電動汽車充電對電網(wǎng)安全風(fēng)險影響及管控措施研究

王軍亮，李永，李建設(shè)，陳麒宇

（1．國家電網(wǎng)公司，北京市 西城區(qū) 100031；2．上海久隆企業(yè)管理咨詢有限公司，上海市 長寧區(qū) 200040；3．上海景洪信息科技有限公司，上海市 楊浦區(qū) 200092；4．中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

發(fā)展高效、清潔的電動汽車，可以有效緩解大氣污染和石油燃料的緊缺。我國已將電動汽車列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)加以重點(diǎn)扶持?！笆濉逼陂g，我國電動汽車面向“純電驅(qū)動”實(shí)施汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，加快發(fā)展“純電驅(qū)動”電動汽車產(chǎn)品，通過發(fā)展純電動汽車和燃料電池汽車，大幅度降低污染物和溫室氣體排放[1-2]。2013年以來，國家政策激勵和補(bǔ)貼力度加大，補(bǔ)貼試點(diǎn)范圍由點(diǎn)擴(kuò)展到面，并對示范城市在累計(jì)推廣量和配套設(shè)施方面提出了更具體的要求，成為我國電動汽車市場快速發(fā)展的催化劑。

國外相關(guān)研究[3-4]表明，電動汽車可以看作為一個個分布式電源，也可支持大規(guī)模可再生能源接入電網(wǎng)，還可進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。而電動汽車作為分布式微儲能單元接入電力網(wǎng)絡(luò)后，配網(wǎng)將由一個放射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€分布式可控微儲能和用戶互聯(lián)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，其運(yùn)行特性會發(fā)生改變[5]。

電動汽車隨機(jī)性、間歇性的充電行為對電網(wǎng)負(fù)荷帶來影響，其大規(guī)模接入電網(wǎng)充電，將對電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生挑戰(zhàn)。而電動汽車接入電網(wǎng)不僅可以充電還可以放電，在滿足行駛需求的前提下將多余電能回饋給電網(wǎng)。電動汽車大規(guī)模集中放電，使得配電網(wǎng)有傳統(tǒng)的單點(diǎn)電源放射狀向多電源電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變也會給電網(wǎng)的運(yùn)行檢修帶來安全風(fēng)險。本文通過仿真方法分析出電動汽車接入對配網(wǎng)的影響，并使用美國反虛假財(cái)務(wù)報告委員會下屬的發(fā)起人委員會(the committee of sponsoring organizations，COSO)提出的企業(yè)風(fēng)險管理整合框架(the committee of sponsoring organizations-enterprise risk management，COSO-ERM)對安全風(fēng)險影響進(jìn)行評估，最后制定出安全風(fēng)險管控措施。

1 電動汽車充電負(fù)荷對電網(wǎng)的影響因素

1）充電時間。電動汽車充電時間越集中，電網(wǎng)需提供的充電功率越大。不同的充電時間對電網(wǎng)的影響不同，如果在峰荷時間進(jìn)行充電將加重電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，在非峰荷時間進(jìn)行充電將減小充電對電網(wǎng)的沖擊[6]。

2）電池特性。電動汽車所使用的蓄電池不同，其充電特性也將會有一定的差異。通過對比鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池的充電特性，鋰離子電池的綜合特性最好[7-8]。不同的電池類型、電池容量和荷電狀態(tài)等電池特性，充電時會對電網(wǎng)造成不同的影響。

3）電動汽車充電模式。電動汽車充電模式可以分為慢充、快充和換電 3種模式[9]。慢充充電效率較高，對電網(wǎng)沖擊小，但大規(guī)模無序充電也會對電網(wǎng)運(yùn)行造成較大影響?？斐涑潆姇r間短，但充電電流大、充電效率低，會給電網(wǎng)帶來較大的沖擊。換電池模式快速便捷，便于集中管理，可以實(shí)現(xiàn)有序充電，發(fā)揮削峰填谷的作用。

