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電力系統(tǒng)中電動車充電樁布局與調(diào)度的優(yōu)化策略探究

安科瑞直發(fā) ? 來源:jf_31793424 ? 作者:jf_31793424 ? 2024-12-13 16:39 ? 次閱讀

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摘要:本文深入鉆研電動車充電樁電力系統(tǒng)布局及調(diào)度的問題,融合地理信息系統(tǒng)與電網(wǎng)模型,綜合考慮電力供應(yīng)能力、民眾電動車出行需求以及充電設(shè)備安全等要素,構(gòu)建多因多目標優(yōu)化模型,精準確定充電樁的最優(yōu)布局方案。同時,結(jié)合電力系統(tǒng)運行模式、電網(wǎng)狀況及充電樁運營成本,設(shè)計出充電樁調(diào)度模型,并運用啟發(fā)式算法得出最佳調(diào)度策略。研究成果顯示,此方案顯著優(yōu)化了充電樁的布局與調(diào)度,提升電力系統(tǒng)運行效率,削減運營成本,充分滿足電動車用戶充電需求,對推動電動汽車可持續(xù)發(fā)展意義重大,兼具理論與實用價值。

關(guān)鍵詞:電動車充電樁;布局調(diào)度;多目標優(yōu)化;啟發(fā)式算法;運行效率

1 電動車充電樁在電力系統(tǒng)中的作用與挑戰(zhàn)

1.1 基本功能與需求
電動車充電樁作為電源網(wǎng)絡(luò)與電動車的關(guān)鍵連接點,核心任務(wù)是為電動車輸送電力以實現(xiàn)充電。其需求涵蓋:提供穩(wěn)定電力,滿足電動車快速充電所需功率輸出;適配多種充電接口,應(yīng)對不同車型;具備數(shù)據(jù)交互與檢測能力,可實時監(jiān)測充電狀態(tài)并收集數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析決策。

1.2 布局的系統(tǒng)性挑戰(zhàn)
充電樁布局旨在使電池加注設(shè)施在特定區(qū)域達成理想分布,以契合電動車供電訴求。其布局受電動車聚集特性影響,多集中于停車區(qū)、商業(yè)街道等場所。同時,需兼顧電力系統(tǒng)負荷能力與接入約束,防范因大量電動車同時充電引發(fā)的電網(wǎng)電壓不穩(wěn)及供電短缺問題,且要考量城市發(fā)展與交通運輸綜合效應(yīng),確保充電樁建設(shè)契合城市土地規(guī)劃,融入現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò),為電動車提供便捷充電服務(wù)。

1.3 調(diào)度的優(yōu)化需求
電動車充電樁調(diào)度著重于高效管理充電樁資源,滿足不同車輛充電需求。具體包括:依據(jù)電動車充電需求及優(yōu)先級分配資源,優(yōu)先保障緊急充電需求;結(jié)合電網(wǎng)運行狀況與負荷平衡,遵循電網(wǎng)負荷分配策略,動態(tài)調(diào)度充電樁資源,維護電網(wǎng)穩(wěn)定;考慮電價因素,助力電動車選擇適宜充電樁與充電策略。

2 多目標優(yōu)化模型的構(gòu)建與求解

2.1 基于地理信息系統(tǒng)與電網(wǎng)模型的布局優(yōu)化模型
地理信息系統(tǒng)(GIS)負責收集充電需求及充電樁地理分布信息,如道路網(wǎng)絡(luò)、用地狀態(tài)和人口密集程度等,為合理布局提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持,以便精準分析實際充電需求與充電樁分布狀況,制定有效布局方案。電網(wǎng)模型涵蓋輸電線、變電場及負荷節(jié)點等信息,能預測不同地區(qū)充電需求及充電樁對電力系統(tǒng)的影響?;诖藰?gòu)建的充電樁布局優(yōu)化模型,旨在滿足充電需求的同時,降低電力系統(tǒng)與充電樁建設(shè)成本,綜合考量充電樁容量、數(shù)量及位置等因素。該模型可借助遺傳算法、模擬退火算法和粒子群優(yōu)化算法等啟發(fā)式算法求解,依據(jù)具體問題特點與約束條件選擇合適算法獲取近似最優(yōu)方案。

