易允恒 安科瑞電氣股份有限公司

摘要：本發明提供了一種電動汽車充電設施有序充放電調度方法，該方法由電網調度系統和充電設施進行協商共同確定電動汽車進行有序放電過程中的調峰功率，由電網調度系統根據各充電設施上報的實時狀態進行實時分配，然后充電設施對于位于設施內的電動汽車進行有序的、智能的調度管理；充電設施的有序充電策略根據電網的實時負荷進行調整，在安全條件下，使充電設施的功率最優，保持充電設施的充電功率在電網給充電設施分配的充電功率附近，同時又不超出設備的安全條件。實現電動汽車充電設施和電網之間電能受控、有序地雙向交換，實現充電設施管理系統的開放性及其與電網的互動操作性。

關鍵詞：電動汽車；有序充放電；擴展卡爾曼濾波；電網調度；荷電狀態

0引言

我電網的負荷具有嚴重的不對稱性，由于這個不對稱的原因導致電力系統出現峰谷差，而且這個差值日益增大。為了負荷的正常運行，電力系統的裝機容量必須滿足最大負荷的需求，這造成電力系統中的裝機容量很大一部分只能在峰值負荷這一段集中的時間內得到利用，而其他的時間則處于備用狀態，造成設備的冗余，效率低下。另外，發電、輸電和用電必須同時進行，這就意味著發電量和用電量必須完美地匹配，并且需要有足夠的能力來維持連續地調節，以保持頻率的穩定。

1社區充電設施配置困境分析

1.1電網負荷波動與容量限制

社區配電系統設計容量較低，電動汽車集群充電易引發局部過載。研究表明，充電負荷高峰時段（如晚8-10點）功率需求可達低谷時段的3倍以上，傳統固定功率分配模式難以適配動態負荷，導致變壓器超載風險增加。

1.2電池狀態監測精度不足

現有充電樁缺乏高精度SOC估計能力，用戶充電行為不確定性高（如充電時長1-6小時占比73.18%），無序充電加劇負荷峰谷差。低精度SOC估計還會導致充電效率下降，延長車輛占用時間，進一步降低設施利用率。

1.3動態調度策略缺失

社區充電樁多采用“先到先充”策略，缺乏與電網的實時交互能力。48.78%的用戶充電彈性系數超過70%，但現有系統無法有效利用這一潛力，導致充電負荷難以轉移至低谷時段。

2電動汽車市場現狀

電動汽車在能源方面優勢的顯現，目前市場上電動汽車的數量增多，電動汽車在充電的時候是一種用電負荷，需要從電網中吸收能量；在向電網放電時又可以看作分布式能源或儲能設備。電動汽車在智能電網中扮演一個重要的角色，能應用到電力系統的許多重要的領域，典型的、有應用前景的功能應用就是參與電網的配電調度中來，提高電網的穩定性，提高能源的利用率，提高電力系統效率，減少發電熱備用，減少不必要的投資，同時又可以給用戶帶來可觀的收入。同時，還可以將電動汽車作為新能源并網所造成的負面效應的平抑設備和各類應急電源等領域。因此，如何充分利用電動汽車充電設施作為分布式儲能設施，實現電動汽車充電設施和電網之間電能受控、有序地雙向交換，實現充電設施管理系統的開放性及其與電網的互動操作性，是目前迫切需要解決的問題。 3電動汽車充電設施有序充放電調度方法

步驟1、采用擴展卡爾曼濾波算法對電池荷電狀態值進行估計；

電池的狀態方程為：

對式(7)進行線性化處理，分別得到狀態方法的系數矩陣A、B、C、D：

Dk=-R1；

卡爾曼算法迭代方程為：

式(8)中，

為狀態量先驗估計，Ak-1為系統狀態矩陣，Bk-1為輸入激勵矩陣，Ck與Dk為觀測矩陣；Xk為系統k時刻的狀態向量；Yk為系統觀測向量；Uk為控制向量；Wk為系統噪聲，

