虛擬電廠如何優(yōu)化調(diào)度電動汽車充電

徐悅

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：大量電動汽車用戶的無序充電可能造成電網(wǎng)負荷劇烈波動，危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。隨著電動汽車入網(wǎng)技術(shù)的應用，將電動汽車充電站及其周邊的分布式新能源發(fā)電聚合為虛擬電廠后進行優(yōu)化調(diào)度，有助于改善電動汽車用戶充放電的經(jīng)濟性及滿意度，同時提高分布式新能源的利用率，平抑電網(wǎng)負荷波動，但電動汽車充電站的整體充放電負荷是大量個體電動汽車用戶隨機行為的聚合，難以用數(shù)學模型描述。針對包含電動汽車的虛擬電廠，提出一種基于深度強化學習的交互式調(diào)度框架，以虛擬電廠內(nèi)電動汽車用戶的總效益。虛擬電廠控制平臺作為智能體決策電動汽車個體的充放電動作，無需掌握個體詳細模型，而是通過與區(qū)域電網(wǎng)環(huán)境的交互，不斷學習和更新動作策略，從而克服集中式優(yōu)化方法的局限性。該優(yōu)化調(diào)度框架采用深度確定性策略梯度算法進行求解。仿真結(jié)果表明，與集中式優(yōu)化方法相比，該優(yōu)化算法提高了各電動汽車用戶的效益，并使電動汽車充放電負荷與分布式新能源發(fā)電協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)削峰填谷，改善了虛擬電廠的整體運行性能。

關鍵詞：虛擬電廠；電動汽車；電動汽車入網(wǎng)技術(shù)；分布式新能源；

1.為什么要搭建虛擬電廠

大量電動汽車的無序充電不僅會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，而且會給用戶造成經(jīng)濟損失。事實上，電動汽車充電負荷不僅具有較大的調(diào)節(jié)彈性，而且可以基于電動汽車入網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)發(fā)電和用電側(cè)的角色轉(zhuǎn)換，具備很大的優(yōu)化調(diào)度潛力。通過搭建虛擬電廠整合區(qū)域配電網(wǎng)中的電動汽車充放電負荷及分布式新能源發(fā)電資源，合理引導電動汽車用戶的充放電行為，不但可以降低電動汽車車主的充電費用，提高充電需求滿足程度，同時可使電動汽車充放電負荷與分布式新能源發(fā)電協(xié)調(diào)配合，提高新能源利用率，平抑虛擬電廠整體負荷的波動。虛擬電廠是電力系統(tǒng)中智能配電網(wǎng)運行的重要技術(shù)，通過創(chuàng)建一個虛擬電廠控制平臺，可以將配電網(wǎng)中的電動汽車充放電負荷與分布式新能源聚合為一個整體參與電網(wǎng)運行，更好地發(fā)掘電動汽車充放電負荷與分布式新能源的價值和效益。

然而，在上述包含電動汽車充放電負荷及分布式新能源的虛擬電廠中，電動汽車充電站的總負荷特性是大量個體電動汽車用戶隨機充放電行為的聚合，難以對其進行的數(shù)學建模和準確預測，這給傳統(tǒng)的基于負荷預測進行優(yōu)化計算的集中式調(diào)度模式帶來了挑戰(zhàn)。解決這一難點的一種有效途徑是采用基于強化學習方法的交互式優(yōu)化調(diào)度模式。該模式中，虛擬電廠控制平臺作為智能體，包含電動汽車個體用戶及分布式新能源的區(qū)域電網(wǎng)為智能體所在的環(huán)境。虛擬電廠控制平臺在不掌握電動汽車個體用戶詳細模型的情況下給出電動汽車個體的充放電動作決策，并通過與區(qū)域電網(wǎng)的交互評估當前決策的性能，不斷學習和更新動作策略，直至得到令人滿意的優(yōu)化決策?；谥悄荏w與環(huán)境之間信息交互的強化學習方法可以在缺乏數(shù)學模型的情況下模擬順序決策問題并獲得對環(huán)境的響應。這種基于強化學習的交互式調(diào)度模式克服了傳統(tǒng)集中式調(diào)度的局限性，有望在虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度中得到應用。

