基于臺區融合終端的電動汽車有序充放電系統*

蘇二號，呂志鵬，2，單 楊

（1.上海電力大學電子與信息工程學院，上海 200090；2.國網上海能源互聯網研究院有限公司，上海 200126；3.南京則鳴新能源技術有限公司，江蘇 南京 211505）

隨著全球氣候變化以及自然災害頻發，人們越來越認識到“高碳”經濟給人類帶來的嚴重生態問題。低碳經濟發展模式逐漸受到人們的重視，這對電力工業發展提出嶄新的挑戰。目前，多個城市已經建立了碳排放權交易試點，包括北京、天津、上海等城市，低碳政策與碳交易機制日趨完善。眾所周知，低碳是智能電網的顯著特征，充分發揮電網的紐帶作用，推動整個電力系統低碳化發展是低碳經濟發展的重要保障。歐陽明高院士在中國電動汽車百人會論壇上提出，只有實現新能源汽車大規模發展才能實現新能源革命，只有實現新能源革命才能實現中國碳中和目標。劉永東在中國電力企業聯合會上提到，充電樁建設任務遠遠沒有完成，充電樁數量不足依然是充電基礎設施行業存在的主要問題，應重點關注老舊小區充電難和農村充電難問題。此外，特來電公司也在打造積極新能運和新交通深度融合的生態運營公司，布局“充電網、車聯網、互聯網”三網融合的新能源互聯網平臺。

目前，中國能源處于加速轉型期，一次能源低碳化轉型明顯，終端能源高水平電氣化的進程正在加速實現。電動汽車等低碳要素的引入將對傳統電網分析、規劃及運行技術產生深刻影響，僅靠電網傳統手段調節維持安全穩定運行的難度將大大提高。電網安全穩定的運行迫切需要新型基礎理論和關鍵技術的支撐。電動汽車作為電網客戶側重要的可調、可控靈活資源，通過積極引導電動汽車用戶參與電網平衡調節，能夠促進電網運行效率，促進資源配置能力，增強運營效益。本文將主要通過在不改變電網物理形態前提下，通過改善如有序充電等電網輔助服務能力，在滿足乘用車充電需求的同時挖掘充電負荷的調節潛力，使電網的安全抗擾能力得到進一步提高[1]。

1 有序充電

電動汽車無序充電，會使電網負荷峰谷差擴大，加重電力系統負擔，甚至會造成節點電壓偏移、電壓越限等配電網電能質量問題[2-3]。有序充電則可以大大緩解以上狀況，從而減輕電網壓力。而目前家用樁（部分無通信）、快充樁通常無調控功能，無法接入平臺運營，配電網與充電設施數據信息實時性及互聯互通性差，無法滿足有序充電的要求。此外，國內外還針對低谷充電、錯峰充電進行了一系列研究。有序充電需結合低谷充電、錯峰充電的優點，更大程度發揮有序充電的經濟性，緩解配網投資，緩解設備利用率以及緩解負荷波動和峰谷差擴大。

有序充電大致分3 個階段：①準有序充電。這一階段主要依托負荷聚合運營系統和電網輔助服務市場，建立充電樁準有序充電的商業模式，快速推廣低成本、可調控的電動汽車智能充電樁。②有序充電。將準有序充電升級為有序充電，堅持因地制宜、因勢利導，對電動汽車發展較快、充電需求難以滿足的充電樁進行升級改造，實現完全的有序充電功能。③有序充放電（V2G）。隨著電動汽車發展和電力市場完善，將有序充電升級為有序充放電（V2G），深化電動汽車與電網互動，實現車網一體[4-6]。中國電科院于2017年建成的電動汽車與電網互動系統如圖1 所示，初步實現了電動汽車與電網互動，但是距離促進網荷友好互動、進一步挖掘負荷資源的調控潛力還有一定的距離。

圖1 電動汽車與電網互動系統

本文將主要探究有序充放電（V2G）這一前沿科學問題，以期為未來有序充放電的大范圍推廣提供一定的參考。

2 臺區融合終端

臺區融合終端如圖2 所示，新型臺區融合終端是構建臺端物聯網的核心設備。其采用RTOS 實時操作系統，采用分布式邊緣計算技術架構、多容器等關鍵技術，運用功能APP 化、硬件平臺化等設計理念，滿足配網業務靈活、安全生產和快速發展的需求。具備上行、下行模塊擴展通用接口，兼容不同通信廠家的通信模塊，通信模塊可帶電更換，對上支持4G 公網/光纖/無線專網/5G，對下支持電力線載波/微功率無線/RS485/RS232[7]。

圖2 臺區融合終端

2.1 臺區融合終端特點

硬件平臺化：基于華為平臺，采用國產工業級雙核處理器，采用高精度交流采樣芯片。軟件APP 化：基本APP、高級APP，有效應對未來電網業務擴展需求，終端可運行不同廠家的APP。軟件定義終端：根據用戶需求下載多種APP，滿足用戶不同需求。邊緣計算、就地決策：提高臺區異常處理速度，減少通訊業務數據。站端協同：業務通道、管理通道互不影響，快速部署，實時監測終端運行狀態。即插即用、自我識別：減少用戶調試工作量，輕量級建模。

