丁葉強，姚學恒，陳向民，崔金棟，劉珊珊，姚海燕

（1.國網(wǎng)浙江杭州市余杭區(qū)供電公司，杭州311100；2.東北電力大學經(jīng)濟管理學院，吉林吉林132012；3.杭州市電力設計院有限公司余杭分公司，杭州310030）

0 引言

在化石能源日益枯竭的時代，電動汽車作為新能源產(chǎn)物，愈發(fā)受到世界各國政府的重視并給予政策上的支持。美國能源部為大力發(fā)展下一代純電動汽車所需要的電池和原件，特設20億美元的扶持資金并出臺相關(guān)政策。德國目前的電動汽車保有量達到100 萬輛，大幅度提高了德國城市的空氣質(zhì)量，同時也降低了德國對石油的依賴性。當前可見，國外混合動力汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨于成熟，純電動汽車也陸續(xù)進入市場。我國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展不及發(fā)達國家起步早，對新能源電池的研究也沒有發(fā)達國家的成就大，但在國家政策的大力扶持和研究人員的鉆研下，我國近幾年在電動汽車方面進步飛快，發(fā)展勢頭極好。由于城市中電動汽車使用者增多，為了滿足用戶的充電需求，規(guī)范電動汽車的使用，國家相繼出臺了QC/T 841—2010《電動汽車傳導式充電接口》、GB/T 29781—2013《電動汽車充電站通用要求》、QC/T 842—2010《電動汽車電池管理系統(tǒng)與非車載充電機之間的通信協(xié)議》和GB/T 19753—2013《輕型混合動力電動汽車能耗量試驗方法》等標準，一些相關(guān)的補貼政策也陸續(xù)實施。但電動汽車充電電價無法滿足充電站和使用者雙方的需求，就此問題，國內(nèi)外專家在電動汽車充電電價方面進行了大量的研究，Larry，Jason等［1-4］的研究內(nèi)容可以概括為：電動汽車可視為可移動儲能裝置接入電網(wǎng)；電動汽車可作為可再生能源接入電網(wǎng)。

目前，越來越多的用戶選擇電動汽車作為出行工具，必將伴隨著大量電動汽車充電行為，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性沖擊較大，使得電網(wǎng)運行難度增加，峰荷時期電壓不穩(wěn)定。基于以上狀況，如何有效降低電動汽車入網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，如何使充電電價更為合理并通過電價來協(xié)調(diào)電網(wǎng)負擔，是當前研究的重點。王晛等［5］以電動汽車價格接收者的角度參與了電力市場定價模型的建立，考慮如何使用電動汽車實時電價來對電力市場的電價起到削峰填谷的作用。董罡、呂金炳等［6-7］在明確了電動汽車充放電狀況的不確定性對配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響后，提出了充電樁與用戶交互的自由有序的充電策略，以此來降低負荷峰谷差，提高電能質(zhì)量，同時還對配電網(wǎng)電壓質(zhì)量進行優(yōu)化并建立了電動汽車充電控制模型。閆志杰、唐小波等［8-9］在對電動汽車使用群體無序充放電使得電網(wǎng)峰谷時期更加明顯等不良影響進行分析的基礎(chǔ)上，建立了智能電網(wǎng)下電動汽車有序充電的經(jīng)濟調(diào)度模型，優(yōu)化配電網(wǎng)資源配置，提高電動汽車充放電經(jīng)濟效益，使得配電網(wǎng)資源配置更加合理，提高了用戶充電成本效益比。李剛等［10］基于電動汽車和電網(wǎng)雙向互動機制對雙方的需求響應進行分析，將電動汽車電池容量作為約束條件，建立了實時電價下電動汽車的理性充放電模型。王彪、鄒文等［11-12］為了使電動汽車使用成本最小化和充電站利益最大化，提出對充電站的建設位置和充電樁的數(shù)量進行規(guī)劃，為電動汽車用戶提供最便捷的服務并保證充電站經(jīng)營者的利潤。

