基于配電臺區(qū)負載動態(tài)限制的電動汽車有序充電就地控制策略

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

隨著電動汽車的快速發(fā)展，2020年中國電動汽車一共銷售了136.7萬輛，電動汽車市場滲透率達到5.4%，并且電動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，再次堅定我國汽車電氣化發(fā)展方向不動搖。根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《電動汽車充電基礎設施發(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)為電動汽車進行充電。然而有較高電動汽車滲透率的居民區(qū)可能在電網(wǎng)負荷高峰時期出現(xiàn)較大的負荷峰谷差，甚至可能超過原有配電裝置的容量限值[1-3]。為提高電動汽車充電安全、兼顧充電體驗等方面的需求，有必要在居民小區(qū)進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化、軟件APP 化的性能，本文提出了一種基于邊緣計算的實施方案，實現(xiàn)配電臺區(qū)負載動態(tài)限制的電動汽車有序充電控制策略，對保障居民小區(qū)配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和兼顧充電效率有重要的意義。

1 居民小區(qū)負載分析

通常來說，居民用戶的用電行為特征受到用電設備、居民收入、作息習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)負載情況的巨大差異，并且具有隨機性，不能用一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達式來描述，但是通過對大量歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)測和總結，可以找到居民小區(qū)變壓器負荷存在的一些規(guī)律。圖1為某個小區(qū)配電變壓器的歷史負荷曲線，該曲線表明，在12:00是一個用電負荷高峰，在20:00也有一個用電負荷高峰，最大負荷值約為3100kW，變壓器的最大負載能力3633kW。如果電動汽車無序充電，在20:00用電負荷高峰時，接入超過10輛電動汽車，每輛電動汽車充電功率為7kW，則用電負荷將達到3700kW，超過變壓器的最大負載能力，對變壓器的安全運行造成隱患。

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

2 充電負載需求

本文以電動汽車在居民小區(qū)的安全并且有序充電的需求為研究對象，在保障變壓器不過載的基礎上，充分滿足居民小區(qū)電動汽車的充電需求。由于居民小區(qū)內電動汽車停留時間較為固定[4]，大多數(shù)電動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間，基于居民小區(qū)電動汽車用戶的出行習慣，重點研究當日傍晚用戶回家到第二天早上用戶離開這段時間內的電動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行，并且通過智能融合終端就地控制電動汽車的有序充電。

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

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

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

圖2 電動汽車充電負荷曲線

小區(qū)居民電動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)過配電箱進行電氣連接；智能融合終端安裝在變壓器側，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，計算功率，獲得住宅小區(qū)配電的實時負荷信息；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行雙向交互通信，融合終端可對智能交流充電樁的充電功率進行調節(jié)控制。

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

圖3 無序充電模式下的各負荷曲線

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)正常運行和變壓器不過載，并盡最大可能滿足用戶充電的需求。當電動汽車駛入小區(qū)充電站進行充電時，車載充電機連接交流充電樁，充電機與智能融合終端交互，由智能融合終端實時采集配變總負荷、所有交流充電樁充電功率數(shù)據(jù)，以配變負載率為約束條件，考慮配變負荷變化趨勢、各充電樁充電時長和充電功率，通過有序充電APP 控制各充電樁的啟停、充電功率輸出等級，控制優(yōu)化每輛電動汽車充電。

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區(qū)邊緣計算控制的管理平臺，以有序充電APP 方式實現(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，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，以實現(xiàn)調節(jié)總體充電功率，實現(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，具備數(shù)據(jù)采集、管理與實時監(jiān)控能力。通過專用網(wǎng)絡采集配電系統(tǒng)信息，獲取當前區(qū)域內電網(wǎng)負荷情況，預測電網(wǎng)背景負荷曲線和充電所需總能量，計算理想充電負荷，同時依據(jù)負荷模型生成負荷調整計劃指令下發(fā)至能源路由器，實時調整充電樁的輸出功率，保證電網(wǎng)安全運行；采用標準的通信接口、面向對象的互操作性數(shù)據(jù)交換協(xié)議和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，實現(xiàn)對所轄區(qū)域內能源設備計量數(shù)據(jù)、工況信息、發(fā)、充、放電實時數(shù)據(jù)、臺變實時數(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，軟件平臺基于電力統(tǒng)一操作系統(tǒng)深化設計，打造硬件+統(tǒng)一操作系統(tǒng)+APP 的設計架構，一方面實現(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，實現(xiàn)對不同軟件開發(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、無功補償APP 等不同的APP 體現(xiàn)了不同的應用場景，電動汽車有序充電APP 便是為了實現(xiàn)交流充電樁有序充電控制而設計，以達到配電網(wǎng)正常運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節(jié)充電功率，調節(jié)充電功率為7kW 或者1.5kW，通過對RS485通信接口配置微功率無線通信或載波通信接口，可以實現(xiàn)免布線通信控制。交流充電樁與電動汽車車載充電機配合，可以實現(xiàn)充電功率的梯度調節(jié)，為電動汽車提供不同功率的充電。充電樁由樁體、電氣模塊、計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行墻面安裝，或者通過落地立柱進行地面安裝。

3.4 本地通信方式

用電信息采集系統(tǒng)建設是建設堅強智能電網(wǎng)的重要內容，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)建設工作[5]。從現(xiàn)場應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超過300米，從工程實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

本文采用邊緣計算方法，在臺區(qū)內部實現(xiàn)功率限制的住宅區(qū)電動汽車有序充電控制策略，其步驟為：

融合終端實時采集臺區(qū)負載情況，并根據(jù)變壓器總容量計算配電臺區(qū)剩余容量；融合終端計算當前電動汽車充電負載；當有新的充電樁充電需求接入時，融合終端計算，當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；當融合終端監(jiān)測到配電臺區(qū)負載過載時，計算當前電動汽車充電負載，通過發(fā)送有序充電調低充電功率命令，將現(xiàn)有充電樁的充電功率調整至1.5kW，直到配電臺區(qū)不過載；如果調整完所有充電樁負荷為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整至0；融合終端通過實時計算配電臺區(qū)剩余容量，和充電樁當前負荷，當配電臺區(qū)剩余容量增加時，則開放有序充電樁充電接入；如果有充電樁被調整為1.5kW 低功率充電，則由融合終端發(fā)送有序充電調高充電功率命令，將充電樁充電功率調整至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，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，保障了本地臺區(qū)內通信的可靠性；以有序充電APP 為管控核心，執(zhí)行有序充電就地控制策略，控制電動汽車有序充電。本文所提的一種基于邊緣計算的居民小區(qū)電動汽車有序充電控制策略和實施方案，在有序充電模式下，可以保證配電網(wǎng)正常運行和變壓器不過載，并盡最大可能滿足用戶充電的需求。本文所提方法實施簡單、投資小、效果明顯，有利于推行實際應用，通過對有序充電策略的不斷優(yōu)化，通過升級有序充電APP，可不斷完善有序充電控制策略，達到更好的控制效果。