國網(wǎng)湖南省電力有限公司 徐文林 劉立平 威勝信息技術(shù)股份有限公司 許 健 丁志龍 韓 韜

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，2020年中國電動(dòng)汽車一共銷售了136.7萬輛，電動(dòng)汽車市場滲透率達(dá)到5.4%，并且電動(dòng)汽車的銷量有逐年提升的趨勢；2020年下半年，《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線2.0》《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》相繼發(fā)布，從產(chǎn)業(yè)、國家政策層面明確提出至2025年我國新能源新車銷量將占總銷量20%的目標(biāo)，再次堅(jiān)定我國汽車電氣化發(fā)展方向不動(dòng)搖。根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南》，中國新能源汽車將建立“用戶專用樁為主+分散式公共充電樁”為輔的模型，越來越多的家庭將在居民小區(qū)為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。然而有較高電動(dòng)汽車滲透率的居民區(qū)可能在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)期出現(xiàn)較大的負(fù)荷峰谷差，甚至可能超過原有配電裝置的容量限值[1-3]。為提高電動(dòng)汽車充電安全、兼顧充電體驗(yàn)等方面的需求，有必要在居民小區(qū)進(jìn)行充電樁有序充電控制。隨著電網(wǎng)公司智能融合終端的大規(guī)模部署，基于智能融合終端硬件平臺(tái)化、軟件APP 化的性能，本文提出了一種基于邊緣計(jì)算的實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)負(fù)載動(dòng)態(tài)限制的電動(dòng)汽車有序充電控制策略，對(duì)保障居民小區(qū)配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和兼顧充電效率有重要的意義。

1 居民小區(qū)負(fù)載分析

通常來說，居民用戶的用電行為特征受到用電設(shè)備、居民收入、作息習(xí)慣等多種因素的影響[4]，這些影響造成了不同的地區(qū)甚至不同的小區(qū)負(fù)載情況的巨大差異，并且具有隨機(jī)性，不能用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)式來描述，但是通過對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)測和總結(jié)，可以找到居民小區(qū)變壓器負(fù)荷存在的一些規(guī)律。圖1為某個(gè)小區(qū)配電變壓器的歷史負(fù)荷曲線，該曲線表明，在12:00是一個(gè)用電負(fù)荷高峰，在20:00也有一個(gè)用電負(fù)荷高峰，最大負(fù)荷值約為3100kW，變壓器的最大負(fù)載能力3633kW。如果電動(dòng)汽車無序充電，在20:00用電負(fù)荷高峰時(shí)，接入超過10輛電動(dòng)汽車，每輛電動(dòng)汽車充電功率為7kW，則用電負(fù)荷將達(dá)到3700kW，超過變壓器的最大負(fù)載能力，對(duì)變壓器的安全運(yùn)行造成隱患。

根據(jù)住宅區(qū)常規(guī)負(fù)荷曲線分析，可以利用負(fù)荷曲線對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行有序充電，在負(fù)荷高峰期，控制電動(dòng)汽車低功率充電或不充電，在負(fù)荷低谷期間，如在0:00～8:00之間，可以控制電動(dòng)汽車充電功率提高，為實(shí)現(xiàn)有序充電提供了基礎(chǔ)條件。

2 充電負(fù)載需求

本文以電動(dòng)汽車在居民小區(qū)的安全并且有序充電的需求為研究對(duì)象，在保障變壓器不過載的基礎(chǔ)上，充分滿足居民小區(qū)電動(dòng)汽車的充電需求。由于居民小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車停留時(shí)間較為固定[4]，大多數(shù)電動(dòng)汽車車主每天早晨從住宅區(qū)出發(fā)，傍晚駕車回到小區(qū)，傍晚至第二天早晨為可充電的時(shí)間，基于居民小區(qū)電動(dòng)汽車用戶的出行習(xí)慣，重點(diǎn)研究當(dāng)日傍晚用戶回家到第二天早上用戶離開這段時(shí)間內(nèi)的電動(dòng)汽車有序充電控制策略和控制方案，使得配電變壓器不過載運(yùn)行，并且通過智能融合終端就地控制電動(dòng)汽車的有序充電。