2.2 考慮電力運行方式與電網(wǎng)狀態(tài)的調(diào)度優(yōu)化模型
充電樁調(diào)度需依據(jù)充電需求與電力系統(tǒng)運行狀態(tài),合理安排充電樁輸出功率與充電時段,保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行并滿足充電需求。構(gòu)建調(diào)度優(yōu)化模型時,需考慮電力系統(tǒng)運行方式(包括傳統(tǒng)發(fā)電與可再生能源發(fā)電),據(jù)此制定充電使用策略,降低對傳統(tǒng)發(fā)電的依賴。同時,將電網(wǎng)狀態(tài)(如電力負荷、供給和網(wǎng)絡(luò)拓撲等信息)納入考量,合理調(diào)配充電樁充電功率與時段,降低電力系統(tǒng)負荷峰值,優(yōu)化電力供給,減少輸電損耗。此模型目標為在滿足充電需求與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行前提下,最大化充電樁利用率與電力系統(tǒng)效率。

2.3 啟發(fā)式算法的應(yīng)用
啟發(fā)式算法在充電樁布局與調(diào)度優(yōu)化中應(yīng)用廣泛,可通過搜索與優(yōu)化獲取近似最優(yōu)解。在布局優(yōu)化中,依據(jù)充電需求與地理信息等因素,確定合適的充電樁容量、數(shù)量與位置,最大程度滿足充電需求并降低成本。在調(diào)度優(yōu)化中,根據(jù)電力運行方式與電網(wǎng)狀態(tài),合理安排充電樁輸出功率與充電時段,減少電力系統(tǒng)負荷峰值、優(yōu)化供給并降低輸電損耗。啟發(fā)式算法優(yōu)勢顯著,能在較短時間內(nèi)求解近似最優(yōu)解,適用于大規(guī)模充電樁布局與調(diào)度優(yōu)化問題,具有良好的魯棒性與適應(yīng)性,可靈活應(yīng)對電力系統(tǒng)變化與不確定性。未來,其在該領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,隨著電動車普及與電力系統(tǒng)發(fā)展,將成為重要研究方向,推動電動車高效充電與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行,助力電動車可持續(xù)發(fā)展。

3 優(yōu)化方法的效果評估與應(yīng)用前景

3.1 實驗方法與評估指標
實驗采用動態(tài)仿真模型,選取城市密集區(qū)域為場景,綜合地理信息系統(tǒng)、電網(wǎng)模型及實際電力運營方式等因素,設(shè)定電動車數(shù)量、使用頻率及電網(wǎng)運行狀態(tài)等需求場景,模擬充電樁布局與調(diào)度策略,經(jīng)多次迭代獲取最優(yōu)或近似最優(yōu)方案,并引入啟發(fā)式算法進一步優(yōu)化。評估指標涵蓋充電樁布局合理性(依據(jù)地理信息系統(tǒng)評估空間分布能否及時滿足充電需求)、調(diào)度效率(反映電動車充電等待時間,依據(jù)調(diào)度策略、充電需求動態(tài)變化及充電樁實時狀態(tài)數(shù)據(jù)評估)、電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性(衡量電力系統(tǒng)健康運行,包括電動車充電對電網(wǎng)載流量、電壓等參數(shù)的影響)以及運營成本合理性(采用生命周期成本法,綜合電動車使用、充電樁建設(shè)及運營管理等因素考量)。綜合這些指標,可全面深入評估充電樁布局與調(diào)度優(yōu)化模型的有效性與可行性,未來研究將持續(xù)優(yōu)化實驗方法與評估指標,推動相關(guān)策略優(yōu)化工作進展。

3.2 對電力系統(tǒng)運行效率和成本的影響
優(yōu)化方法應(yīng)用于電動車充電樁布局與調(diào)度,對電力系統(tǒng)運行效率和成本影響顯著。在運行效率方面,布局優(yōu)化可均衡充電需求與電網(wǎng)供電能力,避免電網(wǎng)負荷過高,提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與充電服務(wù)效率,推動電動車普及;調(diào)度優(yōu)化能依據(jù)電網(wǎng)運行狀態(tài)與電動車充電需求實時調(diào)度,如夜間增快充速、高峰控速,增強電力系統(tǒng)負荷平滑程度,提高運行效率。在運行成本方面,布局優(yōu)化可減少冗余建設(shè),降低充電樁建設(shè)與運營成本,充分利用現(xiàn)有電力資源,減少新建電源或升級電網(wǎng)設(shè)施需求,降低總成本;調(diào)度優(yōu)化實現(xiàn)充電峰谷錯時,抑制電網(wǎng)高峰、填補谷部,使負荷更平滑,節(jié)省運行成本,且電動車充電設(shè)備的儲能特性經(jīng)調(diào)度優(yōu)化可進一步降低成本,同時避免裝置過度運行與磨損,延長設(shè)備使用壽命,降低運行維護成本,增強電力系統(tǒng)安全性。

