破解老旧社区充电困境：充电桩自适应动态调度与卡尔曼滤波融合

易允恒 安科瑞电气股份有限公司

摘要：本发明提供了一种电动汽车充电设施有序充放电调度方法，该方法由电网调度系统和充电设施进行协商共同确定电动汽车进行有序放电过程中的调峰功率，由电网调度系统根据各充电设施上报的实时状态进行实时分配，然后充电设施对于位于设施内的电动汽车进行有序的、智能的调度管理；充电设施的有序充电策略根据电网的实时负荷进行调整，在安全条件下，使充电设施的功率最优，保持充电设施的充电功率在电网给充电设施分配的充电功率附近，同时又不超出设备的安全条件。实现电动汽车充电设施和电网之间电能受控、有序地双向交换，实现充电设施管理系统的开放性及其与电网的互动操作性。

关键词：电动汽车；有序充放电；扩展卡尔曼滤波；电网调度；荷电状态

0引言

我电网的负荷具有严重的不对称性，由于这个不对称的原因导致电力系统出现峰谷差，而且这个差值日益增大。为了负荷的正常运行，电力系统的装机容量必须满足最大负荷的需求，这造成电力系统中的装机容量很大一部分只能在峰值负荷这一段集中的时间内得到利用，而其他的时间则处于备用状态，造成设备的冗余，效率低下。另外，发电、输电和用电必须同时进行，这就意味着发电量和用电量必须完美地匹配，并且需要有足够的能力来维持连续地调节，以保持频率的稳定。

1社区充电设施配置困境分析

1.1电网负荷波动与容量限制

社区配电系统设计容量较低，电动汽车集群充电易引发局部过载。研究表明，充电负荷高峰时段（如晚8-10点）功率需求可达低谷时段的3倍以上，传统固定功率分配模式难以适配动态负荷，导致变压器超载风险增加。

1.2电池状态监测精度不足

现有充电桩缺乏高精度SOC估计能力，用户充电行为不确定性高（如充电时长1-6小时占比73.18%），无序充电加剧负荷峰谷差。低精度SOC估计还会导致充电效率下降，延长车辆占用时间，进一步降低设施利用率。

1.3动态调度策略缺失

社区充电桩多采用“先到先充”策略，缺乏与电网的实时交互能力。48.78%的用户充电弹性系数超过70%，但现有系统无法有效利用这一潜力，导致充电负荷难以转移至低谷时段。

2电动汽车市场现状

电动汽车在能源方面优势的显现，目前市场上电动汽车的数量增多，电动汽车在充电的时候是一种用电负荷，需要从电网中吸收能量；在向电网放电时又可以看作分布式能源或储能设备。电动汽车在智能电网中扮演一个重要的角色，能应用到电力系统的许多重要的领域，典型的、有应用前景的功能应用就是参与电网的配电调度中来，提高电网的稳定性，提高能源的利用率，提高电力系统效率，减少发电热备用，减少不必要的投资，同时又可以给用户带来可观的收入。同时，还可以将电动汽车作为新能源并网所造成的负面效应的平抑设备和各类应急电源等领域。因此，如何充分利用电动汽车充电设施作为分布式储能设施，实现电动汽车充电设施和电网之间电能受控、有序地双向交换，实现充电设施管理系统的开放性及其与电网的互动操作性，是目前迫切需要解决的问题。
3电动汽车充电设施有序充放电调度方法

步骤1、采用扩展卡尔曼滤波算法对电池荷电状态值进行估计；

电池的状态方程为：

对式(7)进行线性化处理，分别得到状态方法的系数矩阵A、B、C、D：

Dk=-R1；

卡尔曼算法迭代方程为：

式(8)中，

为状态量先验估计，Ak-1为系统状态矩阵，Bk-1为输入激励矩阵，Ck与Dk为观测矩阵；Xk为系统k时刻的状态向量；Yk为系统观测向量；Uk为控制向量；Wk为系统噪声，

Vk为观测噪声，

Pk为状态估计误差的方差矩阵；Pk/k-1为先验估计方差矩阵；Lk为滤波增益矩阵。

根据电池的状态方程和卡尔曼算法迭代方程，得出卡尔曼滤波增益计算公式为：

最优状态估计的计算公式为：

卡尔曼均方误差的计算公式为：

Pk＝[I-KgCk]Pk/k-1(11)

