邱朝明，曲大鵬，劉琦穎，范晉衡，吳冬松

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510630;2.深圳市中業(yè)智能系統(tǒng)控制有限公司， 廣東 深圳 518000)

0 引 言

依據(jù)國(guó)務(wù)院《關(guān)于加快新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》和國(guó)務(wù)院辦公廳《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021年—2035年)》，明確了新能源汽車(chē)發(fā)展的主要戰(zhàn)略方向。文件指出：充電設(shè)施建設(shè)包括發(fā)展推進(jìn)其關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、加強(qiáng)對(duì)新型充電設(shè)施研發(fā)和完善充電標(biāo)準(zhǔn)；同步構(gòu)建充電智能服務(wù)平臺(tái)等。同時(shí)也提出一些問(wèn)題，包括充電設(shè)施通用性較差；充電基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系有待完善；充電行為對(duì)電網(wǎng)的影響及用電高峰期的不確定性等[1-2]。圍繞以上內(nèi)容，文獻(xiàn)[3]研究了電動(dòng)汽車(chē)智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架及設(shè)計(jì)支撐技術(shù)體系的技術(shù)功能。文獻(xiàn)[4]研究了一種基于有序充電算法的電動(dòng)汽車(chē)充電站在線監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]研究了分時(shí)充電價(jià)格收費(fèi)的有序充電策略。文獻(xiàn)[6]研究了一種基于組件模式的充電站監(jiān)控系統(tǒng)通信軟件。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種直流充電樁計(jì)費(fèi)控制系統(tǒng)。

本文研究充電管理系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)、組件化充電樁的核心部件計(jì)費(fèi)控制單元TCU的實(shí)現(xiàn)路徑和方法。在此基礎(chǔ)上研究充電管理策略及應(yīng)用，平臺(tái)與TCU的交互及平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模式和方法。構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、通用性強(qiáng)以及管理全面的電動(dòng)汽車(chē)智能充電系統(tǒng)。

1 充電管理系統(tǒng)平臺(tái)功能及架構(gòu)

1.1 平臺(tái)功能

一個(gè)完整的電動(dòng)汽車(chē)充電管理系統(tǒng)主要進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)充電的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和電量計(jì)費(fèi)、配電安防監(jiān)測(cè)、執(zhí)行控制調(diào)節(jié)命令和處理緊急故障、執(zhí)行充電控制策略、與上級(jí)的信息互動(dòng)及云端WEB發(fā)布功能等。汽車(chē)充電站內(nèi)設(shè)備主要包括直流電源、充電樁、充電機(jī)、配電設(shè)備、輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備及GPS等。這些設(shè)備通過(guò)各自不同的通信方式與平臺(tái)互聯(lián)。

1.2 平臺(tái)架構(gòu)

圖1 電動(dòng)汽車(chē)充電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于以上功能，將平臺(tái)作邏輯上分層，分為調(diào)度層、管控層和設(shè)備層，如圖1所示。

調(diào)度層管理一個(gè)或多個(gè)管控層，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷特性判斷下發(fā)調(diào)度指令。管控層主要包括采集控制、高級(jí)應(yīng)用和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集控制處理為采集與控制的執(zhí)行，高級(jí)應(yīng)用功能主要包括有序充電控制和負(fù)荷管控等。高級(jí)應(yīng)用功能可在本層通過(guò)系統(tǒng)的判斷執(zhí)行，也可依據(jù)上級(jí)調(diào)度下發(fā)的策略執(zhí)行。設(shè)備層包括充電站硬件設(shè)備，如充電樁、充電機(jī)和配電一二次設(shè)備等。