影響居民小區(qū)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線的關(guān)鍵因素為接入電網(wǎng)充電的電動(dòng)汽車數(shù)量、每輛電動(dòng)汽車的充電功率、充電開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，可以預(yù)見，隨著電動(dòng)汽車的滲透率越來越高，有充電需求的電動(dòng)汽車數(shù)量增加，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷會(huì)明顯增加，并且與用電負(fù)荷重疊，對(duì)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷進(jìn)行有序控制是十分必要的。

居民小區(qū)的電動(dòng)汽車充電樁基本都是交流充電樁，其額定充電功率為7kW，對(duì)主流電動(dòng)汽車而言，車載電池從低于5%的電量充電至80%左右的電量，充電時(shí)長約為5小時(shí)，因此，在居民小區(qū)對(duì)電動(dòng)汽車充電進(jìn)行有序控制，錯(cuò)開居民用電負(fù)荷高峰進(jìn)行充電，是可行的。

統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示，由于“即用即充”的充電方式有利于延長電動(dòng)汽車電池的使用壽命，大多數(shù)用戶并不會(huì)在車輛電量耗完才選擇充電。以40輛電動(dòng)汽車需要進(jìn)行充電為例，交流充電功率為7kW，起始充電時(shí)刻滿足正態(tài)分布，接入電網(wǎng)充電的時(shí)間為17:00～19:00之間，模擬該充電場景，在沒有進(jìn)行有序充電控制的情況下，電動(dòng)汽車充電功率將從0快速攀升至280kW，與用電負(fù)荷疊加，非常容易造成變壓器過載，該場景下電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線

小區(qū)居民電動(dòng)汽車的充電場景為小區(qū)停車場，充電樁分布安裝在停車位附近，配電變壓器與充電樁經(jīng)過配電箱進(jìn)行電氣連接；智能融合終端安裝在變壓器側(cè)，通過加裝電流互感器、接入電壓的方式監(jiān)測配電變壓器的電壓和總電流，計(jì)算功率，獲得住宅小區(qū)配電的實(shí)時(shí)負(fù)荷信息；智能融合終端與智能交流充電樁通過載波或微功率無線進(jìn)行雙向交互通信，融合終端可對(duì)智能交流充電樁的充電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

在電動(dòng)汽車無序接入電網(wǎng)開始“即用即充”的模式下，單輛電動(dòng)汽車的充電功率為7kW，直到充滿電才停止充電，這種情況下，住宅小區(qū)的用電負(fù)荷曲線和充電負(fù)荷曲線疊加，容易在17:00～23:00之間造成“峰峰疊加”的現(xiàn)象，出現(xiàn)變壓器嚴(yán)重過載的現(xiàn)象，線路過熱，這種情況是應(yīng)該要從技術(shù)角度進(jìn)行控制以避免出現(xiàn)的。無序充電模式下，各負(fù)荷變化曲線如圖3所示。

圖3 無序充電模式下的各負(fù)荷曲線

3 有序充電控制策略

在有序充電模式下，可以保證配電網(wǎng)正常運(yùn)行和變壓器不過載，并盡最大可能滿足用戶充電的需求。當(dāng)電動(dòng)汽車駛?cè)胄^(qū)充電站進(jìn)行充電時(shí)，車載充電機(jī)連接交流充電樁，充電機(jī)與智能融合終端交互，由智能融合終端實(shí)時(shí)采集配變總負(fù)荷、所有交流充電樁充電功率數(shù)據(jù)，以配變負(fù)載率為約束條件，考慮配變負(fù)荷變化趨勢、各充電樁充電時(shí)長和充電功率，通過有序充電APP 控制各充電樁的啟停、充電功率輸出等級(jí)，控制優(yōu)化每輛電動(dòng)汽車充電。

