浅谈基于负荷时空均衡和弹性响应的电动汽车快充电价定价策略

摘要：为了引导电动汽车有序充电，提出了一种考虑负荷时空均衡和弹性响应的电动汽车快充电价定价策略。引入交通流理论描述交通路网，建立电动汽车快充负荷时空分布模型；考虑配电网调度和电动汽车快充负荷的弹性需求，构建源-荷互动下的快充电价定价架构，并基于潮流追踪法从时空双维度推导快充电价的计算方法；在此基础上，计及电动汽车负荷弹性响应特性，以提升配电网的负荷均衡性为目标，建立快充电价定价策略，并通过迭代算法求解该定价策略。算例仿真结果表明，所提定价策略能够有效引导电动汽车进行有序快充，激励电动汽车用户与配电网友好互动，提升负荷的时空分布均衡性。

关键词：电动汽车；时空分布；快充电价；交通流；负荷均衡；弹性响应；源-荷互动；配电网

0引言
近年来，因为政策、成本、电池性能等利好因素，电动汽车（electricvehicle，EV）正在大规模普及。据公安部统计数据，截至2022年上半年，我国纯EV保有量已突破810.4万辆［1］。一方面，大规模接入电网的EV的无序充电行为（特别是随机快充行为），会对配电网的安全运行产生较为明显的影响，导致负荷分布不均匀、电压越限、线路阻塞、电能质量恶化等问题，影响配电网的安全稳定运行。另一方面，EV快充负荷具有时空灵活性，存在负荷需求弹性响应，可以通过合理的电价机制引导EV有序充电。

由于EV具有交通属性，交通路网的运行状态会影响EV的出行-充电行为，进而影响其快充负荷的时空分布，因此对EV快充负荷的引导需考虑交通流对用户出行-充电行为的影响。采用“速度流量”模拟EV的交通行驶特性，建立了“车-路-网”融合架构，分析了EV用户的充电行为。基于动态交通信息，从单体EV移动特性出发，考虑动态交通信息对EV充电行为的影响，模拟了区域EV充电负荷的时空分布。上述研究大多由单体EV充电模型通过简单叠加扩展至群体EV充电负荷，忽视了交通路网中出行者之间的相互博弈作用对EV出行-充电行为的影响。针对该问题，部分研究引入交通均衡理论模拟出行者在路径规划和充电决策中存在的相互影响。以EV通行时长、充电时长和充电费用为目标规划充电路径，建立了含EV和燃油汽车的混合交通流均衡模型，以模拟EV快充负荷规模，但只考虑了单一时间断面上的交通均衡状态。进一步地，考虑余流现象，建立了多时段的半动态交通均衡模型。

在此基础上，通常采用改变充电电价的方法来影响EV的出行-充电行为，进而改善EV快充负荷的时空分布均衡性。考虑EV在时间维度上具有需求响应特性，制定具有时间属性的电价可以引导用户对充电时段的选择，减小配电网负荷峰谷差。在传统峰谷分时电价的基础上，提出了计及EV负荷特性的动态分时定价策略来平抑负荷峰谷差，即根据前一个时段的电价、负荷水平、日平均负荷数据，制定后一个时段的电价。在传统分时电价和实时电价的基础上，考虑电网侧的调峰需求和用户侧的需求响应意愿，提出了一种分时电价优化方法，即根据EV接入电网后的负荷信息对电价进行动态更新。

时间维度上的电价策略主要针对EV到达目的地后进行慢充的充电场景，不适用于EV在途中充电需求的引导。部分研究通过制定具有空间属性的节点电价来引导用户对充电站点的选择，发掘EV的空间需求响应能力。以改善配电网的供电电压偏差指标——节点关键度为优化目标，提出了计及配电网电能质量及用户响应特性的充电服务费制定方法，其中充电服务费的制定需要满足快充站（fastchargingstation，FCS）总效益维持不变和可行区间约束。提出了基于虚拟负荷和充电站利用率均衡的充电站定价策略，其定价思路主要是根据每座充电站的虚拟负荷与所有充电站平均虚拟负荷之间的差值，优化各座充电站的充电电价，从而能够均衡充电站的利用率。

然而，上述充电定价策略侧重于考虑EV负荷侧的灵活响应，从充电站利益或电网安全性的角度研究充电电价的制定，忽略了配电网“源”的特性，而通过源-荷互动形式可以改善配电网的负荷不均衡，优化负荷曲线。为了充分调度电网侧的灵活性资源，引入配电系统运营商（distributionsystemoperator，DSO），其主要职责包括调度所辖配电区域内的分布式电源（distributedgeneration，DG），并发布充电电价信号以激励EV用户自发响应，实现EV用户与配电网电源的互动，引导充电负荷合理分布，供需双方利益，同时提高配电系统整体的运行安全性。

