王滔，陳亦平，姚文峰，方必武，張野，趙文猛，李永亮

（1.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州 510663；2.中國南方電網有限責任公司,廣州 510663）

引言

未來新型電力系統(tǒng)包含大量新能源以及電動汽車等新型負荷，電力系統(tǒng)不確定性顯著增強，系統(tǒng)峰谷差逐年拉大，系統(tǒng)調峰、調頻、穩(wěn)定運行及安全控制等方面均面臨前所未有的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)靈活性需求顯著提升。而在當前社會經濟發(fā)展狀況下，電動汽車等靈活資源正處于規(guī)?；l(fā)展階段，電動汽車大規(guī)模投入使用帶來的是電動車充電問題。目前電動汽車通常采用快充的充電模式，即在保證充電安全的基礎上，以最快速度高滲透接入電網進行充電，但當大量電動汽車同時接入電網充電時，可能會因為大量電動汽車同時進行高功率充電，造成短時功率急劇增加，使地區(qū)電網頻率、電壓的波動，對電網的安全穩(wěn)定運行形成了潛在的威脅。經典的充電方法都是基于單個電動汽車充電狀態(tài)進行調控，不能較好地處理大量電動汽車同時進行大功率充電的情況，這對電動汽車的充電調控方式提出了更高的要求。

針對電動汽車大規(guī)模接入電網造成的潛在穩(wěn)定問題，充電樁的有序充電等技術日益引起了電力學界和工業(yè)界的廣泛關注。文獻[1]提出一種基于雙深度Q網絡深度強化學習的電動汽車充電方法；針對電動汽車的充電可能會加劇配電網頂峰負荷的問題，文獻[2]提出一種基于多目標協(xié)調優(yōu)化控制模型的智能配電網協(xié)調控制優(yōu)化方法；針對目前有序充電控制目標無法滿足用戶多方面需求的現(xiàn)狀，文獻[3]提出了一種基于雙目標分層優(yōu)化的有序充電控制方法。

當前研究多從理論層面探索電動汽車有序充電方法，以減少高滲透電動汽車接入對電網的沖擊[4-7]。高滲透率電動汽車通過信息互聯(lián)，從整個區(qū)域電網能量平衡的全局角度，實現(xiàn)充電樁的協(xié)調控制，有望取得較好的充電效果，以減少對電網沖擊。但具體實現(xiàn)對電動汽車信息系統(tǒng)的要求較高，一方面要求電力通信網絡具有良好的寬帶和可靠性，能支撐有序充電信息的交互。另一方面要求有序充電任務在充電系統(tǒng)的多個控制方中能夠合理分配，并能夠高效完成[8-11]。目前電動汽車信息系統(tǒng)還不能滿足大規(guī)模實現(xiàn)有序充電的要求，因此有必要研究無序充電背景下，電動汽車大規(guī)模接入充電導致的電網供電質量下降的問題。針對大量電動汽車接入電網對電網造成的沖擊，可以采取調整充電功率的方法減少電網的負荷，從而使電網的狀態(tài)恢復到正常運行時的供電質量[12-15]。本論文針對無序充電的充電功率調控展開研究，為節(jié)約建設成本，不搭建新的充電樁功率調控平臺，而是充分利用現(xiàn)有的充電樁控制系統(tǒng)，利用充電樁的邊緣網關所匯集的充電樁實時的充電情況，構建“充電樁控制器-邊緣網關-能量管理系統(tǒng)”的充電樁三層全局調控系統(tǒng)，實現(xiàn)充電站內所有充電樁的信息互聯(lián)，打破充電樁的“信息孤島”，具體的功率調控方法上，采用SOC聚類調控方法來對充電樁的功率進行調控。

1 電動汽車集群快充

在現(xiàn)階段，電動車在進行充電時，大部分充電樁的充電方案都是在充電時以較高的充電功率對電動汽車進行供電，以期用最快的速度完成對電動車的充電。因此，當電動汽車通過充電站內的充電樁對自身電池進行充電時，充電功率都會隨著充電時間的推移發(fā)生變化，期間會出現(xiàn)一個峰值，但在整個充電過程當中絕大部分時間都處于高功率峰值充電狀態(tài)附近進行充電，充電特征曲線如圖1所示。