3.1 有序充電控制方案

有序充電系統(tǒng)主要有智能融合終端、智能交流充電樁組成。智能融合終端是住宅配電臺(tái)區(qū)邊緣計(jì)算控制的管理平臺(tái)，以有序充電APP 方式實(shí)現(xiàn)有序充電策略的執(zhí)行；智能融合終端集成本地通信單元主機(jī)，通信方式為寬帶載波HPLC 以及微功率無線雙模的通信方式；智能交流樁充電樁支持以HPLC 或微功率無線的方式與本地通信單元主機(jī)通信，智能融合終端通過通信命令控制智能交流樁執(zhí)行不同的充電功率，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)總體充電功率，實(shí)現(xiàn)有序充電的目的。

3.2 智能融合終端

智能融合終端一般安裝在低壓綜合配電箱、箱變、配電房等，智能融合終端作為有序充電系統(tǒng)的智能控制平臺(tái)，具備數(shù)據(jù)采集、管理與實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。通過專用網(wǎng)絡(luò)采集配電系統(tǒng)信息，獲取當(dāng)前區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)負(fù)荷情況，預(yù)測電網(wǎng)背景負(fù)荷曲線和充電所需總能量，計(jì)算理想充電負(fù)荷，同時(shí)依據(jù)負(fù)荷模型生成負(fù)荷調(diào)整計(jì)劃指令下發(fā)至能源路由器，實(shí)時(shí)調(diào)整充電樁的輸出功率，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行；采用標(biāo)準(zhǔn)的通信接口、面向?qū)ο蟮幕ゲ僮餍詳?shù)據(jù)交換協(xié)議和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄區(qū)域內(nèi)能源設(shè)備計(jì)量數(shù)據(jù)、工況信息、發(fā)、充、放電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、臺(tái)變實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的全面采集。

智能融合終端基于電力物聯(lián)網(wǎng)開放共享理念，軟件平臺(tái)基于電力統(tǒng)一操作系統(tǒng)深化設(shè)計(jì)，打造硬件+統(tǒng)一操作系統(tǒng)+APP 的設(shè)計(jì)架構(gòu)，一方面實(shí)現(xiàn)硬件與操作系統(tǒng)解耦，兼容不同硬件選型，不與單一器件綁定；另一方面統(tǒng)一操作系統(tǒng)與APP 層解耦，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同軟件開發(fā)者的統(tǒng)一接入及兼容共享。數(shù)據(jù)庫管理APP、無線公網(wǎng)/專網(wǎng)通信APP、本地抄表APP、無功補(bǔ)償APP 等不同的APP 體現(xiàn)了不同的應(yīng)用場景，電動(dòng)汽車有序充電APP 便是為了實(shí)現(xiàn)交流充電樁有序充電控制而設(shè)計(jì)，以達(dá)到配電網(wǎng)正常運(yùn)行和變壓器不過載且用戶充電需求得到充分滿足的目的。

3.3 智能交流充電樁

智能交流充電樁額定功率為7kW，額定輸出電壓為AC220V，額定輸出電流分為32A，具備RS485通信接口，可以通過通信命令的方式調(diào)節(jié)充電功率，調(diào)節(jié)充電功率為7kW 或者1.5kW，通過對(duì)RS485通信接口配置微功率無線通信或載波通信接口，可以實(shí)現(xiàn)免布線通信控制。交流充電樁與電動(dòng)汽車車載充電機(jī)配合，可以實(shí)現(xiàn)充電功率的梯度調(diào)節(jié)，為電動(dòng)汽車提供不同功率的充電。充電樁由樁體、電氣模塊、計(jì)量模塊和通信管理模塊四部分組成。壁掛式充電樁適合在各種停車場和路邊停車位進(jìn)行墻面安裝，或者通過落地立柱進(jìn)行地面安裝。