Vk為觀測噪聲，

Pk為狀態估計誤差的方差矩陣；Pk/k-1為先驗估計方差矩陣；Lk為濾波增益矩陣。

根據電池的狀態方程和卡爾曼算法迭代方程，得出卡爾曼濾波增益計算公式為：

最優狀態估計的計算公式為：

卡爾曼均方誤差的計算公式為：

Pk＝[I-KgCk]Pk/k-1(11)

步驟2、對電動汽車充電設施進行有序充放電調度；

步驟2.1、采用以電網調度系統分配的需求功率PD作為充電設施有序放電的基準，用電動汽車的荷電狀態作為判斷依據，采用基于荷電狀態的最優功率有序放電策略，設置第一目標函數描述為：

式(12)中，PD表示電網調度系統分配到充電設施的調度功率；Pi、Pj表示每一輛電動汽車合適的放電功率；N表示參與放電的電動汽車的數量；PD≤PE表示需求功率PD不能超過充電設施的總供電額定功率；iD≤iDMax表示充電設施總供電電流id不超過允許的最大供電電流；Pi≤PiMax表示電動汽車放電功率Pi不超過允許的最大放電功率；ii≤iiMax表示電動汽車放電電流不超過動力電池允許的最大放電電流；

表示充電設施內的每一輛電動汽車的剩余電量向平均電量靠近，即與平均電量差值大的電動汽車優先放電；socimin≤soci表示電動汽車動力電池的荷電狀態值不低于荷電狀態下限值；t1≤t≤t2表示有序放電策略執行的時間段在規定的時間段內。

步驟2.1.1、充電設施管理系統實時地根據充電設施內電動汽車的狀態向電網調度系統發送狀態報告；

步驟2.1.2、在t1≤t≤t2某一時刻，電網出現峰值負荷，則電網調度系統對峰值負荷進行實時分析和計算之后，根據充電設施最近上報的情況給充電設施管理系統發布需求功率PD；

步驟2.1.3、充電設施管理系統收到調度信息之后，判斷PD是否超過充電設施的額定功率PF，如果超過額定功率PF則以額定功率PF出力，如果在額定功率PF以下，則根據充電設施內的電動汽車的狀況進
行功率分配計算，確定有序放電模式，然后確定參與有序放電的電動汽車；在放電過程中實時采集放電電流、電壓等信息，實時計算每輛電動汽車的放電功率，判斷放電電流和放電功率是否在規定范圍內；有序放電過程中實時接收電動汽車上報的電池荷電狀態信息，實時監測各電動汽車的荷電狀態，必要時做出相應調整；

審核編輯 黃宇其中，所述步驟2.1.3中的功率分配具體步驟如下：

(1)計算能夠滿足放電功率需要的電動汽車數量；

①將電動汽車按照荷電狀態的分段來進行分類，確定每類電動汽車的數量，并進行按類編號

②計算充電設施的荷電狀態平均值；

③記錄對荷電狀態值大于平均荷電狀態值的電動汽車的類別、數量；

④將電動汽車功率上限分為1/2、2/3、5/6三個分界點；

⑤計算第一類電動汽車以第④步中的3個功率點進行有序放電時能否滿足功率分配要求，如果不滿足要求，則執行第⑥步；如果滿足要求則求出電動汽車數量，并跳到(2)執行；

⑥計算加上與之相鄰的下一類電動汽車以第④步中的3個功率點進行有序放電時能否滿足要求，直到滿足要求，算出電動汽車數量；

(2)按照荷電狀態加權分配功率；

①求出所有參與有序放電過程的電動汽車類的荷電狀態值；

②按照式(13)在調度功率的基礎上按照每類荷電狀態值對每類電動汽車進行加權分配功率；

(3)實時計算參與有序放電的電動汽車的荷電狀態值；

(4)將計算得到的實時荷電狀態值與未參與的電動汽車荷電狀態值進行比較；

(5)根據第(4)步的比較結果來重新調整參與放電的電動汽車數量，若參與有序放電的電動汽車中有荷電狀態值小于或等于未參與的電動汽車的荷電狀態值，則將該類原本未參與放電的電動汽車納入到有序放電過程中來；若參與有序放電的電動汽車中所有荷電狀態值大于未參與的電動汽車的荷電狀態值，則轉到第(7)步執行；