圖1 電動汽車接入區(qū)域電網示意圖

但此充電方法存在有明顯的弊端。當大量電動車通過充電樁同時接入電網進行充電時，在目前充電樁采用的高功率充電方案下，會造成大量電動車同時以高功率進行充電的情況，大量的電動車都處在充電消耗功率的峰值附近時，充電消耗功率的峰值疊加，大量電動汽車的充電需求會使充電負載迅速增加，導致區(qū)域電網的負荷峰谷差迅速加大，甚至會使區(qū)域內的配電線路過載，對區(qū)域電網造成較大的沖擊，使電網的供電質量下降，不利于電網的安全穩(wěn)定運行。

電動汽車大規(guī)模接入電網會產生很大的負荷，對電網造成沖擊，主要體現(xiàn)在電網的頻率、電壓等變化上。首先分析電動汽車集群接入電網的電壓變化情況，電網運行理想狀態(tài)下，由于電壓降落的橫分量很小，可以忽略橫分量。故電網中任意一段輸電線路的電壓損耗可以近似等于電壓降的縱分量[16]，計算公式如公式（1）所示。

由公式（1）可知，電動汽車大量接入充電，為了滿足電動汽車的充電需求，電網提供給充電樁的功率要增加，有功P和無功Q增加，電壓降隨之增加。

進一步分析電網的頻率變化情況，系統(tǒng)頻率波動的原因在于功率不平衡，如果原動機的輸入功率可以很好地供應給發(fā)電機的輸出功率，那么頻率就會保持在穩(wěn)定的水平。在系統(tǒng)并網正常運行時，負荷功率和發(fā)電功率一般都是保持平衡的，充電樁所需的功率由主電網提供[17]。當充電樁作為沖擊性負荷一下子增加時，發(fā)電機輸出和原動機將打破平衡狀態(tài)，在此瞬間，原動機的輸出功率維持不變[18]，如公式（2）所示。

式中：

Pm—機械功率；

Pe—發(fā)電機的電磁功率（此處忽略不計雜散損耗PΔ）；

ω—轉子的角速度；

ω0—同步電機角速度；

Ta—慣性時間常數，其物理意義是發(fā)電機空載時轉子從靜止狀態(tài)開始至額定速度所需的時間。

實際運行中，發(fā)電機輸出的電磁功率eP和所帶負載是相關聯(lián)的，負載功率的變化引起電磁功率eP的變化幾乎是即時的，發(fā)電機的調節(jié)系統(tǒng)總是存在或多或少的延遲，所以造成了系統(tǒng)頻率的波動[19,20]。從電網的穩(wěn)定性角度可知，如果電動汽車大規(guī)模接入電網直接充電，有可能導致充電站出現(xiàn)充電功率峰值，對電網造成沖擊，影響供電質量。為了保證電網的供電質量，滿足電動汽車的充電需求，需要對充電樁進行功率調控，尤其需要結合電動汽車集群充電系統(tǒng)現(xiàn)狀，構建高效、經濟的電動汽車集群充電控制系統(tǒng)。

2 充電站邊緣網關

電動汽車集群充電系統(tǒng)是一個典型的電力信息物理系統(tǒng)，充電站內的多個地理位置相近的充電樁經過變壓器接入配電網，在物理層面實現(xiàn)配電網給充電樁提供電能。電動汽車信息系統(tǒng)是充電系統(tǒng)的管理核心，經典的電動汽車信息系統(tǒng)主要包括充電樁控制器-邊緣網關-能量管理系統(tǒng)三個層面。電動汽車信息系統(tǒng)的結構圖如圖2所示。

圖2 測量儀結構框圖

信息層中的第一層是控制器，由于充電站內通常會有若干個充電樁，為確保充電樁的正常工作，每一個充電樁都會配備一個控制器，控制器可以獲得每個充電樁在工作狀態(tài)下的實時頻率、電壓、功率等信息，并且將收集到的各類信息上傳到邊緣網關。邊緣網關處于信息層第二層的位置，每個充電站都會配有邊緣網關，邊緣網關通過充電站內的通信網絡接收來自于各個控制器的信息，用于匯總在該充電站內所有控制器收集到其所控制的充電樁的工作信息。信息層的第三層是充電能量管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過信息無線傳遞的方式，接收來自若干個充電站的邊緣網關所匯總的信息，獲得每一個充電樁的工作狀態(tài)，并通過一系列的分析方法，最后得到功率調控方法。

當前電動汽車的充電多基于充電樁接入電網的本地信息，進行單個充電樁的調控，缺少與其他充電樁的協(xié)調控制，而電網作為一個整體，是所有充電樁共同調控的結果，所以各個充電樁分散的充電調控，不容易實現(xiàn)整個電網全局的優(yōu)化調控，對單個充電樁的功率進行調控，容易忽略接入區(qū)域電網的其他充電樁的功率調控，造成電網功率的不平衡。因此為了實現(xiàn)對電網全局的優(yōu)化調控，需要對多個充電站內所有充電樁進行協(xié)調控制。

