服务专用车，同时对外营运，可以为所有社会电动车辆充电，文章将以两类充电站为对象进行有序充电研究。充电站服务系统如图１所示，站内充电桩通过4G/5G等物联网或互联网接入充电服务平台，充电服务平台为运营商提供给运营监控客户端，充电用户可以使用充电卡和手机APP方式充电，为了使充电站与电网负荷协调互动，充电服务平台接入充电站配电设备，该设备实时上送充电站可用功率信息至充电服务平台。针对集中式充电站文中设计的有序充电策略具有以下功能。
（1）减少车辆排队时间，通过计算在充车辆剩余充电时间和选择中止充电SOC值来提供充电站服效率和减少充电用户排队时间；
（2）降低充电成本，通过有序充电策略设计让车辆尽可能在电价低的谷时段充电。目前大多充电站根据 电网电价将充电时间分为平、谷、峰三个时段，分别对应正常计费、优惠计费以及高价计费，充电电价及阶梯时段如表1
表1充电电价及阶梯时段
| 时段区间 | 电价（元／度） | 服务费（元／度） |
|
峰 8 :00 - 11 :00 8:00 - 23 :00 |
1.09 | 0.8 |
|
平 7:00 - 8:00 11:00 - 18 :00 谷 23 :00 - 7 :00 |
0.68 0.36 |
0.8 0.8 |
(3)优化电网负荷，因用电高峰时期电网负荷压力会造成网损和降低电能质量，文章设计充电桩功率调节策略使充电站用电功率随电网需求动态调整。
3、专用充电站有序充电策略
目前专用集中式充电站大多用于电动公交大巴充电，文章以规模30台60kW直流桩服务100辆电动公交车的充电站为设计对象。为提高充电桩使用效率，减少车辆排队时间，文章分析了30多个充电数据，发现充电过程数据变化分析如表2所示。
表2充电过程数据分析
| SOC/% | 充电电压/V | 充电电流/A | 充电时间/min |
| 30 ~ 95 | 574 ~ 586 | 97 ~ 101 | 66 |
| 95 ~ 99 | 574 ~ 580 | 71 ~ 73 | 23 |
| 99 ~ 100 | 574 ~ 580 |
47 ~ 48 , |
15 |
3.1峰平时段与排队有序充电策略设计
充电站内车辆运行模式一般是白天使用晚上充电，充电集中在谷电价时段，但因特殊情况需要白天峰或平电价时段充电时，为了降低充电成本，同时不影响 车辆运营，采取设定车辆中止充电的 SOC 上限值的充电策略，峰和平电价时段车辆 SOC 分别达到 80% 和90% 时结束充电，谷时段不设定 SOC 上限值。另一方面，在车多桩少，车辆排队等候的情况，为了提高充电桩使用效率，增加充电站运营效益，也设定了车辆 SOC 充电上限，文章对充电排队的定义是因急需用车而排队充电，对于晚上谷时段没有使用需求排队依次充电不属于文章定义的排队充电的范畴。
表3充电中止 SOC 划分
| 充电中止 SOC/% | 充电时段 | 排队车辆比例 |
| 80 | 峰时段 | rate > 1 . 5 |
| 90 | 平时段 | 1 . 5≥rate > 0. 75 |
| 95 | 谷时段 | 0. 75≥rate > 0. 4 |
| 99 | 谷时段 | 0. 4≥rate > 0 |
| 100 | 谷时段 | 0 |
3.2充电桩限功率有序充电策略设计
专用充电站的车辆充电优先级没有严格要求，充电过程中充电站输出功率受到电网负荷限制时，在车辆享有同等充电权限前提下，设计有序充电策略 调整充电桩输出功率。充电桩功率调整分为下调和上调两种，当充电站输出总功率大于功率限定值时需进行下调，反之上调。
3.3专用充电站有序充电策略实现
专用充电站从峰谷电价充电成本、桩少车多充电 排队效率和与电网负荷互动三方面设计了有序充电策 略，其策略实现如下：
(1)在峰平电价时段，充电桩全被占用，而后来车 辆因某些原因需要急用而充电则可以通用手机 APP 申 请排队充电；
(2)充电服务平台将不同电价时段和排序充电的 充电中止SOC策略以及当前排队车辆数下发给每个充电桩，充电桩根据实际情况计算充电中止SOC值，当车辆SOC达到固定值时停止充电。
4、公用充电站有序充电策略
与专用充电站相比，公用充电桩除了对本站专用车辆服务外，还对外开放，允许所有社会车辆充电，这样不但提高了充电桩使用率，还可以为运营商带来额外的收益。针对站内专用车辆和社会充电车辆，文章 设计有序充电策略是充电优先级专用车辆高于社会车辆，社会车辆之间则按先到优先级高的原则。
5、安科瑞充电桩收费运营云平台系统
5.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的汽车充电站、电动自行车充电站以及各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资源管理、电能管理、明细查询等，同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压、欠压、绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝、云闪付扫码充电。
5.2应用场合
适用于住宅小区等物业环境、各类企事业单位、医院、景区、学校、园区等公建、公共停车场、公路充电站、公交枢纽、购物中心、商业综合体、商业广场、地下停车场、高速服务区、公寓写字楼等场合。
5.3系统结构
现场设备层：连接于网络中的各类传感器，包括多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电能质量分析仪表、电气火灾探测器、限流式保护器、烟雾传感器、测温装置、智能插座、摄像头等。
网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。
平台管理层：包含应用服务器和数据服务器，完成对现场所有智能设备的数据交换，可在PC端或移动端实现实时监测充电站配电系统运行状态、充电桩的工作状态、充电过程及人员行为，并完成微信、支付宝在线支付等应用。
5.4平台功能描述
5.4.1充电服务
充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等。