4 安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

4.1 概述
AcrelCloud - 9000 安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),對接入的電動自行車充電站及充電樁進行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控,涵蓋充電服務(wù)、支付管理、交易結(jié)算、資產(chǎn)管理、電能管理、明細查詢等功能,同時對充電樁各類故障進行預警。充電樁支持以太網(wǎng)、4G 或 WIFI 接入互聯(lián)網(wǎng),用戶可通過微信、支付寶、云閃付掃碼充電。

4.2 應(yīng)用場所
適用于民用建筑、工業(yè)建筑、居住小區(qū)、事業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等多種場所的充電樁基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。

4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層(含電瓶車智能充電樁,采集充電回路電力參數(shù)、計量電能并保護,通訊協(xié)議為標準 modbus - rtu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸層(經(jīng) 4G 網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器)、數(shù)據(jù)層(包含應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)服務(wù)器,分別部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB 網(wǎng)站以及實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫)和客戶端層(系統(tǒng)管理員通過瀏覽器訪問平臺,終端用戶刷卡掃碼啟動充電)。小區(qū)充電平臺具備充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能,并為運維人員提供運維 APP,為充電用戶提供充電小程序。

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4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況,對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)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(shè)備使用率,合理分配資源。

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4.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況,主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流,充電樁告警信息等。

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4.4.3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(jié)、注銷等操作,可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

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4.4.4故障管理

設(shè)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(fā)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(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

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4.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺,從充電站點、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度,查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

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4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)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(shè)施,維護充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動,同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

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4.4.7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(huán)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(shù)設(shè)置,同時可接收故障推送

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4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用,可查看附近空閑設(shè)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。

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4.5系統(tǒng)硬件配置

類型 型號 圖片 功能
安科瑞充電樁收費運營云平臺 AcrelCloud-9000

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安科瑞響應(yīng)節(jié)能環(huán)保、綠色出行的號召,為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁,包含智能7kW交流充電樁,30kW壁掛式直流充電樁,智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟、智能運營管理的市場需求,提供電動汽車充電軟件解決方案,可以隨時隨地享受便捷安全的充電服務(wù),微信掃一掃、微信公眾號、支付寶掃一掃、支付寶服務(wù)窗,充電方式多樣化,為車主用戶提供便捷、安全的充電服務(wù)。實現(xiàn)對動力電池快速、安全、合理的電量補給,能計時,計電度、計金額作為市民購電終端,同時為提高公共充電樁的效率和實用性。
互聯(lián)網(wǎng)版智能交流樁 AEV-AC007D

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額定功率7kW,單相三線制,防護等級IP65,具備防雷
保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、遠程升級,支持刷卡、掃碼、即插即用。
通訊方:4G/wifi/藍牙支持刷卡,掃碼、免費充電可選配顯示屏
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 AEV-DC030D

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額定功率30kW,三相五線制,防護等級IP54,具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠
程升級,支持刷卡、掃碼、即插即用
通訊方式:4G/以太網(wǎng)
支持刷卡,掃碼、免費充電
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 AEV-DC060S

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額定功率60kW,三相五線制,防護等級IP54,具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級,支持刷卡、掃碼、即插即用
通訊方式:4G/以太網(wǎng)
支持刷卡,掃碼、免費充電
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 AEV-DC120S

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額定功率120kW,三相五線制,防護等級IP54,具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級,支持刷卡、掃碼、即插即用
通訊方式:4G/以太網(wǎng)
支持刷卡,掃碼、免費充電
10路電瓶車智能充電樁 ACX10A系列

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10路承載電流25A,單路輸出電流3A,單回路功率1000W,總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。
ACX10A-TYHN:防護等級IP21,支持投幣、刷卡,掃碼、免費充電
ACX10A-TYN:防護等級IP21,支持投幣、刷卡,免費充電
ACX10A-YHW:防護等級IP65,支持刷卡,掃碼,免費充電
ACX10A-YHN:防護等級IP21,支持刷卡,掃碼,免費充電
ACX10A-YW:防護等級IP65,支持刷卡、免費充電
ACX10A-MW:防護等級IP65,僅支持免費充電
2路智能插座 ACX2A系列