由于單個充電樁容易出現(xiàn)因為無序充電造成對配電網沖擊，出現(xiàn)電壓、頻率波動等電能質量問題，充電樁通過通信網絡信息互聯(lián)，從而實現(xiàn)協(xié)調控制是解決無序充電對電網沖擊的有效手段，但如果專門搭建充電樁協(xié)調控制的平臺，需要額外的建設成本，因此，充分利用現(xiàn)有充電樁控制平臺，增強協(xié)調控制功能是一種較好的經濟技術方案。

當前電網的調控主要利用充電樁能量管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過信息無線傳遞的方式，將功率調控指令傳輸到邊緣網關，邊緣網關把功率調控指令通過信息有線傳遞的方式傳輸給控制器，控制器按照接收到的指令對充電樁的充電功率進行調控。用充電樁能量管理系統(tǒng)調控充電樁的功率，不用增加額外的建設成本，但無線傳輸的方法可能出現(xiàn)信號不良時信息無法傳輸或傳輸緩慢、易受外界干擾、信息丟失等問題，可靠性和效率不高[21]。

利用充電樁能量管理系統(tǒng)無線調控充電樁的功率存在可靠性和效率不高的問題，而隨著充電站智能化水平不斷提高，很多充電站都配備邊緣網關來實現(xiàn)充電樁智能運維等功能，但當前邊緣網關多僅配備斷網告警，數據采集，故障上報等單個充電樁運維的功能，還較少關注廣域充電樁的協(xié)調控制功能，為充分利用現(xiàn)有的電動車集群充電系統(tǒng)，有必要對邊緣網關的協(xié)調控制潛力展開研究。

本文將擴展充電站邊緣網關的功能，不僅實現(xiàn)該邊緣網關對單個充電站的運維功能，進一步擴展到多個充電站內所有充電樁的協(xié)調控制，實現(xiàn)廣域信息下的有序充電。在現(xiàn)有網關功能基礎上，充分共享網關具有的電動汽車充電功能信息，并利用該信息擴展協(xié)調控制功能。

邊緣網關距離控制器和充電樁距離較近，且通過有線傳輸信息，可靠性和效率比利用充電樁能量管理系統(tǒng)調控充電要高，因此可以考慮利用邊緣網關來進行充電樁的協(xié)調控制，既充分發(fā)揮了邊緣網關的充電樁智能運維功能，又解決了充電樁能量管理系統(tǒng)無線傳輸的可靠性、效率不高的問題。

3 基于SOC的電動汽車聚類電能分配

當前電動汽車多采用“先到先充”的充電方法，當前大多對充電樁進行單個的調控，缺乏對多個充電站內所有充電樁的協(xié)調控制[22]。本論文引入一種以SOC為基礎的聚類調控方法，在控制所有充電汽車功率總額的基礎上，優(yōu)先滿足電量少的電動汽車，調控充電樁在給電動汽車充電時的功率，提高對充電樁功率利用的合理性。同時，本文所提的SOC的電動汽車聚類電能分配算法實現(xiàn)簡單、高效，有利于在當前充電站常見的邊緣網關中完成。

邊緣網關實現(xiàn)基于SOC的電動汽車聚類電能分配，首先需要獲得充電站的電壓和頻率，電網電壓和功率的波動下降可以作為衡量電網負荷大小的指標。若識別出電網負載過重，則邊緣網關發(fā)送調控指令使充電樁的功率下降。由于每個充電樁都接入配變后的配電網，所以可以利用電流互感器和電壓互感器從配電網中獲得每個充電樁的電壓和電流。之后由邊緣網關匯總充電站內每個充電樁控制器發(fā)送經過處理的電壓、電流信息，并在邊緣網關內利用傅里葉算法獲得此充電站的電壓和頻率（U，f）。

與此同時，邊緣網關通過RS485等通信網絡接口獲得各個充電樁（設為{IED1，IED2，…，IEDn}）的實時功率，以及充電樁的實時充電容量與其能夠提供的總容量之比{（P1，Q1，SOC1），（P2，Q2，SOC2），…，（Pn，Qn，SOCn）}。