4）電動汽車類型。按使用類型分類，電動汽車主要包括公交車、私家車、公務(wù)車和出租車、貨運(yùn)車及工程車，本文主要針對電動客運(yùn)汽車進(jìn)行研究。公交車具有較為固定的行駛路線和行駛時間，采用慢充和換電方式。出租車行駛范圍和行駛時間較為確定，采用快充和換電方式。公務(wù)車常采用慢充方式。私家車擁有較長的停車時間，可采用慢充和換電方式。電動汽車不同的行駛特性必定會導(dǎo)致不同的充電負(fù)荷需求。

5）電動汽車的普及程度。電動汽車數(shù)量較少時對電網(wǎng)的影響非常小，而當(dāng)電動汽車規(guī)模較大時，其對電網(wǎng)的影響不可小覷。電動汽車普及率越高，所需的充電站和充電機(jī)裝機(jī)容量就越高。

2 電動汽車接入對電網(wǎng)運(yùn)行的安全風(fēng)險影響合成分析

識別影響電動汽車充電負(fù)荷的因素，運(yùn)用蒙特卡洛模擬方法，針對電動汽車接入對電網(wǎng)的安全風(fēng)險影響進(jìn)行合成分析，其中包括充電和放電兩方面的影響。

2.1 電動汽車充電負(fù)荷對配網(wǎng)的影響

為分析電動汽車分散充電對配網(wǎng)的影響，對上海某地一典型10 kV配電站的一條配電線路進(jìn)行分析。選取配電饋線的開環(huán)線路進(jìn)行仿真，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、線路阻抗參數(shù)和節(jié)點(diǎn)編號見圖1。

圖1 配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)Fig. 1 Structure and parameters of distribution network

1）對變壓器容量的影響。

為分析居民負(fù)荷區(qū)域內(nèi)電動汽車的接入量，本項(xiàng)目分別通過對有階梯電價和無階梯電價情況下的電動汽車充電規(guī)律進(jìn)行仿真分析。對電動汽車充電產(chǎn)生影響的用戶行為主要包括用戶出行開始和返回的時間，日行駛里程等。

返回時刻，即用戶接入到充電站內(nèi)進(jìn)行充電的起始時刻，滿足正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為

第一次出行時刻，即用戶從充電站取車的時刻，滿足正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為

式中：μe=8.92；e=3.24σ。

日行駛里程服從對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為

當(dāng)民用負(fù)荷存在階梯電價，且考慮到車主的日常習(xí)慣，電動汽車的充電負(fù)荷具有圖 2(a)所示的充電規(guī)律。無階梯電價情況下，電動汽車充電起止時間和日行駛里程的統(tǒng)計(jì)規(guī)律滿足式(1)—(3)的分布規(guī)律，其負(fù)荷曲線如圖2(b)所示。

圖2 電動汽車充電隨時間分布規(guī)律Fig. 2 Distribution regular of electric vehicle charging with time

以線路末端配電變壓器的滿載運(yùn)行及短時超負(fù)荷運(yùn)行規(guī)律為約束，分析該區(qū)域下的可接入電動汽車容量，2種電價約束規(guī)律下的仿真結(jié)果如圖3所示。其中，單臺電動汽車以單相充電的方式接入電網(wǎng)，其充電電流為16 A、功率為3.3 kW。從圖3可以看到，隨著電動汽車在配電網(wǎng)中的接入量不斷增加，配電負(fù)荷也隨之增加。無論是否采用電價刺激，負(fù)荷容量均隨著電動汽車數(shù)量的增加呈線性增長，且在無分時電價時的增長速度小于有分時電價。電動汽車在配電網(wǎng)中的接入量要受配電網(wǎng)容量的限制，否則存在超出配電容量的風(fēng)險。

圖3 不同電價模式下的電動汽車接入結(jié)果Fig. 3 Effect of electric vehicle scale under different electricity price modes