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2路承載電流20A,單路輸出電流10A,單回路功率2200W,總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別,報警上報。
ACX2A-YHN:防護等級IP21,支持刷卡、掃碼充電
ACX2A-HN:防護等級IP21,支持掃碼充電
ACX2A-YN:防護等級IP21,支持刷卡充電
20路電瓶車智能充電樁 ACX20A系列

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20路承載電流50A,單路輸出電流3A,單回路功率1000W,總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別,報警上報。
ACX20A-YHN:防護等級IP21,支持刷卡,掃碼,免費充電
ACX20A-YN:防護等級IP21,支持刷卡,免費充電
落地式電瓶車智能充電樁 ACX10B系列

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10路承載電流25A,單路輸出電流3A,單回路功率1000W,總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。
ACX10B-YHW:戶外使用,落地式安裝,包含1臺主機及5根立柱,支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏
ACX10B-YHW-LL:戶外使用,落地式安裝,包含1臺主機及5根立柱,支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告
智能邊緣計算網(wǎng)關(guān) ANet-2E4SM

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4路RS485串口,光耦隔離,2路以太網(wǎng)接口,支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP(主、從)、104(主、從)、建筑能耗、SNMP、MQTT;(主模塊)輸入電源:DC12V~36V。支持4G擴展模塊,485擴展模塊。
擴展模塊ANet-485 M485模塊:4路光耦隔離RS485
擴展模塊ANet-M4G M4G模塊:支持4G全網(wǎng)通
導軌式單相電表 ADL200

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單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量,輸入電流:10(80)A;
電能精度:1級
支持Modbus和645協(xié)議
證書:MID/CE認證
導軌式電能計量 ADL400

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三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量,分相總有功電能,總正反向有功電能統(tǒng)計,總正反向無功電能統(tǒng)計;紅外通訊;電流規(guī)格:經(jīng)互感器接入3×1(6)A,直接接入3×10(80)A,有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級
證書:MID/CE認證
無線計量儀表 ADW300

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三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量,有功電能計量(正、反向)、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量(2~31次);A、B、C、N四路測溫;1路剩余電流測量;支持RS485/LoRa/2G/4G/NB;LCD顯示;有功電能精度:0.5S級(改造項目)
證書:CPA/CE認證
導軌式直流電表 DJSF1352-RN

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直流電壓、電流、功率測量,正反向電能計量,復費率電能統(tǒng)計,SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入*大1000V,電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級,1路485通訊,1路直流電能計量AC/DC85-265V供電
證書:MID/CE認證
面板直流電表 PZ72L-DE

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直流電壓、電流、功率測量,正反向電能計量:紅外通訊:電壓輸入*大1000V,電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級
證書:CE認證
電氣防火限流式保護器 ASCP200-63D

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導軌式安裝,可實現(xiàn)短路限流滅弧保護、過載限流保護、內(nèi)部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測等功能;1路RS485通訊,1路NB或4G無線通訊(選配);額定電流為0~63A,額定電流菜單可設(shè)。
開口式電流互感器 AKH-0.66/K

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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。
霍爾傳感器 AHKC

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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(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSPPLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受,響應(yīng)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。
智能剩余電流繼電器 ASJ

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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(shè)備和電氣火災(zāi)事故,也可用于對人身觸電危險提供間接接觸保護。

5 結(jié)束語

本研究針對電力系統(tǒng)中電動車充電樁布局與調(diào)度優(yōu)化問題,運用地理信息系統(tǒng)與電網(wǎng)模型、多目標優(yōu)化模型及啟發(fā)式算法構(gòu)建優(yōu)化方案,實踐表明該方案能提升電力系統(tǒng)運行效率、降低成本,滿足電動車用戶充電需求,推動電動汽車可持續(xù)發(fā)展。然而,研究存在局限,如電動車出行需求預測精度與電力系統(tǒng)供應(yīng)能力存在不確定性,優(yōu)化模型算法效率與穩(wěn)健性有待提升。未來將致力于改進預測模型,增強供應(yīng)能力預測準確性;優(yōu)化算法,提升求解效率與穩(wěn)健性;依據(jù)市場與技術(shù)發(fā)展趨勢,完善充電樁布局與調(diào)度策略,為電動汽車發(fā)展提供更強技術(shù)支撐。

參考文獻

[1]劉強,郭卓毅,黃字星,鹿婕,胡文妍.電動汽車充電設(shè)施的布局、建設(shè)及運營研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2019,43(01):287-296.

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[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版

[6]唐利剛.電力系統(tǒng)中電動車充電樁布局與調(diào)度優(yōu)化方法研究

審核編輯 黃宇

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