摘要：在居住小区传统建设模式下，充电桩安装难、配套投资大，严重阻碍了充电桩在小区内进行普及使用。为解决该问题，本文首先调研了居住小区内的电动汽车用户的出行习惯和充电特点，提出了分时电价响应和动态服务价响应两种有序充电模式，然后以用户充电费用较低为目标建立了数学模型，并引入特别小区配电变压器容量的惩罚因子，之后利用改进粒子群算法，仿真分析在无序充电、分时电价响应有序充电、动态服务价响应有序充电三种方式下的负荷波动性。算法仿真后，证明了所提出充电策略的正确性、有效性。之后，针对居住小区公共、个人停车位充电桩，提出了居住小区停车位安装充电桩响应有序充电建设方案，为今后居住小区电动汽车实际应用充电提供了指导建议。
国家在加快电动汽车充电基础设施建设的指导文件《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》中明确，居住小区配建停车位时要同步建设充电设施或预留充电桩建设安装条件。但调查发现，社区物业部门担心安全责任准宅小区业主安装充电桩仍存在较多困难、物业不配合、报装以及接电难度大等情况。在居住小区电动汽车规模化发展的基础上，小区安装充电桩数量将进一步增多。以山东省某市为例，约有1万个小区，每个小区变压器、高低压电缆等配套设施设备、施工费按30万元/台粗略估计，假设增容或新上5台变压器及配套设施用于小区充电桩充电使用，预计配套电源投资达到150亿元。全国耗资可能需要上万亿，投资所需成本数额巨大。并且在普遍的老旧小区，普遍因位置紧张、地方协调关系复杂，配电设施扩建改造十分艰难。短时间内,没办法实现该目标和要求,迫切地需要在原有配电设施不改造的前提下，研究一种科学有效、合理有序、投资少见效快、可持续发展的居住小区电动汽车有序充电策略[1-2]。国家在《新能源汽车产业高质量发展规划（2021—2035年）》中明确，居住小区内要积极推广建设有序慢速充电桩。文献［3-4］提出在原有配电设施不增容、不升级改造的前提下,利用谷时段充电,从而获取充电费用较低的有序充电方法。文献提出一种无需集中式通信系统实时监测控制的分布式电动汽车有序充放电策略。实际生活中，更需要以主动引导方式,鼓励电动汽车用户能充分、主动响应充电价格参与有序充电策略。文献提出用户充电成本和电动汽车充电起始时间两个目标相结合为较优的充电控制策略。文献考虑充电站运营收益，以电网分时电价动态引导，建立有序充电模型。通过调整电动汽车充电时间和预测充电负荷，使得客户充电成本较低，建立有序充电模型。利用启发式算法，综合客户充电成本和负荷曲线较优为目标，建立有序充电模型。文献利用原有专变冗余容量,建立由专变用户、充电站运营商与电动汽车用户的三层有序充电模型。以上研究对充电价格定义尚不明确,仅在峰谷分时电价或动态分时电价上研究探讨。 国家在电动汽车用电价格的政策规定，电动汽车用户充电后应向充电桩运营企业缴纳电费、充电服务费两项。因此，本文将充电价格分为充电电价、充电服务价两部分，分别对应充电电费、充电服务费，并依据充电价格划分原则引导、鼓励用户主动调整用车行为和充电习惯，响应电动汽车有序充电策略。充电电价执行一般工商业分时电价，充电服务费由充电桩运营企业根据现场实际、自身经营情况等制定，大多数都用在弥补充电桩的经营成本和建设成本。本文在分析居住小区电动汽车用户出行习惯和充电特点后，在无序充电方式的基础上定义分时电价响应和动态服务价响应的两种有序充电方式，建立以用户充电费用较低目标函数，并引入超小区配电变压器容量的惩罚因子，利用改进粒子群算法以，分析分时电价响应有序充电、动态服务价响应有序充电两种方式下负荷波动性影响。算例仿真验证了本文提出的有序充电策略的有效性与合理性。
假设电动汽车用户出行结束后，就开始充电。 假设充电过程近似为恒压过程，即恒功率充电。 一辆电动汽车的充电时间：