以上研究多以分時電價為基礎(chǔ)，對電動汽車在峰谷時期的充放電模型進行優(yōu)化。在5G時代，電網(wǎng)負荷狀態(tài)以及電動汽車使用數(shù)據(jù)的獲取更加便捷，以往難以及時準確掌握的用戶充電數(shù)據(jù)、電動汽車電池特性、峰谷電價等都變得清晰可見，這也使得之前無法大范圍推廣的實時電價變得可行，筆者將對電動汽車所使用的電價計算方法進行探討，在此基礎(chǔ)上對5G時代電動汽車實時電價進行分析，闡述電動汽車使用實時電價進行計費的優(yōu)勢以及如何落實電動汽車實時電價。

1 實時電價對電動汽車需求側(cè)的影響

1.1 電動汽車需求側(cè)的影響因素分析

實時電價下電動汽車需求側(cè)的影響因素有3個方面：電動汽車的電池種類、電動汽車使用者所選擇的充電時間、不同電動汽車的充電特性。

（1）電動汽車的電池類型。電動汽車的電池類型是根據(jù)電動汽車的不同用途來區(qū)分的，如家用小轎車、大型運輸車、公交車等。電動汽車用途不同，其電池充電電路和充電時長也不同。電動汽車的制造成本和充電性能很大一部分取決于電池的類型，小容量電池充電時間短、易更換，所以更易普及。

（2）電動汽車的充電時間。電動汽車使用者的用車習慣、空閑時間以及充電站優(yōu)惠政策決定了電動汽車使用者選擇何時對電動汽車進行充電。不同充電時段的電價水平不相同，如果在峰荷時段充電，電價較高，使用人數(shù)較多，充電費用較高；而在非峰荷時期充電，對電網(wǎng)的沖擊較小，充電費用也會隨之降低［13］。

（3）電動汽車的充電特性。汽車種類不同，接入電網(wǎng)所需的電壓和電流不同［14］，充電特性亦不同，這就導致充電時間以及實時電價的收集工作較為繁復。筆者收集了不同類型電動汽車的用電信息，見表1。由表1可見，車型不同，其用電信息也無相似性。

表1 電動汽車類型及用電信息Tab.1 Power consumption information of different types of electric vehicles

5G 時代信息采集變得更加便捷，在這種情況下，實時電價對電動汽車需求側(cè)的影響更加明顯，不同類型的電動汽車產(chǎn)生的影響也不同。用電高峰時段的實時電價會比低谷時段低，其電能質(zhì)量也會因使用人數(shù)過多而變得不穩(wěn)定。以私家車為例，車主大多為上班族，大多會選擇下班后的用電晚高峰時段充電，在實時電價的調(diào)控下，車主會主動避開電價較高的時段進行充電。

1.2 電動汽車充電方式及分時電價計量機制利弊

當前，電動汽車充電一般使用3種方式，分別是家庭自主充電、使用隨車附贈的充電樁充電、去專門的充電站充電。這3種充電方式目前所使用的電價不同，有各自的利弊。

（1）家庭自主充電。越來越多的家庭選擇電動汽車作為出行工具，大部分傾向于家庭自主充電，充電費用以民用電價計量。民用電的峰谷電價分別為0.6，0.4 元/（kW·h）。

（2）使用隨車附贈的充電樁充電。電動汽車車主需要得到當?shù)仉娏Σ块T的許可后，才可由專業(yè)人員上門安裝充電樁。這種充電樁一般使用交流電，不管安裝在什么電力系統(tǒng)下都按特定的價格收費，既不算家庭用電，也不算商業(yè)用電，電價一般為0.6元/（kW·h）。以電池容量為50 kW·h 的電動汽車為例，一般充1次電需要花費34.2 元。

