淺談電動汽車充電對配電網負荷的影響及有序控制策略

江蘇安科瑞電能服務股份有限公司 江蘇江陰 214400

摘要：隨著電動汽車的快速發展，其充電行為對配電網產生顯著影響。本文分析了電動汽車充電技術特性及配電網運行原理，探討了電動汽車充電對配電網負荷、電壓和穩定性的影響，包括高峰時段負荷過載、負荷隨機性增加預測難度、電壓波動影響充電效率及其他設備、頻率下降影響穩定性和功率平衡挑戰等。提出了協調充電時間、智能充電和構建有序充電模型等有序控制策略。最后總結了研究結論，并對未來進一步優化有序控制策略和探索新技術應用進行了展望。

關鍵詞：電動汽車充電；配電網負荷；有序控制策略

一、引言

1.1研究背景

隨著環保意識的增強和技術的不斷進步，電動汽車迎來了快速發展的時期。近年來，我國新能源汽車銷量持續增長，據相關數據顯示，2023年新能源汽車銷量再創新高。電動汽車作為一種環保、節能的交通工具，其發展前景廣闊。然而，電動汽車的大規模普及也給配電網帶來了巨大的挑戰。

電動汽車的充電行為具有隨機性和不確定性，大量電動汽車同時充電可能會導致配電網負荷過載，影響電網的正常運行。此外，電動汽車充電的高峰時段往往與居民用電高峰時段重合，進一步加劇了電網的負擔。例如，有研究表明，電動汽車無序充電導致配電網負荷高峰，高峰時段充電量占日充電總量的70%，極大地增加了電網波動。

為了應對電動汽車充電對配電網負荷的影響，有序控制策略成為關鍵。通過合理規劃充電設施、采用智能充電技術、引導用戶行為等措施，可以有效減輕電動汽車充電對配電網的影響，保障電網的安全穩定運行。同時，有序控制策略也有助于提高能源利用效率，促進電動汽車產業的健康發展。

1.2研究目的

隨著電動汽車數量的不斷增加，其充電行為對配電網的影響日益顯著。本研究的目的在于探討有效的智能有序控制策略，以降低電動汽車充電對配電網的負面影響。

電動汽車的充電需求具有隨機性和不確定性，這給配電網的負荷預測和調度帶來了極大的挑戰。例如，自然資源保護協會與國網能源研究院有限公司聯合發布的報告指出，到2020年與2030年，在無序充電情形下，國家電網公司經營區域峰值負荷將分別增加1361萬千瓦和1.53億千瓦。分區域來看，加快發展地區占比最大，超過62%和58%；分設施來看，分散式專用充電樁占比最大，約 68%和75%。

為了應對這些挑戰，需要采取一系列智能有序控制策略。首先，協調充電時間是一種有效的方法。通過政策引導和高級計量系統、智能軟硬件的支持，鼓勵電動汽車用戶避開充電高峰期。例如，私家車用戶可以在每日上午進行快速充電，或者在每日15：00之前利用公用充電設施慢充，以保證在下午充電高峰到來之前完成充電。公交車的充電時段調控可參考私家車充電的方式，并根據其運行規律采用不同的調控模式加以引導。

其次，智能充電技術的應用可以有效減輕電動汽車充電對配電網的影響。例如，集中式充電控制策略可以減小充電負荷的峰谷差，避免配電網負荷的波動；分布式充電控制策略可以借助通信技術動態檢測電動汽車的充電時間、初始狀態、充電功率等，并為電動汽車用戶提供個體化的充電方案。

綜上所述，通過探討有效的智能有序控制策略，可以降低電動汽車充電對配電網的負面影響，保障配電網的安全穩定運行，促進電動汽車產業的健康發展。

二、理論基礎

2.1電動汽車充電技術特性

電動汽車的充電技術特性在其發展和推廣中起著至關重要的作用。不同的特性決定了其在不同場景下的應用，也影響著用戶的使用體驗和電網的運行穩定性。

2.1.1充電速度與用戶體驗

快充技術的出現極大地提升了用戶的使用體驗。例如，一些電動汽車品牌采用高電壓、大電流的快充技術，能在短時間內為車輛補充大量電量。以部分車型為例，使用快充技術可以在 30 分鐘內將電池電量從 20%提升到 80%，大大縮短了用戶的充電等待時間。