根據充電樁SOC狀態(tài)，合理劃分為六個等級{L1，L2，L3，L4，L5，L6}， 為{L1∈[0，50]，L2∈[50，60]，L3∈[60，70]，L4∈[70，80]，L5∈[80，90]，L6∈[90，100]；同時將各充電樁的容量也劃分成為兩個等級{L1′，L2′}，為{L1′∈[15，40]，{L2′∈[40，60]}。在電動汽車充電時，將充電站內所有充電樁按照上述的SOC等級進行分組，獲得六個充電樁分組{N1，N2，N3，N4，N5，N6}，再根據充電樁的容量等級由低到高對六個充電樁分組進行進一步的劃分，具體為：N={（N1′，N1” ），（N2′，N2” ），（N3′，N3” ），（N4′，N4” ），（N5′，N5” ），（N6′，N6” ）}。

每當有新的電動汽車接入充電樁進行充電時，利用邊緣網關進行以上操作重新分組，如果充電樁組按照容量等級進一步分組之后所在組與新電動汽車接入充電之前的所在組相同（即充電樁IEDi∈N1），則充電樁的功率不發(fā)生改變；反之，若接入后所在組的組號上升，則需要根據組號上升的情況，對充電樁的功率合理減小。例如，當充電樁IEDi∈N2′時，充電樁功率減小5 %；當充電樁IEDi從N2′→N6” 時，充電樁組每一次遞增，功率減小幅度增加5 %，以保證電動汽車充電功率不大于充電站會影響所接入電網的允許總功率。

4 具體實現(xiàn)

當前充電站的邊緣網關主要收集各個充電樁信息，起到信息匯總和傳遞給遠端的充電樁能量管理系統(tǒng)的功能，基本不涉及充電樁能量的直接調控[23]。本文在實現(xiàn)邊緣網關所起到的充電站信息匯總功能基礎上，通過在邊緣網關中增加電動汽車集群SOC聚類調控算法，無需額外增加專門的充電汽車能量管理設備或系統(tǒng)，實現(xiàn)充電汽車的有序控制。

基于邊緣網關的電動汽車集群SOC聚類調控算法，主要劃分為三個階段，如圖3所示。第一階段識別充電站及所接入的電網的狀態(tài)，通過檢測電壓和頻率的變化來判斷電網是否負載過重。第二階段邊緣網關計算充電站的用電額度。第三階段邊緣網關基于SOC聚類計算充電樁的允許用電量，并根據計算結果發(fā)送功率調控指令到充電樁，完成充電樁的功率調控。具體而言，首先從充電站邊緣網關充分利用自身收集、匯總各個充電樁電壓、電流、頻率、有功和無功的功能，分析出當前充電站的用電總和，邊緣網關在獲得自身充電樁的用電總和后，首先通過電力通信網絡嘗試獲取充電樁能量管理系統(tǒng)的用電安排預指令。充電樁能量管理系統(tǒng)通過多個充電樁邊緣網關的信息匯總，獲得該區(qū)域全局的用電總和，并在考慮電網安全裕度情況下，與該區(qū)域所能支撐的用電計劃做比較，安排各個充電站所能支撐的用電總量，并將該用電總量作為預指令通過電力通信網絡發(fā)送到充電站的邊緣網關，邊緣網關根據預指令用電量進行該站內充電樁基于SOC聚類的充電調控。

圖3 程序流程圖

如果邊緣網關和充電樁能量管理系統(tǒng)間電力通信網絡出現(xiàn)異常無法進行信息交互，或者缺乏充電樁能量管理系統(tǒng)的應用場景下，邊緣網關將依靠充電站所收集到的本地信息進行充電樁調控。

為了識別電網狀態(tài)，需要檢測電網的電壓和頻率。考慮到即使電動汽車高滲透接入，對電網較大沖擊下，由于電力系統(tǒng)的固有慣性，電網頻率變化特征可能不顯著，邊緣網關對收集到的各個充電樁頻率f進行預判斷，分析是否滿足精度要求。當前現(xiàn)場運行的充電樁控制器的頻率采集精度，普遍可以達到小數點后兩位的精度要求，但還不足以滿足捕捉充電樁高滲透接入電網引起的頻率微小變化的精度要求?？紤]實際電網運行情況，充電樁高滲透接入電網引起的頻率變化多在小數點后三位，因此可優(yōu)先考慮小數點后三位的精度要求。如果充電樁控制器的頻率采集精度不滿足小數點后三位的精度要求，就無法識別出電動汽車大規(guī)模接入充電導致的電網頻率的微小變化。為了精準檢測電網的頻率變化，邊緣網關需自身配備鎖相環(huán)等硬件電路，以更好追蹤高滲透電動汽車接入對電網頻率的影響。