（3）去專門的充電站充電。這種快速充電樁一般采用直流電，是收費相對較高的充電方式，充電價格為1.6～1.8 元/（kW·h）。以一輛電池容量為50 kW·h 的電動汽車為例，一般充1 次電需要花費86.4～97.2 元。

按照當前國內(nèi)的電價計量機制，電動汽車充電通常采用分時電價。分時電價是根據(jù)不同時間段的充電情況和電力系統(tǒng)供電成本差異制定的一種電價機制，其常見的制定標準有季節(jié)價格（春夏晝長夜短，秋冬晝短夜長）、水旱價格、峰谷價格等。根據(jù)電網(wǎng)負荷分布情況，將1 天、1 周、1 季度、1 年分為高峰時段、平均值時段、低谷時段等，在居民用電高峰時期對電價進行調(diào)增，用電低谷期對電價進行調(diào)減，以此來引導用戶盡量避免在用電高峰期用電，降低電網(wǎng)壓力，優(yōu)化電網(wǎng)負荷，緩解用電高峰期電壓不穩(wěn)、電網(wǎng)負荷過重、電能質(zhì)量低的問題，降低發(fā)電方投資與運行成本，也可以降低用戶電費。但在分時電價機制下，如果高峰時段電價過高，雖然可以優(yōu)化電網(wǎng)負荷，但會大大降低用戶滿意度，低負荷期如果電價過低，則會造成系統(tǒng)的峰谷倒掛。

2 基于5G與實時電價的電動汽車需求側(cè)管理

2.1 5G下的電動汽車實時電價評估

隨著智能電網(wǎng)的不斷建設與發(fā)展，憑借先進的測量技術(shù)、通信技術(shù)和智能采集技術(shù)，可以按照很短的時間間隔（如1.0 h或0.5 h）對電力用戶的用電量進行定價，即實時電價。電價的波動與需求的波動相互影響。電動汽車使用者可以實時了解當前電網(wǎng)的運行狀態(tài)，掌握電價的實時波動情況，從而決定當前是否對電動汽車進行充電。電動汽車實時電價的評估步驟大致如下：確定電動汽車實時電價相關(guān)指標，劃定電動汽車充電時間和空間范圍，確定研究范圍內(nèi)的電動車數(shù)量和類型，模擬計算充電負荷，計算當前運行背景下的電價指標，評價電動汽車的充電消耗，計算用電價格。

電動汽車實時電價與其充電狀態(tài)下的負荷狀況密切相關(guān)，因此，評估電動汽車實時電價的基礎(chǔ)是計算電動汽車充電負荷，計算方法主要包括以下3種。

（1）通過不同充電場景所使用的電量計量表來獲取電動汽車的實時充電曲線，根據(jù)電動汽車使用者的使用習慣，可將電動汽車充電場景分為午間充電、夜間充電、分時段充電等。此外，對不同用途與種類的車輛（如私家車、公務車、公交車、環(huán)衛(wèi)車等）進行定性劃分，分析其充電特征及充電時段分布規(guī)律，由此能夠更為快捷高效地剖析多樣化場景下電動汽車的用電狀況以及實時電價曲線。

（2）通過安裝在電動汽車使用者手機上和汽車上的軟件，對每個電動汽車用戶的出行情況及充電行為進行實時監(jiān)測。該方法從用戶的用車習慣出發(fā)，可以獲得不同用戶之間清晰的差異。

（3）考慮電動汽車用戶的隨機性，通過蒙特卡羅仿真法對各種隨機特性進行模擬，進而得到一定數(shù)量電動汽車的疊加充電負荷曲線。

無論采用何種方法，在對系統(tǒng)進行評估時，都應考慮電動汽車充電負荷的不確定性，這也是目前電動汽車實時電價在國內(nèi)沒有得到普及的原因。

2.2 5G下的電動汽車實時電價計算數(shù)據(jù)