(6)執行步驟(2)的第①步重新計算當前電動汽車類的荷電狀態值，并執行步驟(2)的第②步計算調整數量后的各類電動汽車的功率Pi，并重新分配實時功率；

(7)跳到步驟(3)執行。

步驟2.2、設置電網給充電設施分配的功率為PD，每一輛電動汽車的充電功率為Pi，則功率最優表示為充電設施的額定功率與電動汽車群充電總功率差值最小，表示如下：

考慮的安全因素包括充電模式選擇、電動汽車充電電流限制、充電設施供電電流限制、電動汽車充電功率限制、充電設施功率限制、電動汽車荷電狀態值限制、充電時間限制，因此，設置第二目標函數描述如下：

式(15)中，PD≤PN表示電網給充電設施分配的充電功率不超過充電設施的額定功率；iS≤iSMax表示充電設施總供電電流小于或等于允許的最大供電電流；Pe≤PeMax表示電動汽車充電功率小于或等于允許的最大充電功率；ie≤ieMax表示電動汽車充電電流小于或等于允許的最大充電電流；socmin≤soc≤socmax表示電動汽車動力電池的不同充電模式對應的荷電狀態值不應該超過上限或下限；t1≤t≤t2表示有序充電策略執行的時間段在規定的時間段內；soc1≤soct2≤100表示到充電時間結束時刻電動汽車荷電狀態值應該達到不低于soc1的標準，同時不會過充電。

電網在負荷低谷時，會給充電設施分配實時的需求功率PD，充電設施收到分配功率指令后，開始以下流程對設施內的電動汽車進行充電方案確定和充電功率分配。

步驟2.2.1、充電設施在接收到電網分配的需求功率PD后，將其與本充電設施的額定功率PE進行比較，如果電網分配的需求功率PD比充電設施額定功率PE小，則以電網分配的需求功率PD為充電基準功率，如果電網分配的需求功率PD大于充電設施額定功率PE，則以充電設施額定功率PE為充電功率基準；

步驟2.2.2、在確定基準功率之后，確定充電方案、分配充電功率，啟動有序充電過程。

步驟2.2.3、在有序充電過程需要實時測量充電電流和充電功率，并判斷充電電流和充電功率是否超出安全限制，實時獲取電動汽車的荷電狀態值，并計算當前的充電方案和充電功率分配是否合適，如果合適則繼續延續上一刻的方案，如果不合適則適當調整方案。

(1)統計充電設施內當前的荷電狀態情況，找出荷電狀態值最小的一類電動汽車；

(2)計算當前時刻到規定的電網負荷谷值結束時刻的時長T，T是充電的最長時間；

(3)計算荷電狀態值小于0.9的電動汽車的數量；

(4)將基準功率按照式(16)進行加權分配，保證功率分配滿足的條件要求；

(5)以式(16)中得到的每類電動汽車的功率Pi進行恒功率充電，判斷是否超過每類電動汽車允許的充電功率最大值Pmax，判斷如下：

①若Pi，則以pi功率進行有序充電；<>

②若Pi>Pmax，則以Pmax功率進行有序充電；

(6)實時監測充電設施內電動汽車的荷電狀態，當每類電動汽車充電到荷電狀態達到90％，則將該類電動汽車轉為恒壓充電，并啟動一定數量的之前未參與充電的荷電狀態不小于90％的電動汽車開始恒壓充電，若有M輛電動汽車開始恒壓充電，則需要保證

