曹 軍 李 林, 畢 銳 陶維青

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基于高速窄帶載波的雙預(yù)測(cè)交流充電樁智能有序充電系統(tǒng)

曹 軍1李 林1,2畢 銳2陶維青2

（1. 科大智能（合肥）科技有限公司，合肥 230080；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

在小區(qū)配電變壓器旁安裝智能有序管理終端（IOMU），引入短期基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，基于交流樁供電線路采用高速窄帶載波通信方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各充電樁動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和信息交互。結(jié)合各充電樁用戶充電量預(yù)測(cè)，采用主從式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)接入的每輛電動(dòng)汽車有序充電規(guī)劃，確保充電過(guò)程中既考慮用戶經(jīng)濟(jì)性，又兼顧電網(wǎng)安全性，實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車智能有序充電。同時(shí)，搭建實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行安全經(jīng)濟(jì)功能驗(yàn)證，為將來(lái)電網(wǎng)消納規(guī)?；碾妱?dòng)汽車接入提供方案參考和基礎(chǔ)技術(shù)支持。

IOMU；基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)；高速窄帶載波；充電量預(yù)測(cè)；有序充電；安全經(jīng)濟(jì)

近年來(lái)，中央和地方政府連續(xù)出臺(tái)的一系列政策推動(dòng)了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]，電動(dòng)汽車有望得到迅速普及。規(guī)?；碾妱?dòng)汽車接入對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的安全影響也越來(lái)越受到政府和電網(wǎng)公司重 視[2-3]。其中，對(duì)于新建住宅小區(qū)來(lái)說(shuō)，政策已規(guī)定建停車位必須100%配置充電樁，電網(wǎng)公司在配置該小區(qū)的變壓器容量時(shí)已考慮對(duì)應(yīng)充電負(fù)荷，后期用戶充電負(fù)荷的無(wú)序利用，除了經(jīng)濟(jì)性較差外，對(duì)小區(qū)內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)安全性影響較小。然而，對(duì)于大量的已建小區(qū)來(lái)說(shuō)，建成時(shí)變壓器容量并未考慮充電負(fù)荷，后期的充電樁改造成功后，因小區(qū)電動(dòng)汽車用戶停車充電習(xí)慣，會(huì)出現(xiàn)充電負(fù)荷與用戶負(fù)荷高峰的疊加，任由用戶的無(wú)序充電會(huì)對(duì)小區(qū)電網(wǎng)的安全存在重大隱患，用戶經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)安全性均得不到保障[4-5]，阻礙了電動(dòng)汽車的推廣使用。

針對(duì)已建小區(qū)增建充電樁帶來(lái)的小區(qū)變壓器安全問(wèn)題，當(dāng)前已有很多高校和科研院所展開(kāi)了大量研究，文獻(xiàn)[6]提出一種針對(duì)住宅小區(qū)的在線和離線相結(jié)合的限功率有序充電策略，制定用戶充電優(yōu)先級(jí)，并通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[7]在綜合用戶用車出行規(guī)律、電池狀態(tài)和用戶意愿條件下給出以削減峰谷差為目的充電負(fù)荷分配策略模型，并給出了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[8]基于峰谷電價(jià)給出家用電動(dòng)汽車小區(qū)有序充電控制方法，并采用序貫蒙特卡洛仿真進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]從需求分析角度，引入虛擬充電單元概念建立一種從電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行到充電終端的分層分布實(shí)施架構(gòu)。文獻(xiàn)[10]提出網(wǎng)格選取法，以預(yù)防配電變壓器過(guò)載荷實(shí)現(xiàn)收益最大化為目標(biāo)，設(shè)計(jì)最優(yōu)網(wǎng)格選取結(jié)果，并給出算例仿真。文獻(xiàn)[11]提出計(jì)及充電請(qǐng)求預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)淖≌瑓^(qū)電動(dòng)汽車有序充電控制策略，構(gòu)建一種使系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)最小的有序充電控制模型。

綜合以上分析，可見(jiàn)目前行業(yè)內(nèi)學(xué)者專家均已意識(shí)到將來(lái)規(guī)?；妱?dòng)汽車無(wú)序充電會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全產(chǎn)生潛在安全影響，并提出各種理論策略模型。但是這些有序充電模型基本都是建立在模擬仿真驗(yàn)證上，缺少實(shí)際的充電驗(yàn)證，且研究中小區(qū)交流慢充有序充電模型幾乎都是建立在可通過(guò)交流充電樁獲得待充汽車剩余基礎(chǔ)上的，可目前按我國(guó)國(guó)標(biāo)技術(shù)生產(chǎn)運(yùn)行的交流樁是無(wú)法獲取接入充電汽車的剩余，可見(jiàn)輸出的研究成果理論指導(dǎo)性強(qiáng)，實(shí)用指導(dǎo)性弱。