2 TCU功能及實(shí)現(xiàn)

2.1 TCU功能研究

計(jì)費(fèi)控制單元TCU是充電樁整機(jī)系統(tǒng)的核心，其功能主要分為充電的采集控制、計(jì)費(fèi)控制和有序充電。TCU采集充電樁狀態(tài)信息、告警信息和充電樁參數(shù)等。通過(guò)充電管理平臺(tái)的控制指令控制充電樁啟停、充電功率的輸出；在充電過(guò)程中，可通過(guò)DL/T 645—2007《多功能電能表通信協(xié)議》讀取電能表電量，同時(shí)獨(dú)立對(duì)多個(gè)充電口進(jìn)行電量結(jié)算。能實(shí)現(xiàn)分時(shí)電費(fèi)的計(jì)算、充電服務(wù)費(fèi)的計(jì)算及統(tǒng)一結(jié)算；支持本地分時(shí)電費(fèi)和服務(wù)費(fèi)模型的存儲(chǔ)和更改功能；交直流樁電能計(jì)量功能應(yīng)符合 GB/T 28569—2012《電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁電能計(jì)量》及GB/T 29318—2012《電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載電機(jī)電能計(jì)量》的要求。此外還具有數(shù)據(jù)安全認(rèn)證和加密、多種充電識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、GPS對(duì)時(shí)以及遠(yuǎn)程升級(jí)等功能。

2.2 TCU實(shí)現(xiàn)路徑和方法

(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文將TCU控制功能與計(jì)費(fèi)功能合理的分離，形成組件化結(jié)構(gòu)，保證各個(gè)組件功能的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。按功能進(jìn)行劃分為計(jì)費(fèi)、控制、采集通信、存儲(chǔ)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等模塊，模塊之間相互獨(dú)立，通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)視和信息采集模塊對(duì)計(jì)費(fèi)和控制模塊進(jìn)行信息核對(duì)。TCU結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

(2) 組件化通信功能設(shè)計(jì)。TCU需支持與多種設(shè)備及管理平臺(tái)交互的通信協(xié)議。國(guó)網(wǎng)、南網(wǎng)以及企業(yè)各自制定了自己相應(yīng)的通信規(guī)約。如《計(jì)費(fèi)控制單元與充電控制器通信協(xié)議》《計(jì)費(fèi)控制單元與讀卡器通信協(xié)議》和《南方電網(wǎng)公司電動(dòng)汽車(chē)充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)監(jiān)控系統(tǒng)通信規(guī)約》等。這些通信使用了網(wǎng)絡(luò)、串口等多種通信介質(zhì)，采用應(yīng)答式、主動(dòng)發(fā)送的MODBUS、類(lèi)似IEC 104通信等多種交互方式，體現(xiàn)了通信多樣性需求。為了滿(mǎn)足要求，智能終端TCU需要制定滿(mǎn)足不同通信規(guī)約和不同通信方式的通信方案，同時(shí)也需要研究制定統(tǒng)一的通信規(guī)約，以滿(mǎn)足各區(qū)域充電管理的信息交換要求，如文獻(xiàn)[8]使用IEC 61850作為充電樁與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，較好地解決了通信的標(biāo)準(zhǔn)化及信息孤島問(wèn)題。

為滿(mǎn)足通信多樣性的要求，本文采用組件化軟件通信設(shè)計(jì)方法，在軟件實(shí)現(xiàn)上劃分為組件的集合，確定各組件之間的接口及調(diào)用關(guān)系，利用組件的功能獨(dú)立和可復(fù)用性的特點(diǎn)，完成系統(tǒng)對(duì)于多通信和不同通信協(xié)議的要求，并且提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和規(guī)范性。設(shè)計(jì)的基于組件的TCU通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于組件的TCU通信結(jié)構(gòu)圖

3 充電管理系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)充電管理策略目標(biāo)

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)來(lái)到充電站時(shí)，汽車(chē)電池剩余SOC值統(tǒng)計(jì)學(xué)上近似服從N(μs，δs)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

(1)

式中:f為到站車(chē)輛SOC的概率密度函數(shù)；SS為到站車(chē)輛電池剩余SOC值；μs為SS的數(shù)學(xué)期望值，取0.3；δs為SS的方差，取0.1。

到站車(chē)輛預(yù)期充電時(shí)長(zhǎng)可用式(2)進(jìn)行估算。

Tc=(SE-SS)V/(ηcPc)

(2)

式中:Tc為充電時(shí)長(zhǎng)；SE為充電結(jié)束時(shí)車(chē)輛電池SOC期望值；V為車(chē)輛電池的容量；ηc為充電樁充電效率；Pc為充電樁額定充電有功功率。

