基于台区融合终端的电动汽车有序充放电系统*

苏二号，吕志鹏，2，单 杨

（1.上海电力大学电子与信息工程学院，上海 200090；2.国网上海能源互联网研究院有限公司，上海 200126；3.南京则鸣新能源技术有限公司，江苏 南京 211505）

随着全球气候变化以及自然灾害频发，人们越来越认识到“高碳”经济给人类带来的严重生态问题。低碳经济发展模式逐渐受到人们的重视，这对电力工业发展提出崭新的挑战。目前，多个城市已经建立了碳排放权交易试点，包括北京、天津、上海等城市，低碳政策与碳交易机制日趋完善。众所周知，低碳是智能电网的显著特征，充分发挥电网的纽带作用，推动整个电力系统低碳化发展是低碳经济发展的重要保障。欧阳明高院士在中国电动汽车百人会论坛上提出，只有实现新能源汽车大规模发展才能实现新能源革命，只有实现新能源革命才能实现中国碳中和目标。刘永东在中国电力企业联合会上提到，充电桩建设任务远远没有完成，充电桩数量不足依然是充电基础设施行业存在的主要问题，应重点关注老旧小区充电难和农村充电难问题。此外，特来电公司也在打造积极新能运和新交通深度融合的生态运营公司，布局“充电网、车联网、互联网”三网融合的新能源互联网平台。

目前，中国能源处于加速转型期，一次能源低碳化转型明显，终端能源高水平电气化的进程正在加速实现。电动汽车等低碳要素的引入将对传统电网分析、规划及运行技术产生深刻影响，仅靠电网传统手段调节维持安全稳定运行的难度将大大提高。电网安全稳定的运行迫切需要新型基础理论和关键技术的支撑。电动汽车作为电网客户侧重要的可调、可控灵活资源，通过积极引导电动汽车用户参与电网平衡调节，能够促进电网运行效率，促进资源配置能力，增强运营效益。本文将主要通过在不改变电网物理形态前提下，通过改善如有序充电等电网辅助服务能力，在满足乘用车充电需求的同时挖掘充电负荷的调节潜力，使电网的安全抗扰能力得到进一步提高[1]。

1 有序充电

电动汽车无序充电，会使电网负荷峰谷差扩大，加重电力系统负担，甚至会造成节点电压偏移、电压越限等配电网电能质量问题[2-3]。有序充电则可以大大缓解以上状况，从而减轻电网压力。而目前家用桩（部分无通信）、快充桩通常无调控功能，无法接入平台运营，配电网与充电设施数据信息实时性及互联互通性差，无法满足有序充电的要求。此外，国内外还针对低谷充电、错峰充电进行了一系列研究。有序充电需结合低谷充电、错峰充电的优点，更大程度发挥有序充电的经济性，缓解配网投资，缓解设备利用率以及缓解负荷波动和峰谷差扩大。

有序充电大致分3 个阶段：①准有序充电。这一阶段主要依托负荷聚合运营系统和电网辅助服务市场，建立充电桩准有序充电的商业模式，快速推广低成本、可调控的电动汽车智能充电桩。②有序充电。将准有序充电升级为有序充电，坚持因地制宜、因势利导，对电动汽车发展较快、充电需求难以满足的充电桩进行升级改造，实现完全的有序充电功能。③有序充放电（V2G）。随着电动汽车发展和电力市场完善，将有序充电升级为有序充放电（V2G），深化电动汽车与电网互动，实现车网一体[4-6]。中国电科院于2017年建成的电动汽车与电网互动系统如图1 所示，初步实现了电动汽车与电网互动，但是距离促进网荷友好互动、进一步挖掘负荷资源的调控潜力还有一定的距离。

图1 电动汽车与电网互动系统

本文将主要探究有序充放电（V2G）这一前沿科学问题，以期为未来有序充放电的大范围推广提供一定的参考。

2 台区融合终端

台区融合终端如图2 所示，新型台区融合终端是构建台端物联网的核心设备。其采用RTOS 实时操作系统，采用分布式边缘计算技术架构、多容器等关键技术，运用功能APP 化、硬件平台化等设计理念，满足配网业务灵活、安全生产和快速发展的需求。具备上行、下行模块扩展通用接口，兼容不同通信厂家的通信模块，通信模块可带电更换，对上支持4G 公网/光纤/无线专网/5G，对下支持电力线载波/微功率无线/RS485/RS232[7]。

图2 台区融合终端

2.1 台区融合终端特点

硬件平台化：基于华为平台，采用国产工业级双核处理器，采用高精度交流采样芯片。软件APP 化：基本APP、高级APP，有效应对未来电网业务扩展需求，终端可运行不同厂家的APP。软件定义终端：根据用户需求下载多种APP，满足用户不同需求。边缘计算、就地决策：提高台区异常处理速度，减少通讯业务数据。站端协同：业务通道、管理通道互不影响，快速部署，实时监测终端运行状态。即插即用、自我识别：减少用户调试工作量，轻量级建模。