本文通過(guò)在小區(qū)配電變壓器旁安裝智能有序管理終端（IOMU），引入短期基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[12]，基于交流樁供電線路采用高速窄帶載波通信方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各充電樁動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和信息交互，結(jié)合各充電樁用戶充電量預(yù)測(cè)，采用主從式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)接入的每輛電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充電規(guī)劃，確保充電過(guò)程中既考慮用戶經(jīng)濟(jì)性，又兼顧電網(wǎng)安全性，實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車智能有序充電。同時(shí)，搭建實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，整體技術(shù)系統(tǒng)為將來(lái)電網(wǎng)消納規(guī)?；碾妱?dòng)汽車接入提供方案參考和基礎(chǔ)技術(shù)支持。

1 智能有序充電架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文以已建小區(qū)充電樁后續(xù)增建為背景，在小區(qū)配電變壓器旁安裝智能有序管理終端，通過(guò)通信主子節(jié)點(diǎn)基于交流電力線組成通信網(wǎng)絡(luò)，使用高速窄帶電力線載波與區(qū)內(nèi)建設(shè)的各充電樁單元互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)信息交互。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能有序充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

小區(qū)變壓器側(cè)的IOMU在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的變壓器監(jiān)測(cè)功能外，需增加基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)、智能有序充電規(guī)劃功能。充電樁除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的交流慢充功能外，還實(shí)現(xiàn)用戶人機(jī)接口，充電量預(yù)測(cè)功能。系統(tǒng)整體控制方式采用主從控制模式，IOMU作為系統(tǒng)內(nèi)主控核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各充電樁充電時(shí)間的分配，充電樁在系統(tǒng)中處于從屬地位接受IOMU管理，實(shí)現(xiàn)智能有序充電。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)

小區(qū)交流樁的安裝環(huán)境在地下車庫(kù)，車庫(kù)建筑環(huán)境復(fù)雜，遮擋較多，無(wú)線信號(hào)傳輸受到限制，且以太網(wǎng)和光纖通信存在額外布線和成本過(guò)高缺點(diǎn)。本文采用G3_PLC高速窄帶電力線載波技術(shù)[13-14]，可有效克服上述缺點(diǎn)，IOMU側(cè)的通信主節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)開(kāi)始階段先對(duì)所有申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的充電樁子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全認(rèn)證，認(rèn)證成功后分配網(wǎng)絡(luò)PAN ID和設(shè)備標(biāo)識(shí)ID，在兩者間建立一個(gè)安全信道。流程如圖2所示。圖中安全認(rèn)證流程在各通信節(jié)點(diǎn)的6LoWPAN適配層[15]完成，內(nèi)部硬件集成AES-128加密引擎為認(rèn)證提供算法支持，具體應(yīng)用中的認(rèn)證流程為：

1）IOMU側(cè)主節(jié)點(diǎn)初始化成功后，基于小區(qū)低壓供電母線形成一個(gè)PAN_ID標(biāo)識(shí)的局域網(wǎng)。

2）交流充電樁側(cè)子節(jié)點(diǎn)上電后，通過(guò)其供電電力線，發(fā)起request請(qǐng)求，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。

圖2 交流充電樁加入網(wǎng)絡(luò)流程

3）主節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后發(fā)起EAP-PSK認(rèn)證流程，和請(qǐng)求入網(wǎng)的通信終端通過(guò)4條MSG報(bào)文完成認(rèn)證，如圖2所示，MSG報(bào)文中Flags為EAP協(xié)議的報(bào)頭部分，ID_S、ID_P為預(yù)設(shè)的EUI-64 MAC地址，RAND_P和RAND_S分別為主子節(jié)點(diǎn)生成的128bit隨機(jī)數(shù)，報(bào)文中認(rèn)證碼的計(jì)算方式如式（1）和式（2）所示：

MAC_S=CMAC-AES-128(AK,ID_S||RAND_P)（1）

MAC_P=CMAC-AES-128(AK,ID_P||ID_S||

RAND_S||RAND_P) （2）

未認(rèn)證的和認(rèn)證失敗的子設(shè)備無(wú)法獲取對(duì)應(yīng)的ID，不能和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可保障數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2 小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)

圖3 小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷短期預(yù)測(cè)模型

模型建立過(guò)程：

2）居民小區(qū)配電變壓器短期負(fù)荷受節(jié)假日影響較大，對(duì)分解后的分量及日期類型進(jìn)行歸一化處理，節(jié)假日類型為1，工作日類型為0。