調(diào)查表明，電動汽車實時電價主要與充電設施的供電模式和功率、電動汽車的動力電池容量以及用戶的駕駛和充電行為有關(guān)。5G時代下，可以通過大數(shù)據(jù)得到不同車輛和充電設施的技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)不盡相同且存在一定差異；同時，電動汽車使用者的使用行為和充電行為具有不確定性和隨機性，容易受到外部因素的影響：這些因素使得電動汽車實時電價計算的難度增大。對于大規(guī)模接入電網(wǎng)的電動汽車來說，實時電價計算直接涉及的變量主要包括實時充電頻率、充電時段、充電地點、充電容量和充電功率等。其中：充電頻率、充電時段和充電地點與電動汽車使用者的駕駛習慣、充電設施布局、充電成本等因素有關(guān)；充電容量受電動汽車使用者的行駛距離、車輛能耗等因素影響。一些模型將電動汽車用戶的最后出行結(jié)束時間定為用戶的充電時間，然而用戶并不一定在出行結(jié)束立即進行充電；另外，電動汽車的充電功率受到供電條件、供電設備以及當前電池技術(shù)水平的限制，充電曲線也有很大的不同。充電負荷對上述各變量的敏感度有所差異，在計算電動汽車實時電價時，需要根據(jù)不同的評價范圍、水平和指標采取不同的計算方法，盡可能涵蓋各種電動汽車充電變量，使計算結(jié)果更有說服力，以此來建立電動汽車實時電價的計算模型。

除了電動汽車充電負荷的數(shù)值，電動汽車充電負荷與電網(wǎng)原始負荷在時間上的關(guān)聯(lián)也決定了疊加后的總負荷曲線特性。在對電力系統(tǒng)的負荷率、損耗和電壓升降進行評估時，必須從時間和空間2個角度來考慮電動汽車充電負荷在電網(wǎng)中的分布。在特定的充電場景下，可以借助5G技術(shù)充分考慮電動汽車充電負荷的隨機性和不確定性，再通過概率潮流計算進行各項負荷指標的評估，從而得到各重要指標的分布概率。5G時代下，電動汽車實時電價影響因素逐漸增多，各指標數(shù)據(jù)采集的實時性加強，為使電動汽車實時電價計算更為準確，用戶可根據(jù)實時電價調(diào)整用電時段，以節(jié)省充電成本為主要目的，主動參與電網(wǎng)負荷的調(diào)整。

3 5G下電動汽車實時電價的應用策略

3.1 實時電價下電動汽車有序充電

目前，降低電動汽車充電對電網(wǎng)影響的有效途徑是在實時電價的基礎(chǔ)上使電動汽車用戶自主有序充電，這就意味著電動汽車以有序、實時方便的形式參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。電動汽車有序充電是在電網(wǎng)實時運行的基礎(chǔ)上，以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標，充分考慮電動汽車充電影響因素，協(xié)調(diào)電動汽車充電的過程。電動汽車用戶可以通過手機預約最新的充電服務提供商，并在手機上選擇相應的充電器號碼，通過這種方式來節(jié)省電動汽車的充電成本，提高充電效率，避免大規(guī)模擁擠的現(xiàn)象。由于每個時段的充電需求不同，充電站與當?shù)仉娋W(wǎng)合作，購買智能電網(wǎng)所收集的實時電價數(shù)據(jù)和相應的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，計算出第2天各個時段大概的實時電價水平，在每天的固定時間公布第2 天的實時電價水平，供用戶自主選擇時參考。電動汽車用戶通過手機接收到實時電價的信息，及時了解實時電價詳情，選擇合理的時間段充電，增加了電動汽車用戶的自主選擇意愿，提高了節(jié)約環(huán)保意識。實時電價的應用方式如圖1 所示，用戶可以基于實時電價自主選擇充電時段，并能夠與充電服務開發(fā)商進行互動，提出充電過程中存在的一些問題，提高電動汽車用戶的用電效益。

圖1 5G和實時電價下電動汽車有序充電Fig.1 Coordinated charging of electric vehicles with 5G and spot price

