导语
随着电动汽车的日益普及，小区内的个人充电需求也呈现出迅猛增长的态势。若用户的充电行为缺乏规范和协调，不仅会给小区电网带来严重的安全隐患，同时也无法保证用户的充电基本需求和经济效益。因此，如何管理和优化电动汽车充电行为成为一个重要命题。
本文针对性地提出了一种有序充电智能调度算法，该算法旨在通过智能化技术，实现充电资源的合理分配和高效管理。通过这一算法，我们期望能够提高电动汽车的充电效率，进一步优化用户的充电体验，为电动汽车的普及和可持续发展提供有力支持。
业务背景
根据中汽协发布的数据，2024年3月，新能源汽车的销量达到了惊人的88.3万辆，新车渗透率高达32.8%。这一显著数字无疑证明了电动汽车市场的迅猛增长势头，同时也意味着充电需求的持续攀升。
对于购买了新能源汽车的小区居民用户来说，他们的充电需求往往集中在某些特定的时间段，如晚上下班后或周末。这种集中充电的现象使得小区电力负荷在这些特定时段内急剧上升，甚至可能超出小区的电力供应能力，从而引发电力负荷过载的风险。为了有效缓解小区电力负荷过载的问题，有序充电变得尤为重要。
有序充电主要通过算法优化充电策略，来实现充电过程的最大效率和稳定性。而传统有序充电算法调度方式过于简单，未综合考虑用户需求、车辆需求以及电网负荷情况。其主要问题包括：
（一）等待时间长：如果算法只考虑开始充电的先后顺序，而没有充分考虑电池状态、充电速率等因素，可能导致计算结果偏差，进而造成某些用户需要等待较长时间。
（二）静态调度：一些传统有序充电算法是静态的，即预先确定好充电计划而不进行实时调整。这使得系统难以适应充电需求的动态变化，无法灵活地应对突发状况，降低了系统的鲁棒性和效率。
（三）能源管理：部分传统有序充电算法可能忽视了能源管理的重要性，未能充分利用可再生能源或在用电峰谷期进行充电，导致对环境产生负面影响和能源成本增加。
基于此，我们需要开发一种高效的模型算法来实现充电桩之间的协调和调度，这种算法应基于充电桩的通信规范和实时数据，综合考虑充电需求、电网负荷、充电效率等多种因素，从而制定出最佳的充电计划。通过这种方式，我们可以有效避免充电桩过载、资源浪费以及用户体验不佳等问题。
本文提出一种有序充电智能调度的实时算法，该算法重点关注智能调度，旨在以智能化的方式管理充电桩的启停及输出功率。通过优化充电设施的使用，实现更灵活、高效的能源分配，进一步推动电动汽车的可持续发展。
有序充电智能调度算法构思
在电动汽车居民小区中实施有序充电，通常采用先到先充、最早离开优先、剩余充电量优先等算法，本文提出了一种创新的矩阵优先算法，以更有效地管理充电桩的充电顺序和功率分配。该算法的核心在于构建一个充电桩之间的优先级矩阵，该矩阵根据各种因素（如充电需求、剩余电量等）来确定充电桩的充电顺序和功率分配。
具体思路为系统获取用户充电需求信息确定各充电桩优先系数，计算变压器可充电功率，并根据优先系数分配各充电桩负荷缺口，如果用户负荷需求大于分配的负荷缺口且大于预设最低值，则进行充电，否则暂停充电。通过这种方式，可以更加智能地管理充电桩的充电顺序，提高充电效率和用户体验，步骤包括如下：
（1）计算优先系数：在矩阵优先算法中，我们为每个充电桩设定一个优先级，这一优先级是根据多种因素综合考虑得出的。这些因素可能包括汽车的剩余电量、充电需求的紧急程度等。
表1矩阵优先算法系数示例
由于各个指标所代表的意义不同，通常需要将指标进行“标准化”处理，即将各个指标的数值转化为相对值，并采用加权算术平均法：
① Zn= ∑( Yi*Wi)
其中，Zn为某充电桩充电优先系数，Yi为第i个指标，Wi为第i个指标的权重，∑为求和符号。
（2）计算变压器可充电功率：在保障居民生活用电的前提下，电动汽车充电时需充分利用可再生能源，并且确保变压器长期工作安全的负载率范围[1]内。在可再生能源发电时段设定相对高的变压器负载率，系统可以更主动地吸纳更多的可再生能源进行充电，最大化其利用率，如下表2所示。
②变压器可充电功率M = 变压器最大可输出功率-居民用电功率
其中变压器最大可输出功率根据负载率上限计算获取，居民用电功率可通过台区智能融合终端获取。
