郝長征 張永紅 張少鋒

（河南許繼儀表有限公司，河南 許昌461000）

隨著電動汽車的廣泛普及，無序的大功率充電會給電網(wǎng)的安全運行帶來一定的風(fēng)險和影響。建設(shè)智慧能源服務(wù)系統(tǒng)，實施電動汽車有序充電，對于保障配電網(wǎng)安全運行、提升充電設(shè)備利用率、促進清潔能源消納、提高能源利用效率具有重要意義。本文對智慧能源服務(wù)體系建構(gòu)進行相關(guān)討論，對能源控制器和能源路由器的設(shè)計開發(fā)進行相關(guān)探討和驗證。

1 智慧能源服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

智慧能源服務(wù)系統(tǒng)由智慧能源主站、能源控制器、能源路由器、充電樁、手機APP 等部件組成，以能源控制器為核心（圖1）。智慧能源主站布置電力公司內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)，由前置機和策略中心構(gòu)成；前置機采用流行的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT與能源控制器連接，策略中心通過安全網(wǎng)關(guān)與阿里云中間件連接，阿里云中間件與手機APP 通過MQTT協(xié)議通信。前置機為主站系統(tǒng)提供信息中轉(zhuǎn)，負責(zé)接收處理能源控制器上報的充電相關(guān)事件，然后轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)功能模塊；接收到業(yè)務(wù)模塊和策略中心下發(fā)的控制命令后，組幀轉(zhuǎn)發(fā)給能源控制器。策略中心是智慧能源主站的大腦，基于大數(shù)據(jù)分析生成臺區(qū)基礎(chǔ)負荷預(yù)測曲線、臺區(qū)控制目標(biāo)負荷曲線，并根據(jù)臺區(qū)實時基礎(chǔ)負荷曲線對臺區(qū)控制目標(biāo)負荷曲線進行動態(tài)調(diào)整，并下發(fā)給能源控制器對臺區(qū)充電計劃進行宏觀調(diào)控；當(dāng)臺區(qū)總負荷達到臺區(qū)配變額定容量時，根據(jù)設(shè)定的策略停止高負荷的充電計劃。能源控制器根據(jù)主站下發(fā)的各類負荷預(yù)測曲線，計算臺區(qū)有序充電負荷預(yù)測曲線，結(jié)合當(dāng)前臺區(qū)實時負荷信息和臺區(qū)內(nèi)各充電樁實時充電情況，通過本地控制策略算法，可對新增的充電申請進行充電計劃的合理編排。在充電過程中，能源控制器將充分發(fā)揮其本地自治的功能，對臺區(qū)內(nèi)充電樁進行本地實時調(diào)度，在符合配變安全運行要求的前提下，根據(jù)最優(yōu)經(jīng)濟性原則，對正在執(zhí)行的充電計劃進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整更新，同時充電計劃將同步給主站，實現(xiàn)對充電樁有序充電資源分配的本地調(diào)度管理。能源路由器受理用戶通過手機APP 申請的充電申請，并將充電申請以事件方式通過不同信息通道上報給能源控制器和智慧能源主站。按照“先到先處理，后到忽略”的策略處理通過不同通道接收到的來自主站或能源控制器下發(fā)的充電計劃，并根據(jù)充電計劃在指定時間點向充電樁發(fā)送啟動充電、停止充電或充電功率調(diào)節(jié)等控制指令。在無法接收主站或能源控制器下發(fā)的充電計劃時，可優(yōu)先執(zhí)行內(nèi)置的默認充電計劃，即保持最低功率連續(xù)充電，其優(yōu)先級較低，在通訊恢復(fù)后主站或能源控制器有新的充電計劃輸入時替換其默認充電計劃。充電控制器（充電樁）通過充電接口與用戶的電動汽車連接，負責(zé)接收來自能源路由器的充電啟停命令；發(fā)送故障時通過CAN 總線將故障信息上報給能源路由器。

圖1

2 能源控制器設(shè)計

能源控制器基于I 型集中器平臺開發(fā)，原有平臺具備與主站通過用電信息采集協(xié)議通信和下行抄表功能，需要根據(jù)智慧能源服務(wù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求進行相關(guān)擴充。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議開發(fā)。傳統(tǒng)的I 型集中器只支持通過電力行業(yè)通信協(xié)議與主站進行通信，不支持MQTT這類物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。開發(fā)MQTT協(xié)議既可以自主研發(fā)，也可以移植開源項目。因原有的平臺與GPRS 模塊通信采用AT 指令進行通信，為兼容原有通信方式，采用下載開源MQTT源代碼在工程中直接引用的方式。這種方式可以直接獲取MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)包，更加靈活高效。