2）對負(fù)荷峰谷差的影響。

選定典型40 Ah的電動汽車作為代表，同時考慮有無階梯電價的2種充電模式，對配電饋線末端的配電變壓器下的負(fù)荷進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)、(b)、(c)可知，在上述2種電價模式下，電動汽車在配電網(wǎng)中的接入均會加大電網(wǎng)的峰谷差，還會使負(fù)荷峰值發(fā)生偏移。不同負(fù)荷情況下的峰谷差表明，當(dāng)電動汽車的負(fù)荷在整體負(fù)荷的比例提高時，其負(fù)荷曲線將形成時間上的偏移，尤其是當(dāng)電動汽車的接入容量到達(dá)常規(guī)負(fù)荷的50%時，2種電價模式下的曲線都將主要受電動汽車充電規(guī)律的影響。圖4(d)說明電動汽車的峰谷差值隨著電動汽車數(shù)量的增加而增長，且無分時電價的增長速度小于存在有分時電價的情況?？紤]峰谷差和負(fù)荷波動約束，可避免大量電動汽車集中充電而產(chǎn)生新的負(fù)荷高峰[10]。

圖4 電動汽車負(fù)荷峰谷差的影響Fig. 4 Effect of electric vehicle on peak-to-valley difference

3）對電壓運(yùn)營水平的影響。

正常運(yùn)行情況下，電網(wǎng)的有功功率充足，系統(tǒng)電壓均維持在規(guī)定范圍內(nèi)。通過對電動汽車接入點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，在電網(wǎng)功率充足的情況下，電動汽車的接入對就近供電點(diǎn)的電壓會產(chǎn)生一定的影響，而對同一配電線下的其他負(fù)荷基本無影響，電動汽車接入點(diǎn)的電壓能基本維持在規(guī)定范圍內(nèi)。緊急情況下，電網(wǎng)的整體功率水平較低，配電網(wǎng)為提高電網(wǎng)穩(wěn)定性而降低配電網(wǎng)電壓水平，10 kV母線電壓的標(biāo)幺值為1(便于分析，電壓用標(biāo)幺值表示)。該情況下，電動汽車接至線路末端的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 緊急情況下電動汽車對電壓的影響Fig. 5 Effect of electric vehicle on voltage in emergency

由圖5可知，緊急情況下，配電網(wǎng)的整體電壓均表現(xiàn)為較低的狀態(tài)。在電動汽車接入配電末端節(jié)點(diǎn)時，無分時電價模式下電動汽車充電可能造成就地負(fù)荷的短時電壓降超標(biāo)，而有分時電壓模式下的充電則會使得就地負(fù)荷在負(fù)荷高峰時段電壓降長時間超標(biāo)，影響設(shè)備的運(yùn)行安全及負(fù)荷的供電可靠性。無論電網(wǎng)運(yùn)行在何種情況下，隨著電動汽車數(shù)量的不斷增加，電動汽車接入點(diǎn)負(fù)荷產(chǎn)生的電壓降也隨之增大[11]，且在電網(wǎng)緊急情況下的影響較為明顯。

4）對負(fù)荷不平衡的影響。

通過模擬電動汽車充電行為、充電時間等行為習(xí)慣，對100輛電動汽車在線路末端節(jié)點(diǎn)的不平衡接入進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖6所示(充電樁平衡建設(shè)在三相之間)。由于電動汽車的充電功率較大，分散式電動汽車在電網(wǎng)中的接入可能會造成一定程度的影響。在不同電價模式下，無分時電價下的不平衡度影響較為明顯。通過對不同電動汽車規(guī)模對三相電流不平衡度的影響情況進(jìn)行仿真，電動汽車按 5:3:2的比例接入，分析表明配電網(wǎng)的整體不平衡度隨著電動汽車的數(shù)目的增加而嚴(yán)重，而不平衡度的增加可能增大配電變壓器和線路上的電能損耗。

圖6 不同電價三相電流不平衡度的影響Fig. 6 Effect of different electricity price modes on the unbalance of three kinds of current

5）對短路故障的影響。

針對圖1所示的配電網(wǎng)進(jìn)行單相短路仿真。設(shè)0.2 s時刻，配電網(wǎng)中電動汽車接入節(jié)點(diǎn)的變壓器低壓側(cè)發(fā)生A相短路，0.24 s時短路切除，有無電動汽車充電時的故障波形如圖7所示。從圖7可以看出電動汽車接入充電后，短路電流增大。而進(jìn)一步的分析得知，無電動汽車充電時，A相電壓的有效值為 198 V，而電動汽車接入充電的有效值為 219 V，系統(tǒng)電壓近似額定，與短路電流增大的結(jié)論相符。