3）居民小區(qū)配電變壓器短期負(fù)荷受外界各種因素影響，對(duì)其的預(yù)測(cè)單一采用一種方法不能達(dá)到較好的效果，針對(duì)各IMF分量在頻域及時(shí)域上的不同特點(diǎn)，分別采取不同預(yù)測(cè)模型。由于EMD分解的余項(xiàng)存在明顯的線性特征，采用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)；余下IMF分量采用支持向量機(jī)[17]（support vector machine, SVM）對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。在構(gòu)建預(yù)測(cè)模型時(shí)還需要考慮氣溫的影響（當(dāng)天的最高溫度和平均溫度），并將其作為模型的一組輸入。

4）SVM和線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的泛化學(xué)習(xí)能力與其參數(shù)選擇有很大關(guān)系，采用收斂速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的粒子群算法[18]（particle swarm optimization, PSO）來(lái)解決負(fù)荷預(yù)測(cè)問(wèn)題中的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。

模型建立后，IOMU在每隔6h調(diào)用該模型，預(yù)測(cè)出小區(qū)后續(xù)短期基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。

3 充電樁充電量預(yù)測(cè)

電動(dòng)汽車每次充電完成之后，充電樁記錄本次充電的累積時(shí)長(zhǎng)，充電的電能量，并將本次充電數(shù)據(jù)保存在充電樁內(nèi)，同時(shí)充電樁記錄下歷史最大充電電能量max、歷史最小充電電能量min及平均充電電能量avg及各自對(duì)應(yīng)的充電功率曲線。

用戶拔槍充電后，通過(guò)三次指數(shù)平滑法進(jìn)行本次的充電電能量的預(yù)測(cè)。充電量預(yù)測(cè)是基于每次充電的最終總充電數(shù)據(jù)進(jìn)行，智能有序管理只是優(yōu)化了充電量的充電時(shí)間分配，并未改變單次總充電量，不會(huì)對(duì)充電量預(yù)測(cè)造成影響。由于算法需要原始數(shù)據(jù)，因此新樁的前幾次不進(jìn)行智能規(guī)劃充電，直接進(jìn)行正常充電。

4 智能有序充電

用戶插電充電時(shí)，充電樁通過(guò)人機(jī)接口提示與用戶交互，獲取用戶充電意圖。如選有序充電，則充電樁獲取用戶輸入信息，進(jìn)行充電量預(yù)測(cè)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與IOMU進(jìn)行信息交互，IOMU結(jié)合基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，進(jìn)行智能充電規(guī)劃，并將計(jì)劃充電時(shí)間反饋給對(duì)應(yīng)充電樁。如不選擇有序充電，考慮安全按照歷史最大充電量充電，同時(shí)計(jì)劃充電時(shí)間就設(shè)置成當(dāng)前時(shí)間。充電樁接收到IOMU的反饋信息后按計(jì)劃時(shí)間進(jìn)行充電。充電時(shí)的結(jié)束條件存在兩種情況：①充電量到時(shí)，電池還未滿電，正常結(jié)束；②預(yù)測(cè)充電量還有剩余時(shí)，電池接近滿電，電池會(huì)自動(dòng)停止接收電能。流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總流程圖

IOMU中的智能有序充電規(guī)劃分為安全性規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃兩個(gè)方面，安全性規(guī)劃以判斷充電時(shí)疊加負(fù)荷是否超過(guò)負(fù)荷告警線（過(guò)載點(diǎn)）為依據(jù)，經(jīng)濟(jì)性以滿足安全性規(guī)劃后以費(fèi)率為判斷基準(zhǔn)的電費(fèi)最少，具體流程如圖5所示。

圖5 智能有序規(guī)劃流程圖

安全性規(guī)劃：IOMU將本次充電負(fù)荷疊加到實(shí)時(shí)負(fù)荷曲線上，檢查是否存在負(fù)荷過(guò)載點(diǎn)。如果存在，說(shuō)明本次充電存在安全問(wèn)題，需要根據(jù)過(guò)載點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)分割出疊加后不過(guò)載的時(shí)間段，然后分析這些時(shí)間段是否滿足預(yù)估充電量的時(shí)間要求，滿足的話選出全部時(shí)間段，不滿足則只選取最大兩個(gè)時(shí)間段。如不存在則選出全部可行充電時(shí)間段。

經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃：經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃以費(fèi)率為判斷依據(jù)，選擇所有可行充電時(shí)段中經(jīng)濟(jì)性最佳的充電時(shí)間段，如果時(shí)間段惟一則將該時(shí)間段下發(fā)給對(duì)應(yīng)充電樁，同時(shí)疊加實(shí)時(shí)負(fù)荷，如果時(shí)間段不惟一，則按就近原則選取最靠近時(shí)間段，同樣執(zhí)行下發(fā)和疊加負(fù)荷，完成一次智能有序規(guī)劃流程。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文搭建實(shí)際系統(tǒng)展開(kāi)智能有序充電驗(yàn)證，系統(tǒng)包括1臺(tái)具有智能有序管理功能的IOMU，10臺(tái)交流充電樁，11臺(tái)載波通信節(jié)點(diǎn)單元。所用交流充電樁充電功率為2kW，驗(yàn)證充電汽車為江淮iEV4電動(dòng)汽車，汽車電池容量為22kWh，充電現(xiàn)場(chǎng)和充電樁充電時(shí)人機(jī)接口如圖6所示。

