基于逐級(jí)電網(wǎng)安全的電動(dòng)汽車有序用電策略和系統(tǒng)框架

李 晶

承德市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)所 河北 承德 067000

引言

目前,我國(guó)已將推廣電動(dòng)汽車列入了戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的高度,作為全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)中增長(zhǎng)率和保有量最大的國(guó)家,截至2018年底,我國(guó)電動(dòng)汽車的增長(zhǎng)率達(dá)到了70%,保有量達(dá)到了211萬(wàn)輛。根據(jù)相關(guān)新聞資料預(yù)測(cè),預(yù)計(jì)到2030年,我國(guó)的電動(dòng)汽車保有量將達(dá)到1 億輛,充電功率將達(dá)到1000GW,相當(dāng)于目前國(guó)內(nèi)所有煤電裝機(jī)的總和。其中,預(yù)計(jì)北京市在2035年,電動(dòng)汽車規(guī)模將達(dá)到247萬(wàn)輛,最大充電功率達(dá)到9GW,如此巨大規(guī)模的負(fù)荷接入電網(wǎng),將進(jìn)一步增大電網(wǎng)負(fù)荷曲線的峰谷差,對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)巨大的沖擊,如果繼續(xù)以現(xiàn)有電網(wǎng)規(guī)劃原則接入電動(dòng)汽車負(fù)荷,電源和電網(wǎng)側(cè)的基建投資和規(guī)模將十分龐大,考慮到我國(guó)能源資源儲(chǔ)備有限,大氣環(huán)境污染壓力突出,新建相同規(guī)模的電源對(duì)我國(guó)現(xiàn)狀發(fā)展情況來(lái)看,是十分不現(xiàn)實(shí)的,因此,需要提高電力系統(tǒng)中電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的設(shè)備運(yùn)行效率,增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線進(jìn)行“削峰填谷”。在我國(guó)電力市場(chǎng)建設(shè)還不完善的情況下,當(dāng)前所采取的需求側(cè)管理手段通常采用以政府行政手段為主、經(jīng)濟(jì)手段為輔的方式,安排對(duì)電力大用戶、高耗能企業(yè)等在用電高峰季節(jié)和日高峰時(shí)段進(jìn)行設(shè)備檢修或錯(cuò)峰生產(chǎn)。2018年河北南部電網(wǎng)在夏季負(fù)荷高峰期間以上述方式對(duì)用戶進(jìn)行限電,最大限電負(fù)荷達(dá)到了5.12GW,根據(jù)調(diào)研相關(guān)限電經(jīng)濟(jì)損失資料,預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)11.1億元人民幣。因此,對(duì)于一些可中斷、可調(diào)節(jié)特性的負(fù)荷如電動(dòng)汽車負(fù)荷等,臨時(shí)的降低或停止供電功率不會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,可作為理想的需求側(cè)管理的目標(biāo)負(fù)荷。隨著國(guó)家電網(wǎng)有限公司對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè),電網(wǎng)具備對(duì)電動(dòng)汽車負(fù)荷的實(shí)時(shí)感知和控制能力,同時(shí)也具備了對(duì)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的全面共享的能力,對(duì)接入電網(wǎng)中的電動(dòng)汽車采取有序用電奠定了基礎(chǔ)。

1 電動(dòng)汽車的充電模式

1.1 常規(guī)充電 常規(guī)充電也被稱為慢速充電。這種充電方式通過(guò)較小的充電電流對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行能量補(bǔ)充,并且充電過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊性比較小,不過(guò)缺點(diǎn)是充電功率較小,相應(yīng)的充電時(shí)間也較長(zhǎng),因此比較適用于停車時(shí)間較久的電動(dòng)汽車用戶。常見(jiàn)的如小區(qū)充電樁、辦公.區(qū)充電樁以及人群集聚量較大的場(chǎng)合。

1.2 電動(dòng)汽車用戶的出行規(guī)律 私用車適用人群大部分是對(duì)于上班族以及上學(xué)的學(xué)生,私用車每天的行程分布規(guī)律比較明顯,由于私家車往往分布于小區(qū)或者辦公區(qū)。于用戶的上下班時(shí)間一般比較固定,所以私家車的充電習(xí)慣以及離開(kāi)充電站的時(shí)間也會(huì)遵循一定的規(guī)律,所以采用私家車模擬充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響客觀上有很大的合理性與可行性。通過(guò)調(diào)研北京市各類充電樁的服務(wù)情況,歸納充電樁的充電服務(wù)邊界為：充電樁按類型分為私人樁和公共樁兩大類,考慮充電樁建設(shè)進(jìn)度滿足電動(dòng)汽車的充電需求。私人樁根據(jù)2017年數(shù)據(jù),北京市12萬(wàn)輛私家車,建設(shè)了8.33萬(wàn)個(gè)私人充電樁,受老舊小區(qū)和停車位等問(wèn)題的影響,私人樁建設(shè)比例約為70%。預(yù)計(jì)2035年私人建樁比例達(dá)到80%。私人充電樁充電功率主要約為7kW。2035年每次平均充電80kWh,充電樁利用率50%(有效充電時(shí)間12h/d),每天每樁服務(wù)車輛為1車次。按照有私人充電的樁私家車(公務(wù)車)用戶70%的電能補(bǔ)給需求由自有充電樁滿足,30%由公共網(wǎng)絡(luò)滿足,無(wú)固定私人樁的私家車(公務(wù)車)用戶100%的電能補(bǔ)給由公共網(wǎng)絡(luò)滿足。