圖7 短路點(diǎn)電流Fig. 7 Short circuit current

由仿真得知，電動汽車充電會為不嚴(yán)重的短路提供一定的電壓支持，同時減少配電網(wǎng)側(cè)的短路電流，增加故障的保護(hù)切除時間，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行存在威脅，如配電線路將長時間工作在大電流狀態(tài)，電流過大會使導(dǎo)線發(fā)熱，增加線路損耗，同時會對用電設(shè)備造成沖擊。

2.2 電動汽車充電設(shè)備對配網(wǎng)的影響

以圖1所示配電網(wǎng)為例，對電動汽車高次諧波的影響進(jìn)行仿真，電動汽車接至末端節(jié)點(diǎn)變壓器低壓側(cè)。為保證配電變壓器的功率因數(shù)，在變壓器低壓側(cè)配有電容補(bǔ)償裝置，其容量為400 kvar，假設(shè)電容補(bǔ)償具有 10檔投切開關(guān)，仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8可看到系統(tǒng)在700 Hz附近存在諧振點(diǎn)。在電動汽車接入點(diǎn)處注入含 5%，680～700 Hz的諧波電流，再次進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)變壓器低壓側(cè)的電壓和電流波形均發(fā)生畸變。

圖8 系統(tǒng)在電動汽車接入點(diǎn)處的等效正序阻抗幅頻特性Fig. 8 Equivalent positive sequence impedance of the amplitude frequency at the electric vehicle access point

電動汽車充電過程中的較高次諧波可能引起電網(wǎng)內(nèi)的諧振，中高次諧波可引起配電網(wǎng)內(nèi)的局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振[12-13]，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀，嚴(yán)重時還可能造成繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。

2.3 電動汽車充電設(shè)備分散放電對配網(wǎng)的影響

電動汽車放電的孤島效應(yīng)是當(dāng)主電網(wǎng)的部分線路因故障或維修需要斷開時，電動汽車通過放電繼續(xù)向周外的負(fù)載提供電能，構(gòu)成一個不受電網(wǎng)控制的自給供電孤島的現(xiàn)象。通過仿真可以分析出形成孤島效應(yīng)的不同情形。孤島效應(yīng)一旦發(fā)生，就會使得孤島區(qū)域內(nèi)的線路帶電，檢修時如果線路不接地，就會對檢修人員造成人身安全，降低電網(wǎng)的安全性[14]。而且孤島效應(yīng)對合閘也存在影響，若供電區(qū)域與外界斷開連接后形成孤島，在恢復(fù)供電時，斷路器兩端沒有達(dá)到同期合閘的條件，就會產(chǎn)生很大的沖擊電流，損害電網(wǎng)設(shè)備，甚至造成電網(wǎng)重新跳閘。

3 電動汽車充換電設(shè)施的安全風(fēng)險識別評估及管控措施

3.1 電動汽車充換電設(shè)施的安全風(fēng)險識別評估

結(jié)合文獻(xiàn)研究、實(shí)地調(diào)研和仿真模擬分析，采用 COSO-ERM 框架對電動汽車充換電設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維過程的主要風(fēng)險進(jìn)行識別、評估和制定應(yīng)對措施。

1）安全風(fēng)險識別。

對多種影響因素下電動汽車大規(guī)模無序充電對配電網(wǎng)合成影響進(jìn)行仿真建模分析，識別電動汽車充換電設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)維過程中的各類風(fēng)險。主要風(fēng)險類別包括：電網(wǎng)安全、人身安全、設(shè)備安全、規(guī)劃計(jì)劃、工程建設(shè)、運(yùn)維檢修、信息安全等風(fēng)險。

2）安全風(fēng)險評估。

建立風(fēng)險分析評估模型，進(jìn)行安全風(fēng)險評估。風(fēng)險分析評估分為3個步驟進(jìn)行：設(shè)定評估標(biāo)準(zhǔn)、單項(xiàng)風(fēng)險評分、風(fēng)險重要性排序。設(shè)定出評估標(biāo)準(zhǔn)，量化每項(xiàng)風(fēng)險的可能性及損失度，從而對每一項(xiàng)風(fēng)險進(jìn)行評估。將風(fēng)險進(jìn)行單項(xiàng)評分，為風(fēng)險重要性排序提供依據(jù)。匯總所有風(fēng)險，根據(jù)風(fēng)險影響得分集中度的正態(tài)分布，形成重大以及一般風(fēng)險分級排序。