因此，本文首先通过半动态交通流分配模型模拟EV的行驶路径和充电决策，从而模拟多时段的EV快充负荷分布；然后，结合EV负荷的弹性响应和DSO电源出力调度，提出源-荷互动定价架构，并基于潮流追踪法分别从时间和空间维度推导电价的计算公式；进一步地，提出了考虑负荷均衡和弹性响应的快充电价定价策略。

1源-荷互动下的快充电价定价模式
在出行过程中，当EV的电池电量无法支撑其到达目的地或电池电量低于阈值时，EV用户产生快充需求。假设EV用户可以通过车联网系统获取交通路网的道路车流量、FCS车流量及充电电价信息，交通均衡理论已经描述了车流量对用户出行路径选择的影响。因此，本章首先分析充电电价对用户充电决策的引导机理，将DSO和FCS视作一个整体，由配电网调度机构整体调整FCS的充电电价，提出了一种DSO与EV用户互动的定价模式，并基于潮流追踪法推导了具有时空双维度的充电电价生成方法。

2.1充电电价对EV充电决策的引导机理

1）充电站点的选择。

对于同一时段内充电电价不同的充电站而言，根据EV用户的路径出行成本式（18），如果低充电电价的充电成本加上绕路时间成本仍小于高充电电价的充电成本，则用户会选择绕路充电，从而实现EV快充负荷的空间转移。

出行时刻的选择。
与传统燃油汽车相比，EV具有出行弹性需求。EV的出行、充电需求受到充电时间和充电价格的影响，EV有可能为了避免漫长的充电排队时间或高昂的充电费用而主动改变出行时刻，使得EV出行需求时段和充电负荷发生转移。出行弹性需求描述了EV出行需求根据快充网络不同时段的电价进行弹性调节的规律。负荷维持均衡状态。

2.3具有时空特性的充电电价生成方法

在源-荷互动定价模式下，充电电价对EV充电决策的引导包括充电站点选择（空间属性）、出行时刻选择（时间属性），因此，有必要提出一种具有时空特性的充电电价生成方法。随着新型电力系统的发展，配电网从纯无源的受端系统逐渐转变为含DG的有源系统，因此考虑配电网“源”的灵活特性的电价制定需要反映电力资源在时空中的真实供需价值成本，体现电能的时间价格信号、空间位置价格信号。提出了一种基于潮流追踪法的输电网成本分摊方法，本文将其应用到配电网层面，形成具有时空属性的配电网节点成本电价。配电网节点成本电价由具有时间价格信号属性的发电成本、具有空间位置价格信号属性的配电线路成本两部分组成。

发电成本部分。
DSO可调度的电力资源包括从上级ISO购电和所辖区域内的DG。将配电网内的购电节点和DG均视作发电节点，由此根据潮流追踪法可以推导得到节点成本电价中的发电成本分量。

配电线路成本部分。
利用潮流跟踪法将配电网线路的固定成本公平合理地分摊到各节点，得到节点配电线路成本。

2安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

2.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法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，资要管理、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。

2.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

2.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，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数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

2.4安科瑞充电桩云平台系统功能

2.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

2.4.2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。

2.4.3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。

2.4.4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。

2.4.5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。

2.4.6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。

2.4.7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

2.4.8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。

2.5系统硬件配置

3结论

本文提出了一种考虑负荷时空均衡和弹性响应的快充电价定价策略，所得结论如下：

通过分析电价对用户决策的引导机理，建立了出行时段转移意愿的数学模型，表明弹性响应量与转移时段、敏感系数κ相关，转移时段越小，κ越小，则转移意愿越强；
利用潮流追踪法推导节点成本电价，具有时空引导属性，符合配电网前端接受能力越大的特点，有利于引导快充负荷转移到靠近供电节点的FCS；
基于源-荷互动定价模式架构，提出了快充电价优化模型，采用迭代算法求解可以有效收敛得到快充电价，该电价能够有效提升FCS利用率以及配电网负荷时空均衡性，有利于配电网的安全经济运行。
本文提出的快充电价定价策略假设快充电价由DSO统一制定，然而，随着充电桩市场的快速发展，充电站的运营主体逐渐市场化。因此，研究FCS的市场运营机制将是下一步的方向。

参考文献：

[1]郭景涛，李磊，陈磊，等.充电桩计量重要性的评价

[2]郭景涛，鲁超，符惠群.考虑负荷时空均衡和弹性响应的电动汽车快充电价定价策略

[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