峰谷电价引导下电动汽车有序充电策略与智能管理平台探究
安科瑞鲁一扬15821697760
摘要：在碳排放形势日益严峻的当下，电动汽车凭借其清洁特性，成为减少社会对化石能源依赖、降低空气污染的关键举措。然而，因其作为灵活随机负荷接入电网充电，会给电网安全稳定带来负面影响。为此，本文提出基于峰谷电价的有序充电策略，以引导电动汽车用户合理充电，推动电动汽车行业与智能电网稳定发展。
关键词：峰谷电价；电动汽车；有序充电；电力需求侧管理
1. 研究背景
社会科技持续进步，人类各领域探索加深，能源消耗与需求攀升，二氧化碳排放量剧增，致使全球环境急剧变化，工业文明与生态文明在工业化进程中冲突加剧。中国作为二氧化碳排放大国，面临巨大国际减排压力。2021 年 10 月，国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案》，重塑能源与产业结构，转变生产生活方式。
电动汽车以车载电池为动力，融合多领域高新技术，具高能效、低污染、低噪音优势，是能源需求端清洁化的重要绿色设备，也是全球温室气体减排的新型清洁交通工具。其优势显著，运行无有害气体排放，电力来源多样且可控，可从多种能源渠道获取电力，减少对石油依赖。同时，作为灵活负载，能利用晚间低谷电充电，实现电网负荷 “削峰填谷”，提升电力设备利用率与系统经济效益。故而，电动汽车普及是低碳经济转型关键，受各国政府与车企重视。各国纷纷出台激励政策与电价补贴，如美国拨款支持相关技术研究，欧洲多国建立基金并联合研发电池技术，目标在 2050 年实现电动汽车全覆盖。尽管受疫情影响，全球电动汽车市场仍强劲增长，2022 年市场份额有望达两位数，其高速发展时代已来临。
2. 研究意义
电动汽车虽为解决温室气体排放关键，却也是不可忽视的主动负荷。近十年，随着概念普及、设施完善与覆盖率提高，充电负荷持续上升。未来大规模覆盖时，其充电随机性与不确定性，若无序接入电网，将致电力负荷大幅波动，增加电网调度难度，严重影响电力系统建设与运行。所以，引导电动汽车有序充电意义重大。
电动汽车的随机性与灵活性，使其充电负荷与电网基础负荷易叠加成 “峰上加峰”，加重电网负荷，致节点电流上升速率突增，增加重载线路与变电站运行难度，使电网损耗上升，加速设备老化，对电力系统安全与用户用电体验产生负面影响。此外，满足尖峰负荷需求会提高电网增容要求，不利于电网建设经济性与发展性。
综上，针对电动汽车接入引发的负荷峰谷差问题，有序引导用户充电至关重要，峰谷电价经济引导是有效手段。智能电网作为电力系统发展方向，通过分析三方数据，应用峰谷电价有序引导策略，可实现 “削峰填谷”，降低损耗，提升系统稳定性与安全性，实现三方效益最大化，推动电动汽车推广与能源需求侧清洁化转变。
3. 智能电网下的电动汽车充电需求侧管理
本章介绍电动汽车在智能电网中的充电构架（感知层、网络层及应用服务层），并基于此应用电力需求侧管理方式，以电动汽车充电需求为核心，峰谷电价为手段，实现智能电网下的电动汽车充电需求侧管理。
与传统电网不同，智能电网注重信息交互与数据联通，电动汽车可获取更多电网运行与电价信息，其数据也上传至电网大数据网络。这些信息利于用户获更好电力服务，也助于供电网络负荷预测与控制。以下介绍电动汽车在智能电网中的充电构架，它是电力需求侧管理应用于电动汽车充电需求的基础。在智能电网中，电动汽车充电构架分三个层次：
3.1 感知层
电动汽车充电构架的感知层包括电动汽车（EV）感知系统和充电网络感知系统。在充电区域设置传感器、充电汽车终端、扫描仪器和无线射频识别标签等数据采集设备。电动汽车感知系统借助通信元件与设备，通过传感器记录电动汽车充电行为数据，如电池、目标识别、GPS 定位和汽车状态等信息，这些数据不仅存储于电动汽车数据记录系统，还经信息传输系统传至网络层。
3.2 网络层
感知层采集信息后，智能电网的网络层通过有线或无线通信获取信息。有线通信用于固定充电器设备，借助光纤网络，充电服务提供平台可获取充电汽车状态信息并分析判断。无线通信用于非固定电动汽车，两种通信方式双渠道收集充电负荷需求数据，使供电网络能提供更好充电服务信息与策略，实现用户与运营商共赢。
3.3 应用服务层
网络层收集的数据上传至应用服务层，在此进行综合判断分析，其优化充电服务方案与策略是智能电网数据分析支撑平台与核心部分。应用服务层对电动汽车充电行为全链条状态分析，包括充电状态、费用计算、电池性能判断及与充电设备连接信息，并优化升级电动汽车充电需求服务体系。
3.4 电力需求侧管理
随着电动汽车普及率上升，充电负荷接入电网将产生影响，智能电网的充电构架为加强充电负荷管理提供基础与工具，引入电力需求侧管理可增强对灵活负荷管理的可控性与计划性。
电力需求侧管理是采用有效激励措施，引导电力消费者改变用电习惯与方式，提高用电效率。它是智能电网建设关键基础技术与智慧化重要部分，对智能电网提供优质电力服务至关重要，也是电网未来进化完善的关键方向。
3.5 电力需求侧管理中的经济手段
3.5.1 经济手段分类
电力需求侧管理的经济手段主要基于电价变化的需求响应，通过实施差异电价，以电费经济性引导消费者调整用电习惯。当前主要有三种电价类别：峰谷电价、实时电价和尖峰电价。
峰谷电价：又称峰谷分时电价，是重要经济手段之一，能反映不同时段电网供电成本差异。其高峰、平时、低谷时段电价依次降低，引导用户高峰少用电、低谷多用电。电网运营商多偏好此策略，因其发布后相对稳定，运营难度低于实时变化策略，但反映供电成本有滞后性。
实时电价：与电网运行实时联动，电网运营者按每小时浮动电价收费，与实时电力生产成本匹配。消费者可灵活选择是否响应。
尖峰电价：在峰谷电价和实时电价基础上衍生，在峰谷电价基础上加尖峰费率调节，价格风险小于实时电价，灵活性高于峰谷电价。
峰谷电价（TOU）依据电网负荷曲线，将每日 24 小时划分为峰、平、谷三个时段，对不同时段制定不同电价，引导用户合理安排用电时间，参与电网负荷 “削峰填谷”，提升电力系统安全性与稳定性。本文简化处理峰谷电价定价分析，假定其处于合理水平，既不影响电力生产端积极性，又能吸引用户积极响应。
4. 基于峰谷电价的电动汽车有序充电策略
本章基于智能电网电动汽车充电需求侧管理，在峰谷电价激励下，建立电动汽车有序充电管理模型，并引入充电用户守约激励系数概念，增强用户对峰谷电价响应，引导有序充电，降低电网峰谷差、损耗，提升系统稳定性。
智能电网下的电力需求侧管理中，有序充电策略包含四个层级：
电动汽车；
充电设备；