如果充電樁控制器采集到的頻率精度能滿足電動汽車高滲透接入電網的頻率變化要求，則邊緣網關無需額外配備高精度的頻率捕捉電路，僅需軟件方法分析各個充電樁控制器采集到的頻率。邊緣網關通過統(tǒng)計方法計算所收集到的頻率f、電壓u偏差，剔除偏差較大的充電樁控制器采集的頻率f、電壓u后，通過下列公式進行數據處理。

第二階段，邊緣網關得到高精準度的電網頻率f、電壓u后，根據當前電網頻率f、電壓u下降幅度，計算充電站的用電缺額。用電缺額的分析，優(yōu)先根據該充電樁接入電網的拓撲結構，通過仿真方法事先離線得到電網頻率f、電壓u偏差對應的用電缺額。若實際運行電網不容易通過仿真方法得到該充電站的用電缺額，則根據該充電站接入電網的運行數據，找最接近的歷史數據作為用電缺額進行試探性的調控，并根據新的電網頻率f、電壓u變化趨勢做及時修正，以逐步實現(xiàn)電網頻率f、電壓u接近正常運行的額定值。

第三階段，邊緣網關計算出該充電站的用電缺額后，采用基于SOC的電動汽車聚類電能分配方法，優(yōu)先滿足電動汽車基本電能需求基礎上，高效計算各個充電樁的允許的充電量，并下達給各個對應的充電樁控制器，進行協(xié)調控制。同時邊緣網關接收來自各個控制器新的充電樁電壓、電流、頻率、有功和無功數據，重新計算該充電站的用電缺額，循環(huán)進行各個充電樁的調控。

5 仿真分析

本文采用基于邊緣網關的電動汽車集群穩(wěn)定調控方法對電動汽車接入充電后，充電樁的功率協(xié)調控制進行了計算。利用matlab對該方法在區(qū)域電網電動汽車充電的功率調控進行建模計算。本文重點考慮充電樁接入電網后，對整體電網的沖擊影響?；诖?，仿真的是分析有電動汽車接入電網和無電動汽車接入的負荷功率與電壓變化，在此基礎上，比較電動車接入電網前提下，本文所提調控方法與未加調控方法的負荷功率與電壓變化。

在matlab軟件上，搭建兩個區(qū)域電網模型A、B，兩者間通過聯(lián)絡線相連通，在區(qū)域電網B中加入電動車集群模型來進行仿真分析，電動汽車接入電網，模型如圖4所示。

圖4 電動汽車接入電網模型

仿真結果如圖5所示，當電動汽車即到即充，不加調控時，充電負荷集中于10點左右開始大規(guī)模接入，出現(xiàn)負荷高峰，導致此時的電壓開始降低，出現(xiàn)電壓低谷；在充電汽車結束充電后，負荷曲線陡然降低，電壓也逐漸開始回升。加入穩(wěn)定調控方法后，有效降低了無調控所負荷曲線所產生的高峰，也平衡了部分結束充電產生的低谷，達到了移峰填谷的效果，圖中紅色曲線與藍色曲線間兩個相等面積的陰影部分，即是調控方法所平衡的負荷功率。同理，對于電壓的影響仿真結果圖中也顯示有同樣效果，驗證了本方法的準確性和有效性。

圖5 仿真結果-不同情況下電動車接入電網的壓降

從以上分析可以看出，電動汽車大規(guī)模接入電網會產生充電負荷高峰，使電網的電壓降低，供電質量下降。相較于無調控的無序充電，利用基于邊緣網關的電動汽車集群穩(wěn)定調控方法可以有效降低電動汽車大規(guī)模接入充電造成的充電負荷高峰、平衡部分結束充電產生的負荷低谷，有效達到了削峰填谷的效果。

6 結論

針對當前充電汽車無序充電對電網的沖擊以及有序充電實現(xiàn)困難、成本高的問題，本文提出了基于邊緣網關的電動汽車集群SOC聚類調控方法及系統(tǒng)。

1）在不額外添加電動汽車集群調控系統(tǒng)的前提下，以充電站邊緣網關為核心，充分復用邊緣網關所具有的電動汽車信息匯集功能，邊緣網關具備全局和本地兩種信息下的調控能力。

2）以控制電動汽車充電總量為基礎，兼顧公平性，提出電動汽車集群SOC聚類算法，實現(xiàn)電動汽車電能的合理分配和負荷的削峰填谷，減少電動汽車接入充電對電網的沖擊。該算法簡單高效，可在當前市面常見的充電樁邊緣網關中高效實現(xiàn)。