目前，國內(nèi)外針對電動汽車充電優(yōu)化調(diào)度的研究主要關注電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的經(jīng)濟效益。第1類文獻提出將電動汽車充電負荷接入微電網(wǎng)：構(gòu)建了一個包含風光、基礎負荷、儲能電池以及電動汽車代理商等對象的微電網(wǎng)，采用粒子群算法對電網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模型進行求解；構(gòu)建了面向工業(yè)園區(qū)的包含電動汽車充電站的風/光/柴獨立微電網(wǎng)模型，通過混合整數(shù)線性規(guī)劃算法，采用Matlab的YALMIP工具包對模型進行求解。第2類文獻提出了針對電動汽車充電負荷的市場機制：提出了制定電力交易合約和兩級拍賣的優(yōu)化策略，通過搭建分層區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，提高了電網(wǎng)對區(qū)域內(nèi)電動汽車充放電行為的優(yōu)化調(diào)度；采用市場機制方法進行電動汽車充電量和本地負荷之間的協(xié)調(diào)調(diào)度，避免因負荷聚集而導致配電系統(tǒng)阻塞。另一類文獻提出了消納電動汽車充電負荷的虛擬電廠：采用粒子群優(yōu)化算法，通過構(gòu)建虛擬電廠對高比例新能源、電動汽車和可控電源的出力進行優(yōu)化調(diào)度；構(gòu)建了包含風電、光伏、微燃氣機組、儲能、基礎負荷和電動汽車負荷的虛擬電廠，制定了虛擬電廠與電動汽車用戶雙方經(jīng)濟效益的主從博弈定價策略。

2構(gòu)建實施

2.1 應用平臺構(gòu)建

虛擬電廠平臺系統(tǒng)運行監(jiān)測、系統(tǒng)運行管理、資源分析與建模、結(jié)算管理等功能部署于管理信息大區(qū)，交易申報與信息發(fā)布、可視化展示等功能部署于互聯(lián)網(wǎng)大區(qū)，方便外界資源接入，兩部分平臺之間通過強邏輯隔離裝置進行信息交互，分別簡稱為外平臺與內(nèi)平臺。

外平臺作為聚合商與虛擬電廠用戶等社會資源的接入端口與申報發(fā)布端口，主要與智慧能源服務平臺、電力交易平臺、虛擬電廠用戶等交互；內(nèi)平臺主要與電網(wǎng)資源業(yè)務中臺、數(shù)據(jù)中臺、調(diào)度系統(tǒng)、虛擬電廠用戶等交互。虛擬電廠運營平臺采用統(tǒng)一的虛擬電廠聚合商接口，各虛擬電廠聚合商可通過此架構(gòu)基礎進一步與所管控虛擬電廠進行數(shù)據(jù)與指令交互，并可集成多類型微服務，例如綜合能源服務公司、電動汽車公司、第三方負荷聚合商等主體的

自建能量管理系統(tǒng)或管理平臺。

虛擬電廠運營平臺針對不同時間尺度的調(diào)控指令與交易、運營數(shù)據(jù)交互需求，設置不同的數(shù)據(jù)通路，包括信息上傳與需求計劃下發(fā)通路等。運營平臺與調(diào)度系統(tǒng)通過多道安全防護進行出力計劃與調(diào)節(jié)需求等數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建調(diào)控信息通路；運營平臺與智慧能源服務平臺、交易平臺通過相關技術(shù)支持功能進行市場信息、出清與結(jié)算數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建市場信息通路。

針對輔助服務、需求響應、電能量交易等所需的數(shù)據(jù)交互類型，運營平臺代理進行交易申報，接收相應上級平臺發(fā)布的市場出清結(jié)果、調(diào)節(jié)需求或計劃曲線，通過預設的協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，將其分解下發(fā)至各虛擬電廠聚合商，在建設前期也可直接發(fā)送至底層虛擬電廠用戶，并進行實際運行情況的監(jiān)測、接收、運行評估；此外運營平臺還通過交易數(shù)據(jù)通路，接收輔助服務市場的月度結(jié)算信息并分解下發(fā)至聚合商或虛擬電廠用戶。