步骤2、对电动汽车充电设施进行有序充放电调度；

步骤2.1、采用以电网调度系统分配的需求功率PD作为充电设施有序放电的基准，用电动汽车的荷电状态作为判断依据，采用基于荷电状态的最优功率有序放电策略，设置第一目标函数描述为：

式(12)中，PD表示电网调度系统分配到充电设施的调度功率；Pi、Pj表示每一辆电动汽车合适的放电功率；N表示参与放电的电动汽车的数量；PD≤PE表示需求功率PD不能超过充电设施的总供电额定功率；iD≤iDMax表示充电设施总供电电流id不超过允许的最大供电电流；Pi≤PiMax表示电动汽车放电功率Pi不超过允许的最大放电功率；ii≤iiMax表示电动汽车放电电流不超过动力电池允许的最大放电电流；

表示充电设施内的每一辆电动汽车的剩余电量向平均电量靠近，即与平均电量差值大的电动汽车优先放电；socimin≤soci表示电动汽车动力电池的荷电状态值不低于荷电状态下限值；t1≤t≤t2表示有序放电策略执行的时间段在规定的时间段内。

步骤2.1.1、充电设施管理系统实时地根据充电设施内电动汽车的状态向电网调度系统发送状态报告；

步骤2.1.2、在t1≤t≤t2某一时刻，电网出现峰值负荷，则电网调度系统对峰值负荷进行实时分析和计算之后，根据充电设施最近上报的情况给充电设施管理系统发布需求功率PD；

步骤2.1.3、充电设施管理系统收到调度信息之后，判断PD是否超过充电设施的额定功率PF，如果超过额定功率PF则以额定功率PF出力，如果在额定功率PF以下，则根据充电设施内的电动汽车的状况进行功率分配计算，确定有序放电模式，然后确定参与有序放电的电动汽车；在放电过程中实时采集放电电流、电压等信息，实时计算每辆电动汽车的放电功率，判断放电电流和放电功率是否在规定范围内；有序放电过程中实时接收电动汽车上报的电池荷电状态信息，实时监测各电动汽车的荷电状态，必要时做出相应调整；

其中，所述步骤2.1.3中的功率分配具体步骤如下：

(1)计算能够满足放电功率需要的电动汽车数量；

①将电动汽车按照荷电状态的分段来进行分类，确定每类电动汽车的数量，并进行按类编号

②计算充电设施的荷电状态平均值；

③记录对荷电状态值大于平均荷电状态值的电动汽车的类别、数量；

④将电动汽车功率上限分为1/2、2/3、5/6三个分界点；

⑤计算第一类电动汽车以第④步中的3个功率点进行有序放电时能否满足功率分配要求，如果不满足要求，则执行第⑥步；如果满足要求则求出电动汽车数量，并跳到(2)执行；

⑥计算加上与之相邻的下一类电动汽车以第④步中的3个功率点进行有序放电时能否满足要求，直到满足要求，算出电动汽车数量；

(2)按照荷电状态加权分配功率；

①求出所有参与有序放电过程的电动汽车类的荷电状态值；

②按照式(13)在调度功率的基础上按照每类荷电状态值对每类电动汽车进行加权分配功率；

(3)实时计算参与有序放电的电动汽车的荷电状态值；

(4)将计算得到的实时荷电状态值与未参与的电动汽车荷电状态值进行比较；

(5)根据第(4)步的比较结果来重新调整参与放电的电动汽车数量，若参与有序放电的电动汽车中有荷电状态值小于或等于未参与的电动汽车的荷电状态值，则将该类原本未参与放电的电动汽车纳入到有序放电过程中来；若参与有序放电的电动汽车中所有荷电状态值大于未参与的电动汽车的荷电状态值，则转到第(7)步执行；

(6)执行步骤(2)的第①步重新计算当前电动汽车类的荷电状态值，并执行步骤(2)的第②步计算调整数量后的各类电动汽车的功率Pi，并重新分配实时功率；

(7)跳到步骤(3)执行。

步骤2.2、设置电网给充电设施分配的功率为PD，每一辆电动汽车的充电功率为Pi，则功率最优表示为充电设施的额定功率与电动汽车群充电总功率差值最小，表示如下：

考虑的安全因素包括充电模式选择、电动汽车充电电流限制、充电设施供电电流限制、电动汽车充电功率限制、充电设施功率限制、电动汽车荷电状态值限制、充电时间限制，因此，设置第二目标函数描述如下：