2.2 臺區融合終端實現內容

2.2.1 邊緣計算的配電網多源數據處理與融合技術

研究多源數據測量點的屬性、特性、分級和關聯，確定基于邊緣計算的多源數據處理與融合模式。研究多源數據格式化技術，消除多源數據的異構性。對異常數據進行篩選識別清洗矯正。研究多源數據融合方法，實現數據融合、特征融合和決策融合的三級融合[8]。“邊”層架構能夠就近提供智能決策和服務，并且可以采用軟件定義的方法，實現軟件應用與終端側硬件資源的深度解耦[9]。并且具備采集、通信、計算和分析等功能。對上與云主站或主站實時交互關鍵數據，對下實現數據采集、管控全覆蓋。為滿足實時快速響應負荷需求，弱化對主站的高度依賴，減輕主站的計算壓力，終端采用“邊緣計算”技術，可以就地實現對所管控區域運行狀態的在線監測、智能分析與決策控制，同時為與云主站計算共享與數據交互提供支持。

2.2.2 支持多核、多容器的終端輕量級通用軟件平臺技術

軟件平臺位于底層操作系統與上層高級APP 之間，具備應用軟件管理，數據采集、存儲及交互，通信管理，容器管理等功能。多容器技術將容器分為增值業務容器和基礎業務容器。容器技術對底層系統的硬件資源和業務APP 做了隔離，從而使系統整體功能不受干擾，并且可根據業務實際對容器內APP 資源權限進行合理調配，進而將某一APP 故障的影響控制在最小范圍內。

2.2.3 通用軟件平臺不同應用程序（APP）間的接口及信息

交互技術基于多種消息機制的信息交互技術，建立交互數據信息平臺。以開放式框架來支持多種電力終端協議規約，無論是電表數據，還是低壓線路等數據，終端均可以讀取數據，即不同類型數據可支持不同的接口鏈路。

2.2.4 基于人工智能的邊緣計算應用技術

全棧人工智能貫穿配電物聯網端到端，云主站具有人工智能的訓練模塊，可訓練人工智能的模型和算法。邊緣計算點具有人工智能的處理能力，可通過遠程獲取云主站的人工智能算法和模型，并擁有運行算法和模型的人工智能處理能力，可適用于諧波分析、故障研判、負荷預測、入侵監測等配電場景。通過人工智能提升邊緣計算的智能化水平[10]。

3 電動汽車有序充放電系統

綜合上文關于有序充放電和臺區融合終端的優點，本文提出一種基于臺區融合終端的有序充放電系統，如圖3 所示。該有序充放電系統包括臺區融合終端、能源控制器等設備軟硬件升級，充電樁添加物聯網控制器。目前融合終端、能源控制器等設備和電動汽車充電設施兼容性較差，采集數據不足以支撐有序充電等業務的開展[11]。該系統可以有效提升電動汽車與電網的互動效果。

圖3 基于臺區融合終端的有序充放電系統

將充電設施物聯網控制器作為通用的控制模塊外置到充電樁上，充電設施物聯網控制器模塊向下連接充電樁主板，收集充電樁主板的信息并進行控制，向上連接融合終端，被融合終端管理控制。充電設施物聯網控制器不經過智能電表就能與終端連接，充電設施物聯網控制器通過與臺區融合終端進行數據交互，使臺區融合終端起到臺區配電網電能轉換樞紐和能源管理基礎平臺的作用。以上采集、控制功能的實現，需要升級充電樁主板的控制程序，在終端的通訊規約中增加有序充電和電力市場方面的數據采集、控制。此外，分布式能源的接入也需要經過臺區融合終端的分析與處理。

充電設施物聯網控制器需通過電力載波通訊連接到臺區融合終端，并通過臺區臺區融合終端和管理平臺連接；充電設施以智能控制板作為核心部件，與汽車BMS 通訊和對充電樁電源模塊進行功率控制和分配，將數據通過臺區融合終端上傳到管理平臺，同時接受管理平臺和臺區融合終端的控制，實現智能有序充電和遠程管理。充電設施物聯網控制器采用電力載波通信，將數據信號采用數位訊號的方法處理，并調制到一定的載波頻率上（中國低壓電力線載波通信專用頻段為3～500 kHz），利用既有的電力線進行傳輸。相比于傳統的調制技術，電力載波技術具有如下優勢：①通信可靠、穩定，抗噪聲及抗干擾能力強；②對電力線信道的變化具有自適應能力，當個別子載波受到干擾時仍可能成功通信；③數據速率高，通常在幾十kbps（千比特每秒）以上[12-13]。

臺區融合終端設備能夠實現不同類型的應用和數據在網絡邊緣的處理，提升業務的智能決策效率。設備采用分布式邊緣計算、多容器等關鍵技術，實現模塊化、可擴展、低功耗設計，可以有效保證有序充放電等業務的靈活開展。

4 結語

隨著電氣化進程加快、新能源高比例接入、儲能規模化應用、數字技術與電網技術深度融合，電網的物理特性、運行模式、功能形態正在發生深刻變化，僅靠電網傳統手段調節維持安全穩定運行的難度將大大增加，推動電力系統智能化程度和系統調節能力不斷增強，并向“源—網—荷—儲”協調提出了更高的要求，亟需客戶側靈活負荷的主動參與。電動汽車是客戶側重要的可調、可控靈活資源，未來很可能會成為電網中占比最大的負荷之一，具有的隨機性、同時性和沖擊性，對電網安全運行提出了新的挑戰。本文提出的基于臺區融合終端的電動汽車有序充放電系統能夠滿足對電動汽車充電設施這一能源互聯網內重要的負荷節點的充電、放電控制要求，促進網荷友好互動，進一步挖掘負荷資源的調控潛力并緩解配電網管控壓力。