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(wǎng)的安全運(yùn)行帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)和影響。建設(shè)智慧能源服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)施電動汽車有序充電，對于保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行、提升充電設(shè)備利用率、促進(jìn)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(wù)體系建構(gòu)進(jìn)行相關(guān)討論，對能源控制器和能源路由器的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)行相關(guān)探討和驗(yàn)證。

1 智慧能源服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

智慧能源服務(wù)系統(tǒng)由智慧能源主站、能源控制器、能源路由器、充電樁、手機(jī)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(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)，由前置機(jī)和策略中心構(gòu)成；前置機(jī)采用流行的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT與能源控制器連接，策略中心通過安全網(wǎng)關(guān)與阿里云中間件連接，阿里云中間件與手機(jī)APP 通過MQTT協(xié)議通信。前置機(jī)為主站系統(tǒng)提供信息中轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)接收處理能源控制器上報(bào)的充電相關(guān)事件，然后轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)功能模塊；接收到業(yè)務(wù)模塊和策略中心下發(fā)的控制命令后，組幀轉(zhuǎn)發(fā)給能源控制器。策略中心是智慧能源主站的大腦，基于大數(shù)據(jù)分析生成臺區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測曲線、臺區(qū)控制目標(biāo)負(fù)荷曲線，并根據(jù)臺區(qū)實(shí)時(shí)基礎(chǔ)負(fù)荷曲線對臺區(qū)控制目標(biāo)負(fù)荷曲線進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并下發(fā)給能源控制器對臺區(qū)充電計(jì)劃進(jìn)行宏觀調(diào)控；當(dāng)臺區(qū)總負(fù)荷達(dá)到臺區(qū)配變額定容量時(shí)，根據(jù)設(shè)定的策略停止高負(fù)荷的充電計(jì)劃。能源控制器根據(jù)主站下發(fā)的各類負(fù)荷預(yù)測曲線，計(jì)算臺區(qū)有序充電負(fù)荷預(yù)測曲線，結(jié)合當(dāng)前臺區(qū)實(shí)時(shí)負(fù)荷信息和臺區(qū)內(nèi)各充電樁實(shí)時(shí)充電情況，通過本地控制策略算法，可對新增的充電申請進(jìn)行充電計(jì)劃的合理編排。在充電過程中，能源控制器將充分發(fā)揮其本地自治的功能，對臺區(qū)內(nèi)充電樁進(jìn)行本地實(shí)時(shí)調(diào)度，在符合配變安全運(yùn)行要求的前提下，根據(jù)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性原則，對正在執(zhí)行的充電計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整更新，同時(shí)充電計(jì)劃將同步給主站，實(shí)現(xiàn)對充電樁有序充電資源分配的本地調(diào)度管理。能源路由器受理用戶通過手機(jī)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(bào)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(fā)的充電計(jì)劃，并根據(jù)充電計(jì)劃在指定時(shí)間點(diǎn)向充電樁發(fā)送啟動充電、停止充電或充電功率調(diào)節(jié)等控制指令。在無法接收主站或能源控制器下發(fā)的充電計(jì)劃時(shí)，可優(yōu)先執(zhí)行內(nèi)置的默認(rèn)充電計(jì)劃，即保持最低功率連續(xù)充電，其優(yōu)先級較低，在通訊恢復(fù)后主站或能源控制器有新的充電計(jì)劃輸入時(shí)替換其默認(rèn)充電計(jì)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(fù)責(zé)接收來自能源路由器的充電啟停命令；發(fā)送故障時(shí)通過CAN 總線將故障信息上報(bào)給能源路由器。

圖1

2 能源控制器設(shè)計(jì)

能源控制器基于I 型集中器平臺開發(fā)，原有平臺具備與主站通過用電信息采集協(xié)議通信和下行抄表功能，需要根據(jù)智慧能源服務(wù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行相關(guān)擴(kuò)充。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議開發(fā)。傳統(tǒng)的I 型集中器只支持通過電力行業(yè)通信協(xié)議與主站進(jìn)行通信，不支持MQTT這類物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。開發(fā)MQTT協(xié)議既可以自主研發(fā)，也可以移植開源項(xiàng)目。因原有的平臺與GPRS 模塊通信采用AT 指令進(jìn)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(xié)議數(shù)據(jù)包，更加靈活高效。