式(1)中:Tc为充电的时间;Pc为充电功率;SOCo为电动汽车初始荷电状态;w为电动汽车电池容量。将24小时分为96个充电时段，则t时段电动汽车的充电功率为：
式(2)中N为动汽车充电数量,Pev,i(t)为电动汽车i在第t时段的充电功率，其为正值表示在充电，为负值表示在放电，为零值表示不充电(为闲置状态)。
一天24小时中，居住小区电动汽车用户的出行时间不是均匀分布，具有非常明显的早晚高低峰现象叫由于上下班工作、接送孩子上学等生活工作习惯，电动汽车用户的出行高峰大多分布在在7 : 00-8 : 00、17 : 00-19 : 00两个时间段区间，电动汽车用户在下班后进行充电的概率较大。而这期间本身就是居住小区用电高峰期，电动汽车集中在此时间段充电会增加用电量，造成高峰时期电力负荷的紧张,给居住小区配电设施带来运行风险，同时电力系统出现“峰上加峰”的现象。为此，一定要通过充电价格引导用户，改变其充电习惯,避免造成电力负荷紧张的局面。
小区用户购买电动汽车，大多数都用在生活、工作需求，在小区充电较为方便,工作日下班后、周末全天充电均可,用于第二天上班或生活使用,适合交流慢充。考虑在分时充电价格响应的有序充电方式下,不需要在小区配置专人管理电动汽车接入充电桩,只通过充电价格引导用户主动响应充电。
无序充电方式下，不论充电价格如何变化,电动汽车用户下班后将电动汽车连接到居住小区充电桩充电，近似恒功率充满电才断开充电连接。整个居住小区所有电动汽车用户在有充电桩闲置的情况下，下班后随机接入充电。
分时电价响应的有序充电方式是在充电电价分时段、充电服务价固定统一的前提下,部分电动汽车用户下班后没有立即连接充电桩，而是选择在一段时间后连接充电，目的是花费较低的充电成本费用充满电。充电电价执行国家规定的一般工商业峰谷分时电价。
动态服务价响应的有序充电方式是在充电价格分时段(充电电价、服务价均分时段)的前提下，部分电动汽车用户下班后没有立即连接充电桩，而是选择在一段时间后连接充电，目的是花费较低的充电成本费用充满电。 充电服务价制定规则。居住小区配电室变压器容量是影响小区电动汽车充电的重要的条件。为更有效地利用变压器余量，通过充电服务价响应参与居住小区普通电力负荷曲线调度，根据上一时段电力负荷计算该时段的充电服务价。利用各时段价格差，通过充电管理系统控制充电桩电流的大小，鼓励用户将充电负荷转移到普通电力负荷较低的时段，实现较大化利用居住小区变压器容量。
式(3),(4)中：Pn(t)为t时段普通电力负荷;Pn为一天中普通电力负荷平均值。v0为固定充电服务价，指充电桩运营企业向充电车主收取一定服务费弥补建设成本,本文取0.45元/千瓦时。
高峰期充电，避免居住小区配电设施超负载运行;普通电力负荷低时,充电服务价相比来说较低，吸引、鼓励居住小区充电用户选择接入充电，提高居住小区配电设施利用率。电动汽车的充电负荷具有可转移性,在充电服务价格差的刺激下，电动汽车用户为降低充电费用，尽可能地选择在充电服务价低的时段充电也就是将充电负荷聚集到普通电力负荷少的时段充电,充分的利用小区配电室变压器容量。在0 ： 00-6 : 00时间段内，充电服务价相比来说较低，在0.2元/千瓦时以下;在17 : 00-22 : 00时间段内，充电服务价相比来说较高，在0.8元/千瓦时以上。
有序充电优化策略目标是在现有居住小区配电网变压器余量的基础上，通过用户主动响应，让用户充电费用降特别多。
分时电价下的有序充电方式,q(t)为阶段函数,v(t)为一常数，因此s(t)为变量。
动态服务价下的有序充电方式,q(t)为阶段函数,v(t)为动态变量，因此s(t)为变量。
式中:s(t)为t时段充电价格,q(t)为t时段充电电价,v(t)为t时段充电服务价。