計(jì)及式(1)和式(2)進(jìn)行到站預(yù)測(cè)并制定充電管理策略，策略目標(biāo)為：在滿(mǎn)足用戶(hù)的充電需求和配電變壓器的負(fù)荷曲線要求的前提下，實(shí)現(xiàn)充電站充電收益最大化。這個(gè)目標(biāo)，須在儲(chǔ)能系統(tǒng)的配合下才能實(shí)現(xiàn)。電網(wǎng)負(fù)荷在高峰時(shí)，儲(chǔ)能送出電能實(shí)現(xiàn)“消峰”，在低谷時(shí)段儲(chǔ)能充電實(shí)現(xiàn)“填谷”。

3.2 管理平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依據(jù)第1章描述的功能及架構(gòu)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用分布式C/S+B/S模式,如圖4所示。

圖4 電動(dòng)汽車(chē)充電管理系統(tǒng)平臺(tái)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)采用C/S架構(gòu)，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)使用B/S架構(gòu)同充電管理平臺(tái)交互?？蛻?hù)端支持PC客戶(hù)端、Web瀏覽器端和手機(jī)APP方式。

充電站通信服務(wù)器負(fù)責(zé)收集充電站的信息(包括充電站配電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和充電樁/機(jī)的數(shù)據(jù))，接收平臺(tái)系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)給各充電樁和儲(chǔ)能系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)費(fèi)和控制功能。服務(wù)器部署在云端，同時(shí)系統(tǒng)引入GIS系統(tǒng)及APP。APP主要提供充電站地圖導(dǎo)航、充電費(fèi)用預(yù)估和預(yù)約等功能。

3.3 管理平臺(tái)與TCU的交互

數(shù)據(jù)交互的參與方包括電動(dòng)汽車(chē)、充電應(yīng)用APP、系統(tǒng)平臺(tái)和TCU等。管理平臺(tái)與TCU的交互遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，TCU可主動(dòng)向系統(tǒng)上報(bào)任務(wù)信息和數(shù)據(jù)信息，響應(yīng)系統(tǒng)平臺(tái)的查詢(xún)和定值下發(fā)。各參與方的交互流程如圖5所示。

圖5 TCU與系統(tǒng)交互示意圖

首先平臺(tái)系統(tǒng)會(huì)在配置好的時(shí)間，根據(jù)每個(gè)充電站歷史充電負(fù)荷曲線和儲(chǔ)能運(yùn)行負(fù)荷曲線，結(jié)合負(fù)荷預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)的負(fù)荷曲線較歷史負(fù)荷曲線有較大的變化后，重新生成電價(jià)曲線，下發(fā)給充電站，由充電站下發(fā)給TCU。TCU周期性地向系統(tǒng)上報(bào)充電站配電負(fù)荷曲線和儲(chǔ)能負(fù)荷曲線等數(shù)據(jù)。

車(chē)輛在充電前可以預(yù)約，獲取電價(jià)曲線和預(yù)估充電費(fèi)用。在電動(dòng)汽車(chē)接入充電時(shí)，TCU讀取電池信息，向平臺(tái)登記充電，平臺(tái)返回充電結(jié)束所需預(yù)估時(shí)間。充電完成后，TCU向系統(tǒng)上報(bào)充電結(jié)果，平臺(tái)進(jìn)行充電任務(wù)結(jié)算，返回結(jié)果后，TCU清除充電緩存記錄，否則繼續(xù)保留充電記錄直至平臺(tái)結(jié)算完為止。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究及實(shí)現(xiàn)成果已應(yīng)用在廣州白云新能源產(chǎn)業(yè)園和番禹大橡樹(shù)公園等地。應(yīng)用結(jié)果表明本研究成果具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 基于組件化的TCU設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足各類(lèi)充電樁廠商進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)系統(tǒng)交互和集成。

(2) 平臺(tái)具有充電到站預(yù)測(cè)和充電負(fù)荷預(yù)測(cè)功能，便于確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電策略，實(shí)現(xiàn)劇烈波動(dòng)的充電負(fù)荷平抑和配電負(fù)荷的“削峰填谷”。

(3) 以充電站為單位接入平臺(tái)系統(tǒng)，方便維護(hù)和管理。