2.2 試點應用

組織開展虛擬電廠試點參與平臺調(diào)峰、調(diào)頻的洽談、改造及接入，并逐步拓展接入多元資源的種類與規(guī)模，針對接入的聚合商或負荷資源開展調(diào)控業(yè)務的模擬運行，實現(xiàn)電源側(cè)與負荷側(cè)靈活資源的有效耦合利用與深度互動，以及光伏新能源棄限電量消納。

2.3 溝通推動政策出臺

溝通相關部門推動河北調(diào)頻輔助服務市場規(guī)則的出臺，確認虛擬電廠主體角色，鼓勵前期按照“報量不報價”的原則參與服務；后期根據(jù)電力現(xiàn)貨市場建設情況，推動虛擬電廠相關補貼政策出臺。一方面，規(guī)定可再生能源發(fā)電應盡量并網(wǎng)，并進一步完善現(xiàn)行的分時電價辦法，鼓勵和促進用電高峰時用戶節(jié)電和分布式能源發(fā)電。另一方面，應區(qū)別對待不同職能的虛擬電廠。

3 安科瑞智慧能源管理平臺助力虛擬電廠快速發(fā)展

3.1安科瑞智慧能源管理平臺

AcrelEMS 智慧能源管理平臺是針對企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺，對企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲能系統(tǒng)、充電設施以及各類交直流負荷的運行狀態(tài)實時監(jiān)視、智能預測、動態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調(diào)整控制動態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經(jīng)濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺可以接受虛擬電廠的調(diào)度指令和需求響應，是虛擬電廠平臺的企業(yè)級子系統(tǒng)。

圖1 AcrelEMS 智慧能源管理平臺主界面

3.2平臺結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲-充”各環(huán)節(jié)，通過智能網(wǎng)關采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、常規(guī)負荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負荷變化和電網(wǎng)調(diào)度進行優(yōu)化控制，促進新能源消納的同時降低對電網(wǎng)的至大需量，使之運行安全。

圖2 AcrelEMS 智慧能源管理平臺結(jié)構(gòu)

3.3平臺功能

3.3.1.能源數(shù)字化展示

通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及其它負荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運行情況。

3.3.2.優(yōu)化控制

直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括市電、光伏、儲能充電及消耗過程，通過優(yōu)化控制儲能和可控負載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對比等。

3.3.3.智能預測

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對光伏、風力發(fā)電功率和負荷功率進行預測，并與實際功率進行對比分析，通過儲能系統(tǒng)和負荷控制實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，降低需量和用電成本。

3.3.4.能耗分析

采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質(zhì)消耗量，進行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對標，并折算標煤或碳排放等。

3.3.5.有序充電

系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯(lián)動控制，引導用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運行安全。

3.3.6.運維巡檢

系統(tǒng)支持任務管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運維人員軌跡，實現(xiàn)運維流程閉環(huán)管理。

3.4設備選型

除了智慧能源管理平臺外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網(wǎng)關等設備，組成了完整的“云-邊-端”能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、電能質(zhì)量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業(yè)級的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務能力。