然而，快充技術對電網也帶來了一定的影響。一方面，快充站的建設需要大量的電力資源，可能會增加電網的負荷壓力。據統計，一個功率為 120kW 的快充樁，其充電電流可達幾百安培，相當于幾十戶家庭的用電負荷。另一方面，快充過程中會產生較大的電流波動，可能影響電網的電壓穩定性。

2.1.2充電安全性保障

充電安全性是電動汽車發展的重要保障，涉及電氣安全和電池安全兩個方面。

在電氣安全方面，充電樁都應配置了漏電保護、過流保護和防雷等電氣防護設備。例如，充電樁柱體安裝了防盜鎖，為用戶提供基本的安全保障。充電干路上的空氣開關、漏保開關、交直流接觸器和浪涌保護器對整個系統形成多級保護。系統軟件智能實時監控，一旦出現任何異常，在毫秒級別的時間內切斷整個充電電流回路，確保操作人員和設備安全。

在電池安全方面，純電動汽車配有BMS電源管理系統，會在充電時時刻關注電池組的狀態，調整充電功率以調節溫度等，并且在充滿電后會自動切斷電源。此外，充電啟動前，純電動汽車的充電口，以及充電樁都要進行絕緣檢測，若絕緣檢測失敗，則無法啟動充電。充電樁還設計有短路保護，如果充電過程發生短路，設備也會第一時間切斷充電電流，以確保安全性。

2.2配電網運行原理

配電網是電力系統中連接輸電網和用戶的重要環節，其結構和功能直接影響著電力的供應質量和可靠性。配電網主要由變壓器、配電線路、開關設備等組成，其功能是將高壓電能降壓后分配給各個用戶。

2.2.1配電網結構與負荷承載

變壓器在配電網中起著關鍵的作用，它將高壓電能降壓為適合用戶使用的電壓等級。在承載電動汽車充電負荷時，變壓器需要根據充電負荷的大小和變化進行合理的配置和調整。例如，當電動汽車充電負荷增加時，變壓器可能需要承受更大的電流和功率，這就要求變壓器具有足夠的容量和過載能力。一般來說，變壓器的容量越大，其承載充電負荷的能力就越強。

配電線路是將電能從變壓器輸送到各個用戶的通道。在承載充電負荷時，配電線路需要考慮電流大小、線路長度、導線截面積等因素。根據搜索素材中的數據，當新能源汽車在住宅區的保有量達到一定規模后，此時“居民端"在電網的用電量將會是原來的4-5倍。以一個近似的數據來做個比較，如一輛新能源汽車的平均電池容量是70kw.h，其每天/每次充電電量為總容量的50%計算（SOC從30%充到80%），即每次的充電量是35kw.h。若一個人一天平均用掉10度電，則一輛新能源汽車一次充電的用電量就相當于3.5個人一天的用電量。這意味著配電線路需要具備足夠的載流能力，以滿足電動汽車充電負荷的需求。否則，可能會導致線路過熱、電壓下降等問題，影響電網的正常運行。

2.2.2配電網穩定性指標

電網頻率是衡量電網穩定性的重要指標之一。電動汽車充電負荷的變化可能會影響電網頻率的穩定性。當大量電動汽車同時充電時，電網的負荷會突然增加，可能導致電網頻率下降。為了維持電網頻率的穩定，電力系統需要采取相應的措施，如調整發電機的輸出功率、啟動備用電源等。

功率平衡也是配電網穩定性的重要指標。在配電網中，發電功率和負荷功率需要保持平衡，以確保電網的正常運行。電動汽車充電負荷的增加會打破這種平衡，可能導致功率缺額或過剩。為了維持功率平衡，電力系統需要根據充電負荷的變化及時調整發電功率，或者采取需求側管理措施，如引導用戶合理安排充電時間、采用智能充電技術等。

此外，電動汽車充電負荷的隨機性和不確定性也會給配電網的穩定性帶來挑戰。為了應對這些挑戰，電力系統需要加強對充電負荷的預測和管理，提高電網的靈活性和適應性。例如，可以采用大數據分析、人工智能等技術，對電動汽車充電負荷進行精準預測，為電網的調度和規劃提供依據。同時，也可以通過建設智能配電網、推廣儲能技術等措施，提高電網的穩定性和可靠性。