3.2 電動汽車與電網(wǎng)交互

筆者對所采集的電動汽車實時充電數(shù)據(jù)進行了分析，電網(wǎng)當前使用狀態(tài)、電動汽車使用者充電方式、電動汽車充電數(shù)量等都會對電動汽車實時電價產(chǎn)生影響。電動汽車可以作為可移動式儲能單元，以充放電的方式對電網(wǎng)進行調(diào)節(jié)。目前，對作為儲能單元的電動汽車實時價格調(diào)控的研究主要集中在電動汽車與電網(wǎng)的相互作用、控制策略、成本效益分析和硬件開發(fā)等方面。首先，將電動汽車視為可移動式儲能單位使用，在電動汽車和充電裝置上安裝軟件，通過5G技術(shù)對電動汽車進行實時監(jiān)控；進而利用軟件對數(shù)據(jù)進行處理，并控制電動汽車的充放電行為，做到高峰放電、低谷充電，實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)峰填谷。其次，電動汽車作為可移動儲能單元可以參與電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，比傳統(tǒng)的調(diào)頻裝置更加便捷迅速。

電動汽車實時電價的計量與確定需要電動汽車與電力系統(tǒng)之間進行信息交互，信息交互的內(nèi)容需要包括電動汽車實時充電需求、充電開始與停止時間、電池充電狀況等，如果輸電站信息化程度不高，輸電站運行的實時信息就無法完全掌握，基于實時電價信息的計算模型無法得到準確的數(shù)據(jù)，該方式就無法普及。在控制方式上，如果采用集中控制方式，就對大型電動汽車充放電策略優(yōu)化和雙向信息交互處理提出了更高的要求。為了提高電動汽車實時數(shù)據(jù)信息的處理速度，降低對通信系統(tǒng)硬件及軟件運行速度的要求，有必要對電動汽車的充放電方式和策略進行研究。此外，在電動汽車和電力系統(tǒng)交互信息的過程中，應做好保密工作，盡可能避免數(shù)據(jù)泄露。5G時代下，不僅要研究電力系統(tǒng)與通信裝置的物理連接，電動汽車與電網(wǎng)系統(tǒng)之間也需要有約束機制來限制雙方的行為，從而保證雙方的利益不受侵害。在這種約束機制下，電動汽車使用者與充電站經(jīng)營者都將從自身利益出發(fā)，在調(diào)整和控制電價過程中做出積極的反應?；诋斍?G大數(shù)據(jù)時代，支持電動汽車大量接入電網(wǎng)的首要條件就是建立電動汽車與電力系統(tǒng)之間的通信系統(tǒng)、保密的管理模式以及控制方式，用戶和電網(wǎng)之間的信息交流不可被泄露，需要有高度保密性；與此同時，電力系統(tǒng)必須增強自身的監(jiān)控力度，對于用戶的可控設備以及實時數(shù)據(jù)進行有效管控，確保從云端得到的數(shù)據(jù)是實時、有效的，以保證電力市場環(huán)境和電動汽車實時電價計算機制更加完善，使電動汽車實時電價更加準確，實現(xiàn)用戶的利益最大化。

4 結(jié)束語

筆者研究了未來電力市場實時電價下電動汽車的充電定價機制，鼓勵電動車用戶積極參與電力市場調(diào)控，有效緩解電力供需矛盾，達到節(jié)能減排、提高生產(chǎn)效率、促進經(jīng)濟增長的目的。通過對實時電價的研究，可以得到電價實時波動數(shù)據(jù)，并通過此項數(shù)據(jù)引導電動汽車使用者調(diào)整充電行為，從而達到合理優(yōu)化電源配置、監(jiān)測用電日負荷曲線、削峰填谷、縮小負荷峰谷差的目的。以實時電價機制鼓勵電動汽車用戶合理用電，使電價紅利惠及用戶，是5G 時代下進行電動汽車實時電價研究的目的。