式中Sn为小区配电室变压器额定容量;COSφN为变压器额定功率因数;μ为变压器负载率;Pb(t)为t时段居住小区配电网普通电力负荷pi+(t)为t时段变压器用电余量。本公式是指充电桩与普通电力负荷同时接在一台变压器上，充电桩有功功率与普通电力负荷有功功率之和是变压器负载。 在不超过居住小区配电变压器容量的前提下,以用户充电费用很低为目标建立函数：
式⑸ 中Pev,i(t)为第i辆电动汽车t时段充电功率,N为电动汽皋充电桩台数△t为时间间隔;γ为各时段超出小区配电变压器额定容量限制的惩罚因子本文取10元/千瓦。定义符号函数
电动汽车充电响应主要受居住小区电压范围、 充电容量、线路热负荷等因素限制。
式(7)中：Vi为第i个充电桩的电压，Vmin和Vmax分别为居住小区配电网允许的较大、较小电压值。
式(8)中:△P0为当前时段与上一时段小区充电站的充电功率变化范围，本文取20kW。
式⑼ 中SOCi,0为第i辆电动汽车动力电池的初始荷电状态;Wi为第i辆电动汽车动力电池容量。
式(10)中SOCi,0为第i辆电动汽车在t时间段末电池的荷电状态,SOCt-i为第i辆电动汽车在(t-1)时间段末电池的荷电状态。
式(12） 中：Wmax、Wmin为惯性因子的较大、较小值，一般Wmax=0.9,Wmin =0.4,t、Tmax分别为当前迭代次数与设置的较大迭代次数。 使用IPSO进行优化求解时，将第i辆电动汽车在t时段的充电功率变量xit作为粒子的位置坐标,粒子维数为NxT。
本文研究24小时进行数学优化，采用Madab仿真求解，其算法流程图如图2所示。
以山东省某市居住小区为例，其设备参数:一台配电变压器容量为800kVA,额定功率因数0.95,较大允许负载率0.9,变比10/0.4kV,三相线家住宅用户，低压配电网电压在标称电压220/380V允许的+10%-10%范围内波动。经调査了解,居住小区内电动汽车保有量48辆,有长城C30EV、比亚迪e5、北汽EX360等电动汽车品牌，电池容量大致在25kWh~80kWh,计划近期购买或更换电动汽车有72户。如果要对该居住小区统一安装充电桩，计划安装60台功率7kW交流充电桩，车桩比约2 ：1。
电动汽车无序充电，电动汽车用户不受充电价格影响，随机接入充电桩启动充电,16 : 00-20 : 00时间段充电负荷出现高峰期。住宅用户由于下班回家，电视、厨房等用电设备开启，在18 : 00-22 : 00时间段，普通电力负荷出现负荷高峰期。计入居住小区电动汽车用户充电负荷，总负荷曲线时间段内出现“峰峰叠加”现象，较高负荷达到866kW,超出较大允许负荷684kW约27%( 图3)。
有90%电动汽车用户响应分时电价下的有序充电方式，其中30%电动汽车用户选择在下班后平时段（21 : 00-23 : 00）接入充电桩充电,60%电动汽车用户选择在下班后谷时段（23 : 00-7 : 00）接入充电桩充电，剩余10%电动汽车仍选择在下班后随机接入充电桩充电（表1）。
图4分时电价响应的有序充电方式负荷变化曲线辆电动汽车用户为例，分析计算该用户充电费用。该用户电动汽车品牌是北汽EX360,电池容量48kWh,充电起始荷电状态SOC为28%, 客户的真实需求是充满电,SOC达到按照每个用户需求，按照恒功率7kW交流充电桩充电，北汽EX360充满电需5小时（表2）。
在无序充电方式下,该用户17 : 30下班到居住小区接入充电桩充电，在峰时段（17 : 30-21 : 00）充电3.5h,在平时段（21 : 00-22 : 30）充电1.5h0北汽EX360单次充满电，需花费用户44.83元。 用户响应分时电价下的有序充电方式,分别为响应平时段有序充电和响应谷时段有序充电。响应平时段有序充电，用户下班后没有接入充电桩充电而是在21 : 00接入充电。在平时段（21 : 00-23 : 00）充电2h,在谷时段（23 : 00-次日2 : 00）充电3h。同理计算，北汽EX360单次充满电,需花费用户41.71元,充电费用节省7%。响应谷时段有序充电，用户下班后没有接入充电桩充电，而是在23 : 00接入充电。在谷时段（23 : 00-次日4 : 00）充电5h。同理计算,北汽EX360单次充满电，需花费用户37.54元,充电费用节省16%。