表2变压器负载率上限
（3）分配负荷缺口：系统根据充电桩充电优先系数及变压器可充电功率，计算各充电桩负荷缺口。具体步骤如下：
③台区变压器功率缺口值S=全部充电桩需求功率P-台区可充电功率M
台区变压器功率缺口如果负数，则为0，P为全部充电桩需求功率，通过采集充电桩信息获取。
④功率缺口分摊系数Xn=c/Zn
上述的充电桩优先系数Zn计算中，数值越大表示充电优先级越高。由于本算法需要对缺口功率进行分摊，因此需要将其转换为缺口分摊系数Xn=c/Zn的形式。这里的c代表一个常数，并满足约束条件∑(c/Zn)=1，Xn为某充电桩功率缺口分摊系数。
（4）确定充电功率及顺序：根据充电桩功率缺口分摊系数，系统计算充电桩的充电顺序和功率分配，以最大程度地满足用户需求，并确保充电桩之间的公平性。具体步骤如下：
⑤某充电桩分摊功率Gn=Pn- S * Xn
其中Pn为某充电桩需求功率，S为台区变压器功率缺口值，Xn为充电桩功率缺口分摊系数。
⑥如果某充电桩分摊功率Gn大于预设最低值则根据分配的功率进行充电，否则暂停充电。
通过上述有序充电算法，小区充电桩可以更加智能地进行功率分配和充电顺序管理，从而提高充电效率和用户体验。这种算法不仅可以减少充电桩之间的竞争和冲突，还可以更好地利用电力资源，实现小区充电桩的高效运行。
算法系统验证
本系统方案采用了一整套智能化技术，包括在台区智能融合终端[2]部署具备有序充电智能调度算法的应用程序，以实现对充电桩的实时控制，并通过有序充电监控系统进行集中监控，系统结构如下图1所示。
它包括三部分，首先，台区智能融合终端作用是监测小区用电负荷情况及和充电桩通信；其次，有序充电监控系统能够集中监控区域内的台区用电负荷以及充电桩的充电状态；最后，有序充电智能调度算法是整个有序充电系统的核心，它是部署在台区智能融合终端上的应用程序，负责确保充电桩间的有序充电。
图1 算法系统结构图
为了验证我们提出的有序充电智能调度算法的有效性和可行性，我们对某居民小区进行数据模拟。该小区现有200户居民，纯电动汽车15台。目前，小区的变压器总容量为400kVA，充电功率相对充足，能够满足现有的充电需求，负荷曲线如下图2所示（不含充电负荷）。
图2 居民用电负荷曲线
然而，随着电动汽车的普及，假设未来该小区的电动车数量达到100台，且采用无序充电方式，将会对电网负荷造成巨大压力，甚至可能导致电网负荷不足的问题。
因此，我们根据当前15台车的充电数据进行模拟未来100台车无序充电和有序充电后的数据情况，如下图3所示。从图中可以看出，无序充电方式下电网负荷波动较大，峰值负荷较高，对电网造成较大的压力。而采用有序充电方式后，电网负荷波动明显减小，峰值负荷也有所降低。这说明通过有序充电能够减少对电网的压力，更加平稳地分配电网负荷。
图3 模拟小区100台车负荷曲线
结语
在本文中，有序充电智能调度算法综合考虑了多个关键因素，包括电网负荷、可再生能源发电、用户需求以及充电桩的状态等。通过综合评估这些因素，该算法能够计算出每辆电动车的优先顺序和相应的充电功率分配方案。通过合理的调度和控制，有序充电系统有助于有效地避免对电网造成过大的负荷，从而保证了电网的稳定运行。也有助于提高用户的充电体验，减少等待时间，确保他们能够在需要时方便地充电。
未来，可以进一步将电动车的放电能力考虑在内，实现更高程度的车辆与电网的融合。这意味着充电系统可以更智能地协调电动车的充电和放电，以响应电网需求，实现更有效的电力资源分配。这种车网融合将为电力系统和电动车用户带来更大的益处，同时有助于推动可持续能源和电动交通的发展。【名词解析】[1]变压器负载率：我国对各建筑场景的变压器负载率（负荷率）均有规定，例如《民用建筑电气设计标准》GB 51348-2019规定配电变压器的长期工作负载率不宜大于85％。[2]台区智能融合终端：安装于配电站室、箱变或杆变的变压器二次侧，是智慧物联体系“云管边端”架构的边缘设备，是集配电台区供用电信息采集、各采集终端或电能表数据收集、设备状态监测及通讯组网、边缘计算等功能于一体的融合终端设备。
审阅：王平喜
作者：张庆仁
部门：朗新科技集团综合能源业务部