次级控制；
电网控制。
电动汽车用户充电时，相关信息经有线连接传至充电设备（充电桩或充电站通信设施），充电设备与电动汽车双向信息传递，发送控制信号。同时，充电设备将采集的信息发送至次级控制，接受管理并层层下发至电动汽车。次级控制收集区域内充电信息上传电网控制，电网控制处理数据，制定电网稳定运行与负荷控制策略，对次级控制进行负荷管理指导并下达充电计划安排，以平滑负荷曲线、降低网损。
4.2 电动汽车有序充电控制模型
智能电网下，供电企业可收集分析电动汽车信息，接收用户充电需求信息并定时更新数据，检测充电需求，若对电网负荷影响小，则执行上一时段充电调度安排。采用鸡群优化算法寻求电动汽车有序充电策略：先随机生成鸡群 N，鸡群个体设定为满足电动汽车充电需求的连续时间段；以电网负荷峰谷差为适应值函数，依此划分鸡群 N 为若干组，个体依位置更新策略调整位置靠近食物位置，获取个体位置与适应值。
5. 安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展
5.1 概述
AcrelCloud - 9000 安科瑞充电桩收费运营云平台通过物联网技术，对电动自行车充电站及各充电桩持续数据采集与监控，实时监控运行状态，管理充电服务、支付、交易结算、资产管理、电能管理与明细查询等。同时对充电机故障预警，支持多种接入互联网方式，用户可扫码充电。
5.2 应用场所
适用于多种建筑与场所的充电桩基础设施设计，如民用建筑、工业建筑、小区、单位、商业综合体、学校、园区等。
5.3系统结构
系统分四层：数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
数据采集层：电瓶车智能充电桩采用标准 modbus - rtu 通讯协议，采集充电回路电力参数，进行电能计量与保护。
网络传输层：经 4G 网络上传数据至数据库服务器。
数据层：含应用服务器与数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB 网站，数据服务器部署实时、历史与基础数据库。
客户端层：系统管理员可通过浏览器访问电瓶车充电桩收费平台，终端用户刷卡扫码启动充电。
小区充电平台功能涵盖智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等，还为运维人员提供 APP，为充电用户提供小程序。
5.4安科瑞充电桩云平台系统功能
5.4.1智能化大屏
展示站点分布，统计设备状态、使用率、充电次数、时长、金额、度数、故障等，可查看站点详细信息、充电桩列表、记录、收益、能耗、故障记录等，统一管理小区充电桩，合理分配资源。
5.4.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。
5.4.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
5.4.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
5.4.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
5.4.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。
5.4.7运维APP
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
5.4.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
5.5系统硬件配置
| 类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
| 安科瑞充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 |
| 安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。 | ||
| 互联网版智能交流桩 | AEV-AC007D |
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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：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏 |
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| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC030D |
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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 |
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| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC060S |
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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 |
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| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC120S |
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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 |
|||
| 10路电瓶车智能充电桩 | ACX10A系列 |
 |
10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率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。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电 |