2.2 有序充電類事件解析處理。常規(guī)的電表數(shù)據(jù)采集采用能源控制器周期輪詢的方式來執(zhí)行，這種方式無法滿足有序充電這類需要快速響應(yīng)的業(yè)務(wù)需求。為提高響應(yīng)速度，需采用能源路由器主動上報(bào)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(bào)給能源控制器；能源路由器開始執(zhí)行來自主站或能源控制器的充電計(jì)劃后，生成充電執(zhí)行事件并通過CCO上報(bào)給能源控制器；充電計(jì)劃執(zhí)行結(jié)束后，能源路由器將結(jié)算信息以充電結(jié)算事件的形式通過CCO 上報(bào)給能源控制器；這些事件的上報(bào)需要CCO 提供業(yè)務(wù)支撐，對原有Q/GDW1376.2 進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展。能源控制器收到CCO上報(bào)的事件后，對事件內(nèi)容進(jìn)行解析，根據(jù)業(yè)務(wù)具體需要進(jìn)行相應(yīng)處理，組幀上報(bào)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(fā)控制目標(biāo)負(fù)荷曲線，臺區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測曲線，計(jì)算出可用充電計(jì)劃的功率曲線P。

Po表示臺區(qū)控制目標(biāo)負(fù)荷曲線，Pt表示臺區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測曲線，Pi表示第i 條充電計(jì)劃曲線。充電功率曲線同時(shí)還受以下因素的約束：(1)為保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行，提升充電設(shè)備利用率，計(jì)算出的充電功率曲線應(yīng)在滿足用戶充電需求的前提下盡可能保障電網(wǎng)負(fù)荷曲線平滑。(2)為保護(hù)用戶充電設(shè)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(gè)時(shí)段功率為零。其他還需要考慮用戶使用習(xí)慣、節(jié)假日、天氣等因素影響?？上仍诜抡孳浖夏M驗(yàn)證，然后生成相關(guān)算法庫?？紤]到嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算能力有限，算法的復(fù)雜度不能太高。在充電過程中，能源控制器應(yīng)根據(jù)實(shí)際的臺區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷曲線對現(xiàn)有的充電計(jì)劃進(jìn)行調(diào)優(yōu)。為保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠，計(jì)劃調(diào)整不能太頻繁，能源控制器每15 分鐘刷新一次充電計(jì)劃庫，每次只對偏差最大且大于20%充電計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。如果有充電計(jì)劃被用戶提前結(jié)束，則在完成充電結(jié)算后對充電計(jì)劃調(diào)整一次。

2.4 臺區(qū)負(fù)荷監(jiān)測。能源控制器周期性輪詢臺區(qū)總表負(fù)荷曲線，當(dāng)臺區(qū)負(fù)荷達(dá)到或超過臺區(qū)配變額定容量時(shí)生成臺區(qū)越限事件，并立即上報(bào)給智慧能源主站。

3 能源路由器設(shè)計(jì)

能源路由器基于多芯單相表平臺開發(fā)，除了具有常規(guī)的計(jì)量功能，在該應(yīng)用場景中它還是典型的末端感知設(shè)備。

3.1 充電申請受理。能源路由器密閉于充電樁殼體內(nèi)，在充電樁殼體上粘貼二維碼，二維碼中包含能源路由器藍(lán)牙地址、路由器編號、充電樁編號等信息，該信息進(jìn)行加密處理。用戶通過手機(jī)APP 掃描二維碼，經(jīng)APP 解密后獲取藍(lán)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(yù)充電量百分比、取車時(shí)間等信息。APP 根據(jù)服務(wù)器上存儲的車輛品牌、型號信息，計(jì)算出需求充電量，向能源路由器發(fā)送充電申請。能源路由器確認(rèn)用戶充電申請，生成充電申請事件，通過HPLC 通道上報(bào)給CCO，同時(shí)通過用戶的手機(jī)APP 上傳給智慧能源主站。

3.2 充電計(jì)劃執(zhí)行。能源路由器接收能源控制器通過HPLC發(fā)送的充電計(jì)劃，同時(shí)接收智慧能源主站通過用戶手機(jī)APP 下發(fā)的充電計(jì)劃。充電計(jì)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(jì)劃執(zhí)行后，將充電計(jì)劃以事件形式同時(shí)上報(bào)給能源控制器和智慧能源主站。

3.3 充電結(jié)算。充電計(jì)劃正常結(jié)束或者用戶提前充電時(shí)，能源路由器記錄用戶開始充電時(shí)電能示值和結(jié)束充電時(shí)電能示值，生成充電結(jié)算事件,然后通過HPLC將事件上報(bào)給CCO。此時(shí)如果用戶在現(xiàn)場，則同時(shí)通過用戶手機(jī)APP 上報(bào)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(tài)。充電開始時(shí)發(fā)送充電啟動命令，充電結(jié)束時(shí)發(fā)送充電停止命令。當(dāng)監(jiān)測到充電樁故障時(shí)，生成充電樁故障事件，并通過HPLC上報(bào)給能源控制器。

4 結(jié)論

目前我們已經(jīng)按照智慧能源服務(wù)架構(gòu)完成能源控制器、能源路由器的設(shè)計(jì)開發(fā)工作，并與智慧能源主站系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試。在山東、浙江、河南等地區(qū)完成掛試驗(yàn)證，取得了不錯(cuò)的社會效益和示范效果。