的同時，滿足

(7)計算恒壓充電電流，并計算M輛電動汽車的恒壓功率

判斷充電電流是否超過電動汽車的電流最大值；

(8)執行步驟(3)，按照

來重新分配功率；

(9)計算步驟(8)中的功率是否在規定功率Pmax范圍內，如果不超過Pmax，則按實時計算得到的功率進行充電，如果超過Pmax，則按照Pmax進行充電；

(10)實時監測動力電池的荷電狀態值，若有電動汽車的荷電狀態值達到100％則停止該類電動汽車充電。

4安科瑞充電樁收費運營云平臺系統選型方案

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

4.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。

2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。

4.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

4.4.5統計分析

通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。

4.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

4.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統硬件配置

類型	型號	圖片	功能
安科瑞充電樁收費運營云平臺	AcrelCloud-9000		安科瑞響應節能環保、綠色出行的號召，為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kW交流充電樁，30kW壁掛式直流充電樁，智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來滿足新能源汽車行業快速、經濟、智能運營管理的市場需求，提供電動汽車充電軟件解決方案，可以隨時隨地享受便捷安全的充電服務，微信掃一掃、微信公眾號、支付寶掃一掃、支付寶服務窗，充電方式多樣化，為車主用戶提供便捷、安全的充電服務。實現對動力電池快速、安全、合理的電量補給，能計時，計電度、計金額作為市民購電終端，同時為提高公共充電樁的效率和實用性。
互聯網版智能交流樁	AEV-AC007D		額定功率7kW，單相三線制，防護等級IP65，具備防雷 保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍牙支持刷卡，掃碼、免費充電可選配顯示屏
互聯網版智能直流樁	AEV-DC030D		額定功率30kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠 程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電
互聯網版智能直流樁	AEV-DC060S		額定功率60kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電
互聯網版智能直流樁	AEV-DC120S		額定功率120kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電
10路電瓶車智能充電樁	ACX10A系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，免費充電 ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW：防護等級IP65，支持刷卡、免費充電 ACX10A-MW：防護等級IP65，僅支持免費充電
2路智能插座	ACX2A系列		2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護等級IP21，支持刷卡充電
20路電瓶車智能充電樁	ACX20A系列		20路承載電流50A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX20A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN：防護等級IP21，支持刷卡，免費充電
落地式電瓶車智能充電樁	ACX10B系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 ACX10B-YHW：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告
智能邊緣計算網關	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。
擴展模塊ANet-485	M485模塊：4路光耦隔離RS485
擴展模塊ANet-M4G	M4G模塊：支持4G全網通
導軌式單相電表	ADL200		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，輸入電流：10（80）A； 電能精度：1級 支持Modbus和645協議 證書：MID/CE認證
導軌式電能計量表	ADL400		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相總有功電能，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計；紅外通訊；電流規格：經互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 證書：MID/CE認證
無線計量儀表	ADW300		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級（改造項目） 證書：CPA/CE認證
導軌式直流電表	DJSF1352-RN		直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量，復費率電能統計，SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級，1路485通訊，1路直流電能計量AC/DC85-265V供電 證書：MID/CE認證
面板直流電表	PZ72L-DE		直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級 證書：CE認證
電氣防火限流式保護器	ASCP200-63D		導軌式安裝，可實現短路限流滅弧保護、過載限流保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監測、線纜溫度監測等功能;1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊(選配);額定電流為0~63A，額定電流菜單可設。
開口式電流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列開口式電流互感器安裝方便，無須拆一次母線，亦可帶電操作，不影響客戶正常用電，可與繼電器保護、測量以及計量裝置配套使用。
霍爾傳感器	AHKC		霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。
智能剩余電流繼電器	ASJ		該系列繼電器可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式的剩余電流動作保護器，主要適用于交流50Hz，額定電壓為400V及以下的TT或TN系統配電線路，防止接地故障電流引起的設備和電氣火災事故，也可用于對人身觸電危險提供間接接觸保護。

5結語

所述電動汽車充電設施有序充放電調度方法由電網調度系統和充電設施進行協商共同確定電動汽車進行有序放電過程中的調峰功率，由電網調度系統根據各充電設施上報的實時狀態進行實時分配，然后充電設施對于充電設施內的電動汽車進行有序的、智能的調度管理。充電設施的有序充電策略根據電網的實時負荷進行調整， 在安全條件下，使充電設施的功率最優，保持充電設施的充電功率在電網給充電設施分配的充電功率附近，同時又不超出設備的安全條件。實現電動汽車充電設施和電網之間電能受控、有序地雙向交換，實現充電設施管理系統的開放性及其與電網的互動操作性。