基于泛在電力物聯網的電動汽車有序充電研究

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的安全運行帶來一定的風險和影響。建設智慧能源服務系統，實施電動汽車有序充電，對于保障配電網安全運行、提升充電設備利用率、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體系建構進行相關討論，對能源控制器和能源路由器的設計開發進行相關探討和驗證。

1 智慧能源服務系統架構

智慧能源服務系統由智慧能源主站、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網系統，由前置機和策略中心構成；前置機采用流行的物聯網通信協議MQTT與能源控制器連接，策略中心通過安全網關與阿里云中間件連接，阿里云中間件與手機APP 通過MQTT協議通信。前置機為主站系統提供信息中轉，負責接收處理能源控制器上報的充電相關事件，然后轉發給相關功能模塊；接收到業務模塊和策略中心下發的控制命令后，組幀轉發給能源控制器。策略中心是智慧能源主站的大腦，基于大數據分析生成臺區基礎負荷預測曲線、臺區控制目標負荷曲線，并根據臺區實時基礎負荷曲線對臺區控制目標負荷曲線進行動態調整，并下發給能源控制器對臺區充電計劃進行宏觀調控；當臺區總負荷達到臺區配變額定容量時，根據設定的策略停止高負荷的充電計劃。能源控制器根據主站下發的各類負荷預測曲線，計算臺區有序充電負荷預測曲線，結合當前臺區實時負荷信息和臺區內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揮其本地自治的功能，對臺區內充電樁進行本地實時調度，在符合配變安全運行要求的前提下，根據最優經濟性原則，對正在執行的充電計劃進行適當地調整更新，同時充電計劃將同步給主站，實現對充電樁有序充電資源分配的本地調度管理。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的充電計劃，并根據充電計劃在指定時間點向充電樁發送啟動充電、停止充電或充電功率調節等控制指令。在無法接收主站或能源控制器下發的充電計劃時，可優先執行內置的默認充電計劃，即保持最低功率連續充電，其優先級較低，在通訊恢復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，負責接收來自能源路由器的充電啟停命令；發送故障時通過CAN 總線將故障信息上報給能源路由器。

圖1

2 能源控制器設計

能源控制器基于I 型集中器平臺開發，原有平臺具備與主站通過用電信息采集協議通信和下行抄表功能，需要根據智慧能源服務系統業務需求進行相關擴充。

2.1 物聯網通信協議開發。傳統的I 型集中器只支持通過電力行業通信協議與主站進行通信，不支持MQTT這類物聯網協議。開發MQTT協議既可以自主研發，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協議數據包，更加靈活高效。

2.2 有序充電類事件解析處理。常規的電表數據采集采用能源控制器周期輪詢的方式來執行，這種方式無法滿足有序充電這類需要快速響應的業務需求。為提高響應速度，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；能源路由器開始執行來自主站或能源控制器的充電計劃后，生成充電執行事件并通過CCO上報給能源控制器；充電計劃執行結束后，能源路由器將結算信息以充電結算事件的形式通過CCO 上報給能源控制器；這些事件的上報需要CCO 提供業務支撐，對原有Q/GDW1376.2 進行適當擴展。能源控制器收到CCO上報的事件后，對事件內容進行解析，根據業務具體需要進行相應處理，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控制目標負荷曲線，臺區基礎負荷預測曲線，計算出可用充電計劃的功率曲線P。

Po表示臺區控制目標負荷曲線，Pt表示臺區基礎負荷預測曲線，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)為保障配電網安全運行，提升充電設備利用率，計算出的充電功率曲線應在滿足用戶充電需求的前提下盡可能保障電網負荷曲線平滑。(2)為保護用戶充電設備安全，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慣、節假日、天氣等因素影響。可先在仿真軟件上模擬驗證，然后生成相關算法庫。考慮到嵌入式系統的計算能力有限，算法的復雜度不能太高。在充電過程中，能源控制器應根據實際的臺區基礎負荷曲線對現有的充電計劃進行調優。為保證整個系統的安全可靠，計劃調整不能太頻繁，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%充電計劃進行調整。如果有充電計劃被用戶提前結束，則在完成充電結算后對充電計劃調整一次。

2.4 臺區負荷監測。能源控制器周期性輪詢臺區總表負荷曲線，當臺區負荷達到或超過臺區配變額定容量時生成臺區越限事件，并立即上報給智慧能源主站。

3 能源路由器設計

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

3.1 充電申請受理。能源路由器密閉于充電樁殼體內，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、預充電量百分比、取車時間等信息。APP 根據服務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 充電計劃執行。能源路由器接收能源控制器通過HPLC發送的充電計劃，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 充電結算。充電計劃正常結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束充電時電能示值，生成充電結算事件,然后通過HPLC將事件上報給CCO。此時如果用戶在現場，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。充電開始時發送充電啟動命令，充電結束時發送充電停止命令。當監測到充電樁故障時，生成充電樁故障事件，并通過HPLC上報給能源控制器。

4 結論

目前我們已經按照智慧能源服務架構完成能源控制器、能源路由器的設計開發工作，并與智慧能源主站系統進行聯調測試。在山東、浙江、河南等地區完成掛試驗證，取得了不錯的社會效益和示范效果。