2.2 台区融合终端实现内容

2.2.1 边缘计算的配电网多源数据处理与融合技术

研究多源数据测量点的属性、特性、分级和关联，确定基于边缘计算的多源数据处理与融合模式。研究多源数据格式化技术，消除多源数据的异构性。对异常数据进行筛选识别清洗矫正。研究多源数据融合方法，实现数据融合、特征融合和决策融合的三级融合[8]。“边”层架构能够就近提供智能决策和服务，并且可以采用软件定义的方法，实现软件应用与终端侧硬件资源的深度解耦[9]。并且具备采集、通信、计算和分析等功能。对上与云主站或主站实时交互关键数据，对下实现数据采集、管控全覆盖。为满足实时快速响应负荷需求，弱化对主站的高度依赖，减轻主站的计算压力，终端采用“边缘计算”技术，可以就地实现对所管控区域运行状态的在线监测、智能分析与决策控制，同时为与云主站计算共享与数据交互提供支持。

2.2.2 支持多核、多容器的终端轻量级通用软件平台技术

软件平台位于底层操作系统与上层高级APP 之间，具备应用软件管理，数据采集、存储及交互，通信管理，容器管理等功能。多容器技术将容器分为增值业务容器和基础业务容器。容器技术对底层系统的硬件资源和业务APP 做了隔离，从而使系统整体功能不受干扰，并且可根据业务实际对容器内APP 资源权限进行合理调配，进而将某一APP 故障的影响控制在最小范围内。

2.2.3 通用软件平台不同应用程序（APP）间的接口及信息

交互技术基于多种消息机制的信息交互技术，建立交互数据信息平台。以开放式框架来支持多种电力终端协议规约，无论是电表数据，还是低压线路等数据，终端均可以读取数据，即不同类型数据可支持不同的接口链路。

2.2.4 基于人工智能的边缘计算应用技术

全栈人工智能贯穿配电物联网端到端，云主站具有人工智能的训练模块，可训练人工智能的模型和算法。边缘计算点具有人工智能的处理能力，可通过远程获取云主站的人工智能算法和模型，并拥有运行算法和模型的人工智能处理能力，可适用于谐波分析、故障研判、负荷预测、入侵监测等配电场景。通过人工智能提升边缘计算的智能化水平[10]。

3 电动汽车有序充放电系统

综合上文关于有序充放电和台区融合终端的优点，本文提出一种基于台区融合终端的有序充放电系统，如图3 所示。该有序充放电系统包括台区融合终端、能源控制器等设备软硬件升级，充电桩添加物联网控制器。目前融合终端、能源控制器等设备和电动汽车充电设施兼容性较差，采集数据不足以支撑有序充电等业务的开展[11]。该系统可以有效提升电动汽车与电网的互动效果。

图3 基于台区融合终端的有序充放电系统

将充电设施物联网控制器作为通用的控制模块外置到充电桩上，充电设施物联网控制器模块向下连接充电桩主板，收集充电桩主板的信息并进行控制，向上连接融合终端，被融合终端管理控制。充电设施物联网控制器不经过智能电表就能与终端连接，充电设施物联网控制器通过与台区融合终端进行数据交互，使台区融合终端起到台区配电网电能转换枢纽和能源管理基础平台的作用。以上采集、控制功能的实现，需要升级充电桩主板的控制程序，在终端的通讯规约中增加有序充电和电力市场方面的数据采集、控制。此外，分布式能源的接入也需要经过台区融合终端的分析与处理。

充电设施物联网控制器需通过电力载波通讯连接到台区融合终端，并通过台区台区融合终端和管理平台连接；充电设施以智能控制板作为核心部件，与汽车BMS 通讯和对充电桩电源模块进行功率控制和分配，将数据通过台区融合终端上传到管理平台，同时接受管理平台和台区融合终端的控制，实现智能有序充电和远程管理。充电设施物联网控制器采用电力载波通信，将数据信号采用数位讯号的方法处理，并调制到一定的载波频率上（中国低压电力线载波通信专用频段为3～500 kHz），利用既有的电力线进行传输。相比于传统的调制技术，电力载波技术具有如下优势：①通信可靠、稳定，抗噪声及抗干扰能力强；②对电力线信道的变化具有自适应能力，当个别子载波受到干扰时仍可能成功通信；③数据速率高，通常在几十kbps（千比特每秒）以上[12-13]。

台区融合终端设备能够实现不同类型的应用和数据在网络边缘的处理，提升业务的智能决策效率。设备采用分布式边缘计算、多容器等关键技术，实现模块化、可扩展、低功耗设计，可以有效保证有序充放电等业务的灵活开展。

4 结语

随着电气化进程加快、新能源高比例接入、储能规模化应用、数字技术与电网技术深度融合，电网的物理特性、运行模式、功能形态正在发生深刻变化，仅靠电网传统手段调节维持安全稳定运行的难度将大大增加，推动电力系统智能化程度和系统调节能力不断增强，并向“源—网—荷—储”协调提出了更高的要求，亟需客户侧灵活负荷的主动参与。电动汽车是客户侧重要的可调、可控灵活资源，未来很可能会成为电网中占比最大的负荷之一，具有的随机性、同时性和冲击性，对电网安全运行提出了新的挑战。本文提出的基于台区融合终端的电动汽车有序充放电系统能够满足对电动汽车充电设施这一能源互联网内重要的负荷节点的充电、放电控制要求，促进网荷友好互动，进一步挖掘负荷资源的调控潜力并缓解配电网管控压力。