5.4.2首页总览
总览当日、当月开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。
5.4.3交易结算
充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表。
5.4.4故障管理
故障管理故障记录查询、故障处理、故障确认、故障分析等管理项，为用户管理故障和查询提供方便。
5.4.5统计分析
统计分析支持运营趋势分析、收益统计，方便用户以曲线、能耗分析等分析工具，浏览桩的充电运营态势。
5.4.6运营报告
按用户指定周期分析汽车、电瓶车充电站、桩运行、交易、充值、充电及报警、故障情况，形成分析报告。
5.4.7APP、小程序移动端支持
通过模糊搜索和地图搜索的功能，可查询可用的电桩和电站等详细信息。扫码充电，在线支付:扫描充电桩二维码，完成支付，微信支付完成后，即可进行充电。
5.4.8资源管理
充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。
5.5系统硬件配置
| 类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
| 安科瑞汽车充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 |
 |
(一)资源管理 充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩异常交易监测 (二)交易结算 充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表 (三)用户管理 用户注册，用户登录，用户帐户管理 (四)充电服务 充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等 (五)微信小程序 扫码充电，账单查询、充电信息监测等功能 (六)数据服务 数据采集，数据存储和解析 (七)收益隔天结转到帐 |
| 安科瑞电瓶车充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9500 |
 |
(一)资源管理 充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩异常交易监测 (二)交易结算 充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报 (三)用户管理 用户注册，用户登录，用户帐户管理 (四)充电服务 充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等 (五)微信小程序 扫码充电，账单查询、充电信息监测等功能 (六)数据服务 数据采集，数据存储和解析 (七)收益隔天结转到帐 |
| IC卡汽车充电桩管理系统（本地单价版） | Acrel-AVMS | / |
输入输出：AC220V 1个充电接口，充电线长5米；输出功率7KW;扫码刷卡支付;标配 无线通讯：4G、WIFI、蓝牙三选一 （下单备注规格，无备注默认4G通讯） |
| 10路电瓶车智能充电桩 | ACX10A系列 |
 |
10路最大承载电流25A，单路最大输出电流3A，单回路最大功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护。故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 可选配 K(进线漏保) C(每回路测温) J(进线计量，单相电能表) L(进线漏电监测，超限跳开所有回路) ACX10A-TYHN 户内使(IP21),支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN 户内使用(IP21)，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW 户外使用(IP65)，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN 户内使用(IP21)，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW户外使用(IP65),支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW 户外使用(IP65)，仅免费充电，不能刷卡扫码 |
| 20路电瓶车智能充电桩 | ACX20A系列 |
 |
20路最大承载电流50A，单路最大输出电流3A，单回路最大功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。可选配 K(进线漏保) C(每回路测温) J(进线计量，单相电能表) L(进线漏电监测，超限跳开所有回路) ACX20A-YHN 户内使用(IP21),支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN 户内使用(IP21)，支持刷卡，免费充电 |
| 2路智能插座 | ACX2A系列 |
 |
2路最大承载电流20A，单路最大输出电流10A，单回路最大功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护。故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN 户内使用(IP21)，支持刷卡、扫码充电，单路最大电流10A ACX2A-HN 户内使用(IP21)，支持扫码充电，单路最大电流10A ACX2A-YN 户内使用(IP21)，支持刷卡充电，单路最大电流10A |
| 落地式电瓶车智能充电桩 | ACX10B系列 |
 |