3.4 本地通信方式

用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容，國家電網(wǎng)公司各網(wǎng)省公司全面開展用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)工作[5]。從現(xiàn)場應(yīng)用的通信方式的效果來看，在本地通信環(huán)節(jié)還存在一定的局限性，從集中器到載波表或從集中器到采集器層目前采用的通信方式主要有窄帶載波、無線通信、窄帶載波和無線雙模以及寬帶載波。寬帶載波和無線雙模通信由于兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)勢，在通信距離、通信可靠性、通信速率等性能方面有顯著提升[6]。

為實(shí)現(xiàn)交流充電樁有序充電的控制，充電樁需要與智能融合終端進(jìn)行雙向通信。在住宅小區(qū)場景下，充電樁與融合終端之間的距離不會(huì)超過300米，從工程實(shí)施兼顧通信可靠性的角度出發(fā)，采用寬帶載波HPLC 及微功率無線雙模的通信方式可以保障良好的通信效果。

3.5 控制策略

本文采用邊緣計(jì)算方法，在臺(tái)區(qū)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)功率限制的住宅區(qū)電動(dòng)汽車有序充電控制策略，其步驟為：

融合終端實(shí)時(shí)采集臺(tái)區(qū)負(fù)載情況，并根據(jù)變壓器總?cè)萘坑?jì)算配電臺(tái)區(qū)剩余容量；融合終端計(jì)算當(dāng)前電動(dòng)汽車充電負(fù)載；當(dāng)有新的充電樁充電需求接入時(shí)，融合終端計(jì)算，當(dāng)前剩余容量是否滿足7kW充電樁接入充電的需求，如果滿足，則接受新的充電樁充電接入。如果不滿足，則不允許新的充電樁接入充電；當(dāng)融合終端監(jiān)測到配電臺(tái)區(qū)負(fù)載過載時(shí)，計(jì)算當(dāng)前電動(dòng)汽車充電負(fù)載，通過發(fā)送有序充電調(diào)低充電功率命令，將現(xiàn)有充電樁的充電功率調(diào)整至1.5kW，直到配電臺(tái)區(qū)不過載；如果調(diào)整完所有充電樁負(fù)荷為1.5kW 仍過載，則通過發(fā)送有序充電停止充電命令，將有充電樁充電功率調(diào)整至0；融合終端通過實(shí)時(shí)計(jì)算配電臺(tái)區(qū)剩余容量，和充電樁當(dāng)前負(fù)荷，當(dāng)配電臺(tái)區(qū)剩余容量增加時(shí)，則開放有序充電樁充電接入；如果有充電樁被調(diào)整為1.5kW 低功率充電，則由融合終端發(fā)送有序充電調(diào)高充電功率命令，將充電樁充電功率調(diào)整至7kW。

其控制流程如圖4所示。

圖4 有序充電控制流程

4 結(jié)語

本文所研究的有序充電方案以智能融合終端為硬件平臺(tái)，不新增額外投資，采用寬帶載波及微功率無線雙模作為本地通信方式，保障了本地臺(tái)區(qū)內(nèi)通信的可靠性；以有序充電APP 為管控核心，執(zhí)行有序充電就地控制策略，控制電動(dòng)汽車有序充電。本文所提的一種基于邊緣計(jì)算的居民小區(qū)電動(dòng)汽車有序充電控制策略和實(shí)施方案，在有序充電模式下，可以保證配電網(wǎng)正常運(yùn)行和變壓器不過載，并盡最大可能滿足用戶充電的需求。本文所提方法實(shí)施簡單、投資小、效果明顯，有利于推行實(shí)際應(yīng)用，通過對(duì)有序充電策略的不斷優(yōu)化，通過升級(jí)有序充電APP，可不斷完善有序充電控制策略，達(dá)到更好的控制效果。