2.2 有序充電類事件解析處理。常規(guī)的電表數(shù)據(jù)采集采用能源控制器周期輪詢的方式來執(zhí)行，這種方式無法滿足有序充電這類需要快速響應(yīng)的業(yè)務(wù)需求。為提高響應(yīng)速度，需采用能源路由器主動上報的方式。能源路由器受理用戶充電申請后，將充電申請以事件形式通過CCO上報給能源控制器；能源路由器開始執(zhí)行來自主站或能源控制器的充電計劃后，生成充電執(zhí)行事件并通過CCO上報給能源控制器；充電計劃執(zhí)行結(jié)束后，能源路由器將結(jié)算信息以充電結(jié)算事件的形式通過CCO 上報給能源控制器；這些事件的上報需要CCO 提供業(yè)務(wù)支撐，對原有Q/GDW1376.2 進行適當(dāng)擴展。能源控制器收到CCO上報的事件后，對事件內(nèi)容進行解析，根據(jù)業(yè)務(wù)具體需要進行相應(yīng)處理，組幀上報給智慧能源主站。

2.3 有序充電策略。該功能是能源控制器核心功能，其接收智慧能源主站下發(fā)控制目標(biāo)負荷曲線，臺區(qū)基礎(chǔ)負荷預(yù)測曲線，計算出可用充電計劃的功率曲線P。

Po表示臺區(qū)控制目標(biāo)負荷曲線，Pt表示臺區(qū)基礎(chǔ)負荷預(yù)測曲線，Pi表示第i 條充電計劃曲線。充電功率曲線同時還受以下因素的約束：(1)為保障配電網(wǎng)安全運行，提升充電設(shè)備利用率，計算出的充電功率曲線應(yīng)在滿足用戶充電需求的前提下盡可能保障電網(wǎng)負荷曲線平滑。(2)為保護用戶充電設(shè)備安全，充電功率不能忽大忽小，更不能在充電過程中的某個時段功率為零。其他還需要考慮用戶使用習(xí)慣、節(jié)假日、天氣等因素影響?？上仍诜抡孳浖夏M驗證，然后生成相關(guān)算法庫?？紤]到嵌入式系統(tǒng)的計算能力有限，算法的復(fù)雜度不能太高。在充電過程中，能源控制器應(yīng)根據(jù)實際的臺區(qū)基礎(chǔ)負荷曲線對現(xiàn)有的充電計劃進行調(diào)優(yōu)。為保證整個系統(tǒng)的安全可靠，計劃調(diào)整不能太頻繁，能源控制器每15 分鐘刷新一次充電計劃庫，每次只對偏差最大且大于20%充電計劃進行調(diào)整。如果有充電計劃被用戶提前結(jié)束，則在完成充電結(jié)算后對充電計劃調(diào)整一次。

2.4 臺區(qū)負荷監(jiān)測。能源控制器周期性輪詢臺區(qū)總表負荷曲線，當(dāng)臺區(qū)負荷達到或超過臺區(qū)配變額定容量時生成臺區(qū)越限事件，并立即上報給智慧能源主站。

3 能源路由器設(shè)計

能源路由器基于多芯單相表平臺開發(fā)，除了具有常規(guī)的計量功能，在該應(yīng)用場景中它還是典型的末端感知設(shè)備。

3.1 充電申請受理。能源路由器密閉于充電樁殼體內(nèi)，在充電樁殼體上粘貼二維碼，二維碼中包含能源路由器藍牙地址、路由器編號、充電樁編號等信息，該信息進行加密處理。用戶通過手機APP 掃描二維碼，經(jīng)APP 解密后獲取藍牙地址等信息，與能源路由器建立連接。用戶在APP 上選擇車輛品牌信息、車輛型號、電池剩余電量百分比、預(yù)充電量百分比、取車時間等信息。APP 根據(jù)服務(wù)器上存儲的車輛品牌、型號信息，計算出需求充電量，向能源路由器發(fā)送充電申請。能源路由器確認用戶充電申請，生成充電申請事件，通過HPLC 通道上報給CCO，同時通過用戶的手機APP 上傳給智慧能源主站。

3.2 充電計劃執(zhí)行。能源路由器接收能源控制器通過HPLC發(fā)送的充電計劃，同時接收智慧能源主站通過用戶手機APP 下發(fā)的充電計劃。充電計劃中包含充電申請序號信息，對于同一充電申請，能源路由器按照“先到先處理，后到忽略”的策略處理。充電計劃執(zhí)行后，將充電計劃以事件形式同時上報給能源控制器和智慧能源主站。

3.3 充電結(jié)算。充電計劃正常結(jié)束或者用戶提前充電時，能源路由器記錄用戶開始充電時電能示值和結(jié)束充電時電能示值，生成充電結(jié)算事件,然后通過HPLC將事件上報給CCO。此時如果用戶在現(xiàn)場，則同時通過用戶手機APP 上報給智慧能源主站。

3.4 末端感知。能源路由器具備下行通信能力，周期性通過CAN 總線采集充電樁的工作狀態(tài)。充電開始時發(fā)送充電啟動命令，充電結(jié)束時發(fā)送充電停止命令。當(dāng)監(jiān)測到充電樁故障時，生成充電樁故障事件，并通過HPLC上報給能源控制器。

4 結(jié)論

目前我們已經(jīng)按照智慧能源服務(wù)架構(gòu)完成能源控制器、能源路由器的設(shè)計開發(fā)工作，并與智慧能源主站系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)測試。在山東、浙江、河南等地區(qū)完成掛試驗證，取得了不錯的社會效益和示范效果。