10路最大承载电流25A，单路最大输出电流3A，单回路最大功率1000W总功率5500W，充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护。故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报可选配 K(进线漏保) C(每回路测温) J(进线计量，单相电能表) L(进线漏电监测，超限跳开所有回路) ACX10B-YHW 户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL 户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告 |
| 7KW交流充电桩 | AEV-AC007D |
 |
额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方式：4G/WIFI/蓝牙 支持刷卡，扫码、免费充电 可选配触摸显示屏（LCD) |
| 30KW直流桩 | AEV-DC030D |
 |
额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 60KW直流桩 | AEV-DC060S |
 |
额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 120KW直流桩 | AEV-DC120S |
 |
额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| IC充值卡 | ACX10A-IC02 |
 |
充电桩配套购电卡 |
| 充值机 | ACX10A-CZJ01 |
 |
电瓶车充电桩开卡读卡器 |
| 7kw交流充电桩立柱 | AEV-AC007LZ |
 |
用于AEV-AC007D立柱安装 |
| 30kw直流充电桩立柱 | AEV-DC030LZ |
 |
用于30kw充电桩AEV-DC030D专用立柱套件，可实现落地式安装安装 |
| 汽车充电桩IC卡 | M1射屏卡 |
 |
通过刷卡控制电动汽车充电桩的启停并扣费 |
| 汽车充电桩读卡器 | 读卡器 |
 |
汽车充电桩开卡读卡器 |
| 电气防火限流式保护器 | ASCP200-40B |
 |
壁挂式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能；1路RS485通讯，1路NB 无线通讯(选配)；额定电流为0~40A，额定电流菜单可设。 |
| 导轨式电能表 | ADL200 |
 |
单相U、I 、P、Q、S、PF、F 等全电参量测量， 有功无功电能统计；LCD显示；可选配 RS485 通讯功能，方便用户电瓶车充电桩汽车充电桩进行用电监测计量。 |
| 导轨式直流电能表 | DJSF1352-RN |
 |
直流电压、电流、功率测量及正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录；红外通讯，电压最大输入1000V,电流外接分流器接入（75mV)或霍尔元件接入（0-5V)导轨式安装，电能精度1级，8位LCD显示，标配2路开关量输入，2路开关量输出，1路 RS485 通讯，1路直流电能计量，AC/DC85-265V，供充电桩直流计量。 |
6、结语
充电桩有序充电尚在研究起步阶段，随着V2G和充放电技术的发展和应用，有序充电将逐渐成为充电桩和充电站的发展方向。AcrelCloud-9000安科瑞充电桩收费运营云平台系统是基于物联网和大数据技术的充电设施管理系统，可以实现对充电桩的监控、调度和管理、提供充电桩的利用率和充电效率，提升用户的充电体验和服务质量。
【参考文献】
胡道栋,邱俊宏,王玉芳等.综合能源充电站有序充电策略的研究与设计[J].电测与仪表，2023,60（02）
刘科学，李雪梅，谢枫.等.基于联络线峰谷差的充电桩综合运行效益检测系统[J].自动化技术与应用，2022，41（7）
安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版
作者简介：
盛莉莉，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司 手机:17821169733（微信同号);
公司介绍
安科瑞电气股份有限公司（股票代码：300286）成立于2003年，集研发、生产、销售及服务于一体，是一家为企业提供能效系统和用电安全解决方案的高科技股份制企业。公司解决方案涵盖电力、环保、新能源、消防、数据中心、智能楼宇、智慧校园、智慧医院、智慧工厂、智慧交通、市政工程等多个领域。
公司总部位于上海嘉定，具备从云平台软件到终端元器件的一站式服务能力，形成了“云-边-端”的能源互联网生态体系，目前已有14000多套系统解决方案运行在全国各地，为用户高效和安全用能保驾护航，为企业节能降耗和实现能源数字化建设提供数据服务。公司在全国主要城市配置销售、技术支持团队，快速响应客户需求，为用户提供良好的服务体验。
设于无锡江阴市的生产基地--江苏安科瑞电器制造有限公司是安科瑞电气股份有限公司的全资子公司，也是江苏省高新技术企业、江苏省两化融合试点企业。公司采用自动化无铅生产工艺，拥有获得国家实验室认证认可（CNAS）的产品测试实验室，配合信息化管理系统，为公司产品产业化、规模化实施提供了保障。
截至2021年12月31日，公司拥有商标5项，已获得证书的专利304项，其中发明专利22项、实用新型专利132项、外观设计专利150项，拥有软件著作权251项。
AcrelEMS企业微电网能效管理平台为企业微电网提供覆盖“源、网、荷、储、充、运维”各环节的能效管理解决方案，覆盖企业配电系统各个环节，打造终端感知、边缘智能、共建共享、开放合作的电力物联网体系。通过一个平台对企业用电进行进行集中监控、统一调度、统一运维，为企业可靠、安全、节约、高效、有序用电提供平台支撑。
公司将秉着“创新、高效、团结、诚信”的理念，坚持稳健经营、持续创新，为用户安全、可靠、高效用能提供解决方案，为实现“碳达峰、碳中和”提供数据支持。
审核编辑 黄宇
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