三、電動汽車充電對配電網的影響

3.1對配電網負荷的影響

隨著電動汽車數量的不斷增加，其對配電網負荷的影響日益顯著。

3.1.1高峰時段負荷過載

在高峰時段，大量電動汽車同時充電可能會導致局部電網負荷過載。例如，公安部最新數據顯示，截至6月底，全國新能源汽車保有量達1620萬輛，占汽車總量的4.9%。其中，純電動汽車保有量占新能源汽車總量的77.8%。上半年，新注冊登記新能源汽車312.8萬輛，同比增長41.6%，創歷史新高。如此龐大的電動汽車數量，在高峰時段同時充電，會給局部電網帶來巨大壓力。以北京為例，大部分電動汽車車主充電時間是晚6點下班后，此時正值居民用電晚高峰，這就與居民生活負荷高度重疊，拉高居住區峰值負荷，影響電網設備的經濟性和安全性。大量電動汽車在高峰時段的集中充電，可能使局部電網負荷超過其承載能力，導致電網故障甚至停電。

3.1.2負荷隨機性與預測難度

電動汽車充電的隨機性和不確定性給電網負荷預測和調度帶來了極大的挑戰。一方面，電動汽車的充電行為受到用戶出行習慣、電池電量、充電設施可用性等多種因素的影響，難以準確預測。例如，用戶可能在任何時間、任何地點進行充電，而且充電時長也不確定。另一方面，隨著電動汽車數量的快速增長，這種隨機性和不確定性對電網的影響也越來越大。根據搜索素材中的數據，自然資源保護協會與國網能源研究院有限公司聯合發布的報告指出，到2020年與2030年，在無序充電情形下，國家電網公司經營區域峰值負荷將分別增加1361萬千瓦和1.53億千瓦。分區域來看，加快發展地區占比最大，超過62%和58%；分設施來看，分散式專用充電樁占比最大，約68%和75%。這種不確定性使得電網負荷預測變得更加困難，難以準確安排發電和輸電計劃，影響電網的穩定運行。為了應對這種挑戰，需要采用先進的技術手段，如大數據分析、人工智能等，對電動汽車充電負荷進行精準預測，同時結合智能充電技術和需求側管理措施，提高電網的靈活性和適應性。

3.2對配電網電壓的影響

電動汽車充電過程中，電網的電壓可能會因為負荷的快速變化而出現波動，這對配電網電壓產生了多方面的影響。

3.2.1電壓波動與充電效率

電壓波動會顯著影響電動汽車的充電效率。當電網電壓波動較大時，充電設備需要不斷調整輸出功率以適應電壓變化，這可能導致充電時間延長。例如，根據搜索素材中的數據，極氪001使用超級充電樁進行充電時，由于站點電壓不夠，整個充電過程比較漫長，未達到預估值。如果電網電壓不穩定，充電設備可能無法以最佳功率輸出，從而降低充電效率。此外，電壓波動還可能影響電池的壽命和性能。頻繁的電壓波動可能使電池內部化學反應不穩定，加速電池老化，降低電池的容量和續航里程。

3.2.2對其他設備的影響

電壓波動對電網中其他用電設備也有很大危害。一方面，可能導致設備運行不穩定。一些精密電子設備對電壓變化非常敏感，如計算機、醫療設備等。當電網電壓波動時，這些設備可能出現故障、數據丟失或誤操作。另一方面，可能縮短設備壽命。長期處于電壓波動環境下的設備，其內部電子元件容易受到損壞，從而降低設備的使用壽命。例如，一些家用電器在電壓波動時可能出現噪音增大、發熱異常等現象，長期使用可能會提前損壞。此外，電壓波動還可能引發諧波污染，影響電網的電能質量，進一步對其他用電設備造成不良影響。例如，電動汽車充電產生的諧波可能與其他設備產生的諧波疊加，導致電網中的諧波含量超標，影響電網的正常運行。

3.3對配電網穩定性的影響

3.3.1頻率下降與穩定性

大量電動汽車同時充電可能會導致電網頻率下降，影響電網的穩定性。隨著電動汽車保有量的不斷增加，其充電需求也日益增長。當大量電動汽車在同一時間段集中充電時，電網的負荷會突然增加。根據搜索素材中的數據，電力規劃設計總院預計，到2030年全國電動汽車充換電的理論最大負荷或達到25億千瓦，將與我國全社會最大用電負荷基本相當。如此大規模的充電需求，會使電網的發電功率難以迅速響應，從而導致電網頻率下降。