3）安全風(fēng)險應(yīng)對。

對識別出的重大風(fēng)險，分析原因，從風(fēng)險降低、轉(zhuǎn)移、保留或回避制定應(yīng)對策略。以風(fēng)險應(yīng)對策略為目標(biāo)，分別從組織機(jī)制、管理流程和資源配置等方面制定風(fēng)險應(yīng)對措施。

3.2 電動汽車充換電設(shè)施的安全風(fēng)險管控方案

以 COSO-ERM 全面風(fēng)險管理框架為指導(dǎo)，識別、分析、評估電動汽車充換電設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)維過程中的安全風(fēng)險，并針對這些危險，制定出相應(yīng)的電動汽車充換電設(shè)施管控方案。

1）規(guī)劃過程安全風(fēng)險管控。

電動汽車充電設(shè)施規(guī)劃應(yīng)堅(jiān)持以“形式上融合發(fā)展、時序上遠(yuǎn)近統(tǒng)一、空間上科學(xué)合理”為原則[15]。在規(guī)劃原則指導(dǎo)下，制訂電動汽車充換電設(shè)施的發(fā)展策略。合理預(yù)測電動汽車未來的規(guī)模，科學(xué)制定發(fā)展規(guī)劃。通過分析電動汽車充換電設(shè)施規(guī)劃的關(guān)鍵因素，編制充電設(shè)施規(guī)劃的安全管控流程。

2）建設(shè)過程安全風(fēng)險管控。

電動汽車充換電設(shè)施建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一管控、統(tǒng)一驗(yàn)收”的管控原則。設(shè)施設(shè)計(jì)、施工和竣工驗(yàn)收、項(xiàng)目外包等過程，應(yīng)嚴(yán)格遵循國家電網(wǎng)基建標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，同時嚴(yán)格執(zhí)行充換電設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。建設(shè)階段安全風(fēng)險管控應(yīng)重點(diǎn)推動電動汽車充換電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善、統(tǒng)一和強(qiáng)制執(zhí)行。

3）運(yùn)維過程安全風(fēng)險管控。

運(yùn)維階段的安全風(fēng)險管控主要應(yīng)是制度完善、有序用電、用電監(jiān)控。應(yīng)逐步建立并完善充換電設(shè)備操作、巡視、檢修、事故處理及應(yīng)急搶修等標(biāo)準(zhǔn)及安全管理規(guī)范。還可以構(gòu)建電動汽車群智能有序充電系統(tǒng)，加強(qiáng)用電安全異常監(jiān)控，以最大程度降低大規(guī)模電動汽車無序接入對電網(wǎng)的影響。

4）自建自管安全風(fēng)險管控。

在自建自管電動汽車充換電設(shè)施建設(shè)方面，對參與建設(shè)的民營企業(yè)的資質(zhì)、建設(shè)技術(shù)規(guī)范、建設(shè)流程等按照國家相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。在自建自管充換電設(shè)施運(yùn)營方面，應(yīng)對施運(yùn)營企業(yè)資質(zhì)、職責(zé)分工、安全操作和運(yùn)營監(jiān)控進(jìn)行規(guī)范，以保證充換電設(shè)施安全運(yùn)營，降低電網(wǎng)安全風(fēng)險。

4 結(jié)論

電動汽車充換電設(shè)施的快速發(fā)展對電網(wǎng)的安全運(yùn)營提出了新的挑戰(zhàn)。本文通過仿真分析了電動汽車的接入對配網(wǎng)的影響。電動汽車大規(guī)模接入會使電網(wǎng)負(fù)荷容量和峰谷差增加，負(fù)荷不平衡度變得嚴(yán)重，還會加大電動汽車接入點(diǎn)電壓降和短路電流和系統(tǒng)故障電流，而且電動汽車的充電過程存在諧波污染，放電過程存在孤島效應(yīng)，這些都威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。需要對存在的安全風(fēng)險進(jìn)行識別評估，制定應(yīng)對策略和相應(yīng)的管控措施來保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。