2 電動(dòng)汽車有序用電策略和系統(tǒng)框架

2.1 有序用電策略 通過(guò)上述有序用電目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,計(jì)算得到的各時(shí)段的充電負(fù)荷曲線,可平均分?jǐn)傊了谐潆姌秱?cè),也可通過(guò)與用戶簽訂協(xié)議遠(yuǎn)程關(guān)斷部分充電樁充電功能來(lái)實(shí)現(xiàn),考慮電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際情況,根據(jù)上述模型建立相關(guān)的綜合策略流程。在日前計(jì)劃策略中,首先對(duì)電網(wǎng)整體負(fù)荷曲線、逐級(jí)設(shè)備負(fù)荷曲線和電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線進(jìn)行日前預(yù)測(cè),通過(guò)預(yù)測(cè)結(jié)果建立有序用電模型信息庫(kù),對(duì)電網(wǎng)整體負(fù)荷曲線和考慮電網(wǎng)逐級(jí)設(shè)備安全進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算,計(jì)算出電網(wǎng)中電動(dòng)汽車的日前用電計(jì)劃。在日中實(shí)施策略中,電網(wǎng)執(zhí)行日前用電計(jì)劃,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)備負(fù)荷和充電樁負(fù)荷數(shù)據(jù),由下至上對(duì)逐級(jí)電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行校核,如發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備越限,切換至日中實(shí)時(shí)策略,立即在既有充電計(jì)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行越限緊急控制,通過(guò)更新約束條件,以消除電網(wǎng)設(shè)備越限進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,重新進(jìn)行電網(wǎng)整體負(fù)荷曲線和電網(wǎng)逐級(jí)設(shè)備的目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算,如發(fā)現(xiàn)設(shè)備仍越限,向調(diào)度運(yùn)行平臺(tái)發(fā)出方式調(diào)整命令,如無(wú)相應(yīng)方式調(diào)整措施或調(diào)整措施無(wú)效,發(fā)出設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

2.2 有序用電系統(tǒng)框架 電動(dòng)汽車負(fù)荷參與有序用電的前提是國(guó)家電網(wǎng)有限公司的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的全面建成,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中,國(guó)網(wǎng)云平臺(tái)具備根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的建模進(jìn)行短期預(yù)測(cè)未來(lái)負(fù)荷曲線的能力,在電網(wǎng)臺(tái)區(qū)配變側(cè)至500k V主變側(cè)均具備邊緣計(jì)算能力,可實(shí)時(shí)接收逐級(jí)變壓器的負(fù)荷曲線數(shù)據(jù),充電樁側(cè)加裝一些傳感器和能量路由器,具備實(shí)時(shí)監(jiān)控充電負(fù)荷曲線、多方向功率調(diào)節(jié)能力,用戶通過(guò)手機(jī)端可與充電樁側(cè)針對(duì)是否參與有序用電、預(yù)計(jì)用車時(shí)間以及預(yù)期充電的SOC值等內(nèi)容進(jìn)行交互,交互信息可作為目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中的新約束條件。通過(guò)將電網(wǎng)整體和電網(wǎng)逐級(jí)設(shè)備負(fù)載曲線信息采集至數(shù)據(jù)中臺(tái)存儲(chǔ)和共享,將數(shù)據(jù)推送至電網(wǎng)云平臺(tái)側(cè)進(jìn)行負(fù)荷曲線的預(yù)測(cè),通過(guò)對(duì)電網(wǎng)整體負(fù)荷曲線和考慮電網(wǎng)逐級(jí)設(shè)備安全的有序用電模型信息庫(kù)的搭建,進(jìn)行日前有序用電計(jì)劃的制定,將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至逐級(jí)電網(wǎng)設(shè)備中的邊緣代理側(cè),作為邊緣代理側(cè)進(jìn)行日中實(shí)時(shí)策略計(jì)算的初始條件,由邊緣代理側(cè)進(jìn)行針對(duì)具體設(shè)備的目標(biāo)優(yōu)化的實(shí)時(shí)計(jì)算,達(dá)到保障設(shè)備運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)的目的。

結(jié)語(yǔ)

本文未著重考慮電動(dòng)汽車用戶或電動(dòng)汽車聚合商在此工作中的影響因素,在今后的研究中還應(yīng)全面考量多種利益相關(guān)方的影響,以推進(jìn)需求側(cè)響應(yīng)市場(chǎng)的建立和完善。