電網頻率的下降會對電網的穩定性產生嚴重影響。一方面，可能會影響發電機的運行穩定性。發電機的轉速與電網頻率密切相關，頻率下降會導致發電機轉速降低，可能使發電機進入不穩定運行區域，甚至引發發電機跳閘等故障。另一方面，可能影響電力系統的繼電保護裝置。繼電保護裝置通常是根據電網的頻率、電壓等參數進行動作的，頻率下降可能導致繼電保護裝置誤動作，影響電網的正常運行。

3.3.2功率平衡挑戰

電動汽車充電的不確定性給電網功率平衡帶來了巨大挑戰。電動汽車的充電行為具有隨機性和不確定性，用戶可能在任何時間、任何地點進行充電，而且充電時長也不確定。這種不確定性使得電網的負荷預測變得更加困難，難以準確安排發電和輸電計劃。

例如，在某些時段，大量電動汽車同時充電，可能導致電網的負荷瞬間增加，打破功率平衡。而在其他時段，電動汽車充電需求較少，又可能導致電網的發電功率過剩。為了維持電網的功率平衡，電網運營商需要采取一系列措施。一方面，可以通過調整發電機的輸出功率來適應電網負荷的變化。當電動汽車充電負荷增加時，增加發電機的輸出功率；當充電負荷減少時，降低發電機的輸出功率。另一方面，可以采用需求側管理措施，引導用戶合理安排充電時間，避免在電網負荷高峰時段充電。例如，通過價格機制，鼓勵用戶在低谷時段充電，以減少對電網的壓力。

此外，還可以利用儲能技術來應對電動汽車充電帶來的功率平衡挑戰。儲能設備可以在電網負荷低谷時段充電，在負荷高峰時段放電，從而起到削峰填谷的作用，維持電網的功率平衡。例如，南方電網深圳供電局的虛擬電廠管理中心，目前已接入1.8萬支充電樁。充電樁等電力負荷側資源通過技術和算法聚合控制后，相當于一個云端電廠，可隨時響應電網調度進行調峰，同時滿足深圳海量電動汽車的充電需求。

四、電動汽車充電有序控制策略

4.1協調充電時間策略

協調充電時間是一種有效的電動汽車充電有序控制策略，通過政策引導和智能軟硬件的支持，可以協調不同類型電動汽車的充電時段，避免充電高峰與電網負荷高峰重合，從而改善配電網的負荷特性。

4.1.1政策引導與用戶響應

政策引導在協調充電時間策略中起著關鍵作用。政府可以制定一系列政策，鼓勵電動汽車用戶避開充電高峰期。例如，根據不同時段的電價劃分原則，實行峰谷電價政策，在用電低谷時段給予較低的電價，引導用戶在此時段充電。據統計，實行峰谷電價后，部分地區的低谷電價可降低至高峰時段的一半甚至更低，這對于用戶來說具有很大的吸引力。

此外，政府還可以通過宣傳教育等方式，提高用戶對充電時間協調的認識和響應度。例如，利用媒體、網絡等渠道，向用戶普及電動汽車充電對電網的影響以及協調充電時間的重要性，鼓勵用戶積極配合政策引導，合理安排充電時間。

4.1.2不同類型車輛調控

對于私家車和公交車等不同類型的電動汽車，可以采用不同的充電時段調控模式。

對于私家車，由于其充電行為相對較為靈活，可以通過政策引導和智能軟硬件的支持，鼓勵用戶在每日上午（充電低峰）進行快速充電，或者在每日15：00之前利用公用充電設施慢充，以保證在下午充電高峰到來之前完成充電。例如，一些城市推出了智能充電APP，用戶可以通過APP查看附近充電樁的使用情況和電價信息，選擇合適的充電時段和地點。

對于公交車，由于其行駛里程和運營時間相對固定，可以根據其運行規律采用不同的調控模式加以引導。例如，可以在公交車非運營時間集中充電，或者在白天利用公交場站的充電樁進行分散充電。同時，政府和公交公司可以通過智能調度系統，合理安排公交車的充電時間和充電地點，避免與電網負荷高峰重合。

總之，協調充電時間策略是一種有效的電動汽車充電有序控制策略，通過政策引導和智能軟硬件的支持，可以協調不同類型電動汽車的充電時段，避免充電高峰與電網負荷高峰重合，從而改善配電網的負荷特性，保障電網的安全穩定運行。