圖6 充電現(xiàn)場(chǎng)和充電樁人機(jī)接口

峰時(shí)電價(jià)：0.617元/度，6∶00～22∶00。谷時(shí)電價(jià)：0.307元/度，22∶00～次日6∶00。IOMU中初始預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線模擬如圖7所示。

圖7 模擬預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線

5.1 mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

系統(tǒng)內(nèi)充電樁、IOMU、通信節(jié)點(diǎn)上電后，按上文流程組成通信網(wǎng)落，各子節(jié)點(diǎn)獲得主節(jié)點(diǎn)分配的網(wǎng)內(nèi)惟一標(biāo)識(shí)ID，具體分配的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ID如下：

通信主節(jié)點(diǎn)：ID=0x00

通信子節(jié)點(diǎn)：ID=0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，0x06，0x07，0x08，0x09，0x0A

圖8所示為系統(tǒng)中10個(gè)子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖8 系統(tǒng)通信mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

通信網(wǎng)絡(luò)中采用了LOADng路由技術(shù)[19]，在原來(lái)的LOAD基礎(chǔ)上增加了非對(duì)稱路由路徑選擇，減少路由廣播報(bào)文的發(fā)送等修改，保證了載波通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。由圖8可看出，最大路由深度為2跳，其路由路徑選擇較均勻，為數(shù)據(jù)通信時(shí)提供可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)保障。

5.2 充電檢驗(yàn)

組網(wǎng)成功后，IOMU即可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各充電樁充電進(jìn)行智能管理，實(shí)驗(yàn)采用3臺(tái)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，充電人機(jī)輸入和預(yù)測(cè)電量見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)充電樁輸入

可以看到未有序管理的充電時(shí)間疊加在峰值時(shí)間段，經(jīng)過(guò)有序管理的充電時(shí)間段分配在谷時(shí)時(shí)間段，經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)，如圖9所示。同時(shí)調(diào)整充電汽車預(yù)估電量，增加電量后再驗(yàn)證電網(wǎng)安全性，未智能管理的充電負(fù)荷疊加出現(xiàn)負(fù)荷越限，智能有序充電的則有效設(shè)置充電時(shí)間段，避開(kāi)負(fù)荷高峰，實(shí)現(xiàn)小區(qū)安全用電，如圖10所示。

圖9 普通充電與智能充電經(jīng)濟(jì)性

6 結(jié)論

利用小區(qū)配電變壓器側(cè)IOMU作為小區(qū)充電樁充電管理核心單元，引入基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)，配合充電樁充電量預(yù)測(cè)，在現(xiàn)有電力線上利用高速窄帶載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信組網(wǎng)，與小區(qū)內(nèi)交流充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，完成智能有序充電。系統(tǒng)實(shí)施將有效解決將來(lái)老舊小區(qū)充電樁改造帶來(lái)的原配電容量限制問(wèn)題。但是本文研究以配電網(wǎng)下小區(qū)為單位，系統(tǒng)只智能管理小區(qū)內(nèi)的充電負(fù)荷，在小區(qū)配電變壓器范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)充電，未考慮小區(qū)整體負(fù)荷對(duì)上游配電線路的影響，后續(xù)可將配電線路線損作為優(yōu)化目標(biāo)，加入到小區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)中，在考慮充電負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性同時(shí)兼顧配電線路線損，為配電網(wǎng)將來(lái)消納規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入提供一種適用技術(shù)方案。

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Intelligent orderly charging system of dual predictive AC charging pile based on high speed narrowband carrier

Cao Jun1Li Lin1,2Bi Rui2Tao Weiqing2

(1. CSG Science & Technology Co., Ltd, Hefei 230080; 2. School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009)

Intelligent orderly management terminal unit (IOMU) is introduced next to the district distribution transformer, the short-term base load forecasting method is introduced, based on the high-speed narrowband carrier communication mode, the dynamic network and information interaction of the charging piles in the area are realized. Charging pile user to predict the amount of charge, the use of master-slave control structure to achieve access to the network of each electric vehicle orderly charge management, ensure that the charging process not only consider the user economy, but also take into account the grid security, and realize the orderly charging of car in district. At the same time, the actual structure of the system to carry out safety and economic function verification，to provide support for the scale of the scheme of power consumptive electric vehicle access and basic technology for future reference.

IOMU; base load forecasting; high-speed narrowband carrier; predict the amount of charge; orderly charging; safety and economic

2018-04-11

曹 軍（1981-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榈蛪弘娏€載波及新能源應(yīng)用技術(shù)。

安徽省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目（1704a0902004）