| 2路智能插座 | ACX2A系列 |
 |
2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率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：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电 |
| 20路电瓶车智能充电桩 | ACX20A系列 |
 |
20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率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。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电 |
| 落地式电瓶车智能充电桩 | ACX10B系列 |
 |
10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率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。 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 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-ES |
| AIM-D100-ES系列直流绝缘监测仪可以应用在15~1500V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 | ||
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-T |
| AIM-D100-T系列直流绝缘监测仪可以应用在10~1000V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 | ||
| 智能边缘计算网关 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。 | ||
| 扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | |
| 扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G全网通 | |
| 导轨式单相电表 | ADL200 |
|
单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证 |
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| 导轨式电能计量表 | ADL400 |
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三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证 |
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| 无线计量仪表 | ADW300 |
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三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证 |
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| 导轨式直流电表 | DJSF1352-RN |
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直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证 |
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| 面板直流电表 | PZ72L-DE |
|
直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证 |
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| 电气防火限流式保护器 | ASCP200-63D |
| 导轨式安装，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或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。 | ||
| 开口式电流互感器 | AKH-0.66/K |
| AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。 | ||
| 霍尔传感器 | AHKC |
| 霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。 | ||
| 智能剩余电流继电器 | ASJ |
| 该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。 |
6总结
面对严峻碳排放现状，我国力推能源清洁化，电动汽车是新能源汽车主要发展方向与推广产品，其普及乃大势所趋。但作为灵活随机负荷接入电网充电，给电网安全稳定与电力需求侧管理带来挑战。本文先述电动汽车发展背景，阐述有序充电管理意义，后分析智能电网下充电构架，介绍电力需求侧管理概念、意义与手段，引入峰谷电价引导充电行为，提出有序充电策略，为电动汽车有序充电提供理论与实践参考，助力行业发展与能源转型。
参考文献：
[1]李琴.基于峰谷电价的电动汽车有序充电策略
[2] 张晨曦.电动汽车入网技术及社会综合效益研究
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版
审核编辑 黄宇
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