4.2智能充電策略

智能充電策略在電動汽車充電有序控制中發揮著重要作用，能夠有效解決充電時間、地點不確定給電網調度帶來的問題，最大限度地發揮電網集中調度的優勢。

4.2.1集中式充電控制

集中式充電控制的目的是減小充電負荷的峰谷差，從而避免配電網負荷波動。在實際應用中，可以通過建立集中式充電設施，對大量電動汽車進行統一管理和調度。例如，在一些大型停車場或充電站，可以安裝多個大功率充電樁，同時配備先進的充電管理系統。

集中式充電控制可以根據電網的實時負荷情況，動態調整充電功率和時間。當電網負荷較低時，可以提高充電功率，加快電動汽車的充電速度；當電網負荷較高時，則降低充電功率，甚至暫停充電，以減輕電網負擔。據相關數據顯示，采用集中式充電控制策略，可以有效降低電網峰谷差，提高電網的穩定性和可靠性。

此外，集中式充電控制還可以結合儲能技術，進一步優化充電過程。儲能設備可以在電網負荷低谷時段充電，在負荷高峰時段放電，為電動汽車提供充電服務，從而實現削峰填谷的效果。例如，一些集中式充電站配備了大型儲能電池，能夠存儲大量電能，在需要時為電動汽車充電，有效緩解了電網的壓力。

4.2.2分布式充電控制

分布式充電控制是指管理者借助通信技術動態檢測電動汽車的充電時間、初始狀態、充電功率等，并將動態更新信息與優化過程相結合，從而為電動汽車用戶提供個體化的充電方案。

分布式充電控制可以根據每輛電動汽車的具體情況，制定個性化的充電計劃。例如，對于電池容量較大、剩余電量較多的電動汽車，可以適當延遲充電時間，避免在電網負荷高峰時段充電；對于急需充電的電動汽車，可以優先安排充電，同時調整充電功率，以減少對電網的影響。

通過分布式充電控制，用戶可以更加靈活地選擇充電時間和地點，提高充電的便利性和效率。同時，電網也可以更好地管理充電負荷，降低電網的運行風險。例如，一些智能充電樁可以通過手機 APP 與用戶進行交互，用戶可以隨時查看充電樁的使用情況和電價信息，選擇最合適的充電方案。

總之，智能充電策略中的集中式和分布式充電控制策略各有優勢，可以相互補充，共同為電動汽車充電有序控制提供有力支持。通過合理應用這些策略，可以有效減輕電動汽車充電對配電網的影響，保障電網的安全穩定運行，促進電動汽車產業的可持續發展。

五、安科瑞充電樁收費運營云平臺助力有序充電開展

5.1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。

5.2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。

5.3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。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

5.4.1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。

5.4.2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。

5.4.3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。

5.4.4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。

5.4.5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。

5.4.6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。

5.4.7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

5.4.8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。

5.5系統硬件配置

六、結論與展望

隨著電動汽車的快速發展，其充電行為對配電網的影響日益顯著。本研究深入探討了電動汽車充電對配電網負荷、電壓和穩定性的影響，并提出了相應的有序控制策略。

研究表明，電動汽車充電在高峰時段可能導致局部電網負荷過載，其負荷的隨機性和不確定性也增加了電網負荷預測和調度的難度。此外，充電過程中的電壓波動不僅影響電動汽車的充電效率，還對其他用電設備造成危害。同時，大量電動汽車同時充電可能導致電網頻率下降，給電網穩定性帶來挑戰，而充電的不確定性也給電網功率平衡帶來巨大壓力。

針對這些問題，本研究提出的有序控制策略具有顯著的有效性。協調充電時間策略通過政策引導和用戶響應，以及對不同類型車輛的調控，能夠避免充電高峰與電網負荷高峰重合，改善配電網的負荷特性。智能充電策略中的集中式充電控制可以減小充電負荷的峰谷差，結合儲能技術進一步優化充電過程；分布式充電控制則能為用戶提供個體化的充電方案，提高充電的便利性和效率，同時降低電網運行風險。

綜上所述，本研究為應對電動汽車充電對配電網的影響提供了有效的解決方案，對保障電網的安全穩定運行和促進電動汽車產業的可持續發展具有重要意義。

參考文獻：

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[2]胡澤春, 宋永華, 徐智威等.“電動汽車接入電網的影響與利用"[J]

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