考虑48辆电动汽车充电负荷响应有序充电，在充电电价分时段的基础上,90%用户响应充电服务价有序充电方式。居住小区电动汽车用户结合自己出行需求，由充电管理系统控制充电桩电流的大小，尽可能地选择在充电价格较低时间段充电。充电负荷大多分布在在充电电价谷时段(23 : 00-6 : 00)、充电服务价低时段(13 : 00-15 : 30)充电(图1)。夜间，普通电力负荷虽然在22：00之后急剧下降，但充电价格也同时下降，吸引电动汽车用户热情参加充电服务价下的有序充电方式。白天，充电电价在平时间段(11 : 30-16 : 00)较低,充电服务价在13 : 00-15 : 30时间段较低，相互叠加，共同作用，影响充电价格在13 : 00-15 : 30时间段较低，电动汽车充电负荷增加约100kWo与此同时，普通电力负荷在10 : 00-13 : 00时间段迎来负荷“小高峰”，再次叠加,形成总负荷在时间段11 : 30-13 : 00时间段形成“小高峰”，较大负荷400kW,仍在小区配电变压器安全运行容量范围内。求解目标函数，用户充电费用1334元，与无序充电方式相比较，充电费用节省 88%(图 5)。
与分时电价下的有序充电方式相比,动态服务价的有序充电方式更能为用户有效节省充电费用。 而且从小区配电变压器负荷波动性角度看，通过响应普通电力负荷曲线制定的动态充电服务价，对电动汽车用户参与有序充电更具有吸引性。在同一小区配电变压器，更多的电动汽车充电负荷接入，不仅不超变压器负载,而且总负荷曲线波动性趋于平缓,“移峰填谷”作用更为明显。
对于老旧小区，可能不存在物业公司等管理部门,公共停车位归业委会或居委会所有;对于新建小区，一般公共停车位由物业公司负责管理。无论老旧小区还是新建小区，均可以由第三方建设运营企业建设有序充电桩,响应动态分时充电价格激励，停车位经营管理单位（业委会或居委会、物业公司）参与收益分配,增加积极性。
住宅小区业主在个人停车位安装随车配建的充电桩，能够最终靠程序升级等技术改造,申请加入动态分时充电价格响应有序充电，利用业主一般白天上班、停车位闲置时间，将个人停车位及停车位上的充电桩共享，为其他电动汽车提供停车服务和充电服务,通过个人停车位共享获得收益o个人通过停车位共享能够很好的满足其他车辆停放、 充电，获得收益或抵扣个人充电费;停车场经营管理单位通过合作能从充电客户获取停车费、从第三方建设运营企业获取充电设施固定租金收入或服务费分成收益。居住小区不仅解决了充电难问题，还解决了停车难问题，停车场经营管理单位获取了“停车费+固定租金（或服务费分成）”收入,电动汽车用户能用低成本充满电，第三方建设运营企业提高了充电设施使用率，实现了多方合作、互利共赢局面。
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瓶车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运作时的状态，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。
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。
4）数据中心层：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。
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。
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