名稱	圖片	型號	功能	應用
中高壓微機保護裝置		AM6、AM5SE	實現(xiàn)110kV至10kV回路的保護、測量和自動控制功能	110kV、10kV回路斷路器
電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置		APView500	集諧波分析/波形采樣/電壓閃變監(jiān)測/電壓不平衡度監(jiān)測等穩(wěn)態(tài)監(jiān)測、電壓暫降/暫升/短時中斷等暫態(tài)監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體，滿足A級電能質(zhì)量評估標準，能夠滿足110kV及以下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的要求。	110kV、35kV、10kV、0.4kV
防孤島保護裝置		AM5SE-IS	防止分布式電源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)非計劃持續(xù)孤島運行的繼電保護措施，防止電網(wǎng)出現(xiàn)孤島效應。裝置具有低電壓保護、過電壓保護、高頻保護、低頻保護、逆功率保護、檢同期、有壓合閘等保護功能。	110kV、35kV、10kV、0.4kV
動態(tài)諧波無功補償系統(tǒng)		AnCos*/*-G Ⅰ型	同時具備諧波治理、無功功率線性補償與三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能,響應時間快，精度高、運行穩(wěn)定，能根據(jù)系統(tǒng)的無功特性自動調(diào)整輸出，動態(tài)補償功率因數(shù)；	0.4kV電能質(zhì)量治理
多功能儀表		APM520	全電力參數(shù)測量、復費率電能計量、四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。 接口功能：帶有RS485/MODBUS協(xié)議	并網(wǎng)柜、進線柜、母聯(lián)柜以及重要回路
多功能儀表		AEM96	具有全電量測量，諧波畸變率、分時電能統(tǒng)計，開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出。	主要用于電能計量和監(jiān)測
電能表		DTSD1352	具有全電量測量，電能統(tǒng)計，80A內(nèi)可直接接入，導軌安裝。	低壓配電箱
物聯(lián)網(wǎng)儀表		ADW300W	主要用于計量中低壓配電的三相電氣參數(shù)，采集狀態(tài)量并控制斷路器，可靈活安裝于配電箱內(nèi)，自帶開口式互感器，可實現(xiàn)不停電安裝，具備RS485、4G、LoRaWan無線通信功能，適用于配電系統(tǒng)數(shù)字化改造。	微電網(wǎng)數(shù)字化改造
物聯(lián)網(wǎng)儀表		ARCM300	三相交流電能計量、漏電電流測量、諧波分析、4路溫度采集功能，通過對配電回路的剩余電流、導線溫度等火災危險參數(shù)實施監(jiān)控和管理，可采集狀態(tài)量或控制斷路器，具備RS485通訊或4G通訊功能。	微電網(wǎng)電氣消防和數(shù)字化改造
直流電能表		DJSF1352-RN	可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等，配套霍爾傳感器(可選)。	直流計量
馬達保護		ARD3M	電動機保護控制器，適用于額定電壓至 660V 的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，強大的邏輯可編程功能可以滿足各種控制要求，多種可選配的通訊方式適應現(xiàn)場不同的總線通訊需求。	電機保護控制
智慧斷路器		ASCB1LE-63-C63-4P/Z4G	三相智能微型斷路器，具備普通微斷保護和控制功能，同時具備電流、電壓、功率、電能測量功能，支持漏電保護和用電行為特征識別，支持遠程控制，4G通訊。	末端配電
防火限流式保護器		ASCP200-63D	可實現(xiàn)短路限流滅弧保護、過載限流保護、過/欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測、內(nèi)部超溫限流保護等，電流0-63A，RS485通訊	末端配電保護
遙信遙控單元		ARTU100	具備開關量采集和繼電器輸出控制功能，導軌式安裝，485通訊，可實現(xiàn)斷路器或接觸器的遠程控制和狀態(tài)量采集。	狀態(tài)量采集和控制輸出
電動汽車充電樁		AEV200-DC60S AEV200-DC80D AEV200-DC120S AEV200-DC160S	輸出功率160/120/80/60kW直流充電樁，滿足快速充電的需要。	充電樁運營和充電控制
智能網(wǎng)關		ANet-2E4SM	邊緣計算網(wǎng)關，嵌入式linux系統(tǒng)，網(wǎng)絡通訊方式具備Socket方式，支持XML格式壓縮上傳，提供AES加密及MD5身份認證等安全需求，支持斷點續(xù)傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協(xié)議	電能、環(huán)境等數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和邏輯判斷
開口式電流互感器		AKH-0.66/K	AKH-0.66K系列開口式電流互感器安裝方便，無須拆一次母線，亦可帶電操作，不影響客戶正常用電，可與繼電器保護、測量以及計量裝置配套使用。	交流電流采集轉(zhuǎn)化
霍爾傳感器		AHKC	霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。	直流電流采集轉(zhuǎn)化
智能剩余電流繼電器		ASJ	該系列繼電器可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式的剩余電流動作保護器，主要適用于交流50Hz，額定電壓為400V及以下的TT或TN系統(tǒng)配電線路，防止接地故障電流引起的設備和電氣火災事故，也可用于對人身觸電危險提供間接接觸保護。	剩余電流采集，防止接地故障

安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運維云平臺、能源綜合計費管理平臺、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺、充電樁運營管理云平臺、智慧消防云平臺、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質(zhì)量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)，打造準確感知、邊緣智能、智慧運行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。

3.5安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

3.5.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)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(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

作者介紹：

徐悅，女，安科瑞電子商務有限公司，從事電氣相關物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)工作，郵箱:2885206556@qq.com，手機：18702111076（微信同號），QQ:2885206556