式(15)中，PD≤PN表示电网给充电设施分配的充电功率不超过充电设施的额定功率；iS≤iSMax表示充电设施总供电电流小于或等于允许的最大供电电流；Pe≤PeMax表示电动汽车充电功率小于或等于允许的最大充电功率；ie≤ieMax表示电动汽车充电电流小于或等于允许的最大充电电流；socmin≤soc≤socmax表示电动汽车动力电池的不同充电模式对应的荷电状态值不应该超过上限或下限；t1≤t≤t2表示有序充电策略执行的时间段在规定的时间段内；soc1≤soct2≤100表示到充电时间结束时刻电动汽车荷电状态值应该达到不低于soc1的标准，同时不会过充电。

电网在负荷低谷时，会给充电设施分配实时的需求功率PD，充电设施收到分配功率指令后，开始以下流程对设施内的电动汽车进行充电方案确定和充电功率分配。

步骤2.2.1、充电设施在接收到电网分配的需求功率PD后，将其与本充电设施的额定功率PE进行比较，如果电网分配的需求功率PD比充电设施额定功率PE小，则以电网分配的需求功率PD为充电基准功率，如果电网分配的需求功率PD大于充电设施额定功率PE，则以充电设施额定功率PE为充电功率基准；

步骤2.2.2、在确定基准功率之后，确定充电方案、分配充电功率，启动有序充电过程。

步骤2.2.3、在有序充电过程需要实时测量充电电流和充电功率，并判断充电电流和充电功率是否超出安全限制，实时获取电动汽车的荷电状态值，并计算当前的充电方案和充电功率分配是否合适，如果合适则继续延续上一刻的方案，如果不合适则适当调整方案。

(1)统计充电设施内当前的荷电状态情况，找出荷电状态值最小的一类电动汽车；

(2)计算当前时刻到规定的电网负荷谷值结束时刻的时长T，T是充电的最长时间；

(3)计算荷电状态值小于0.9的电动汽车的数量；

(4)将基准功率按照式(16)进行加权分配，保证功率分配满足的条件要求；

(5)以式(16)中得到的每类电动汽车的功率Pi进行恒功率充电，判断是否超过每类电动汽车允许的充电功率最大值Pmax，判断如下：

①若Pi<Pmax，则以Pi功率进行有序充电；

②若Pi>Pmax，则以Pmax功率进行有序充电；

(6)实时监测充电设施内电动汽车的荷电状态，当每类电动汽车充电到荷电状态达到90％，则将该类电动汽车转为恒压充电，并启动一定数量的之前未参与充电的荷电状态不小于90％的电动汽车开始恒压充电，若有M辆电动汽车开始恒压充电，则需要保证

的同时，满足

(7)计算恒压充电电流，并计算M辆电动汽车的恒压功率

判断充电电流是否超过电动汽车的电流最大值；

(8)执行步骤(3)，按照

来重新分配功率；

(9)计算步骤(8)中的功率是否在规定功率Pmax范围内，如果不超过Pmax，则按实时计算得到的功率进行充电，如果超过Pmax，则按照Pmax进行充电；

(10)实时监测动力电池的荷电状态值，若有电动汽车的荷电状态值达到100％则停止该类电动汽车充电。

4安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

4.1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。

4.2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。

4.3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。

4.4安科瑞充电桩云平台系统功能

4.4.1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。

4.4.2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。

4.4.3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。

4.4.4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。

4.4.5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。

4.4.6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。

4.4.7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

4.4.8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。

4.5系统硬件配置

5结语

所述电动汽车充电设施有序充放电调度方法由电网调度系统和充电设施进行协商共同确定电动汽车进行有序放电过程中的调峰功率，由电网调度系统根据各充电设施上报的实时状态进行实时分配，然后充电设施对于充电设施内的电动汽车进行有序的、智能的调度管理。充电设施的有序充电策略根据电网的实时负荷进行调整， 在安全条件下，使充电设施的功率最优，保持充电设施的充电功率在电网给充电设施分配的充电功率附近，同时又不超出设备的安全条件。实现电动汽车充电设施和电网之间电能受控、有序地双向交换，实现充电设施管理系统的开放性及其与电网的互动操作性。