蘇二號(hào)，呂志鵬，2，單 楊

（1.上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200090；2.國(guó)網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，上海 200126；3.南京則鳴新能源技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211505）

隨著全球氣候變化以及自然災(zāi)害頻發(fā)，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到“高碳”經(jīng)濟(jì)給人類(lèi)帶來(lái)的嚴(yán)重生態(tài)問(wèn)題。低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式逐漸受到人們的重視，這對(duì)電力工業(yè)發(fā)展提出嶄新的挑戰(zhàn)。目前，多個(gè)城市已經(jīng)建立了碳排放權(quán)交易試點(diǎn)，包括北京、天津、上海等城市，低碳政策與碳交易機(jī)制日趨完善。眾所周知，低碳是智能電網(wǎng)的顯著特征，充分發(fā)揮電網(wǎng)的紐帶作用，推動(dòng)整個(gè)電力系統(tǒng)低碳化發(fā)展是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。歐陽(yáng)明高院士在中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)論壇上提出，只有實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)大規(guī)模發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)新能源革命，只有實(shí)現(xiàn)新能源革命才能實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和目標(biāo)。劉永東在中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)上提到，充電樁建設(shè)任務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完成，充電樁數(shù)量不足依然是充電基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)存在的主要問(wèn)題，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注老舊小區(qū)充電難和農(nóng)村充電難問(wèn)題。此外，特來(lái)電公司也在打造積極新能運(yùn)和新交通深度融合的生態(tài)運(yùn)營(yíng)公司，布局“充電網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)”三網(wǎng)融合的新能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

目前，中國(guó)能源處于加速轉(zhuǎn)型期，一次能源低碳化轉(zhuǎn)型明顯，終端能源高水平電氣化的進(jìn)程正在加速實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)汽車(chē)等低碳要素的引入將對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)分析、規(guī)劃及運(yùn)行技術(shù)產(chǎn)生深刻影響，僅靠電網(wǎng)傳統(tǒng)手段調(diào)節(jié)維持安全穩(wěn)定運(yùn)行的難度將大大提高。電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行迫切需要新型基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的支撐。電動(dòng)汽車(chē)作為電網(wǎng)客戶(hù)側(cè)重要的可調(diào)、可控靈活資源，通過(guò)積極引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)參與電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)，能夠促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行效率，促進(jìn)資源配置能力，增強(qiáng)運(yùn)營(yíng)效益。本文將主要通過(guò)在不改變電網(wǎng)物理形態(tài)前提下，通過(guò)改善如有序充電等電網(wǎng)輔助服務(wù)能力，在滿(mǎn)足乘用車(chē)充電需求的同時(shí)挖掘充電負(fù)荷的調(diào)節(jié)潛力，使電網(wǎng)的安全抗擾能力得到進(jìn)一步提高[1]。

1 有序充電

電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充電，會(huì)使電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差擴(kuò)大，加重電力系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，甚至?xí)斐晒?jié)點(diǎn)電壓偏移、電壓越限等配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題[2-3]。有序充電則可以大大緩解以上狀況，從而減輕電網(wǎng)壓力。而目前家用樁（部分無(wú)通信）、快充樁通常無(wú)調(diào)控功能，無(wú)法接入平臺(tái)運(yùn)營(yíng)，配電網(wǎng)與充電設(shè)施數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)性及互聯(lián)互通性差，無(wú)法滿(mǎn)足有序充電的要求。此外，國(guó)內(nèi)外還針對(duì)低谷充電、錯(cuò)峰充電進(jìn)行了一系列研究。有序充電需結(jié)合低谷充電、錯(cuò)峰充電的優(yōu)點(diǎn)，更大程度發(fā)揮有序充電的經(jīng)濟(jì)性，緩解配網(wǎng)投資，緩解設(shè)備利用率以及緩解負(fù)荷波動(dòng)和峰谷差擴(kuò)大。

有序充電大致分3 個(gè)階段：①準(zhǔn)有序充電。這一階段主要依托負(fù)荷聚合運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和電網(wǎng)輔助服務(wù)市場(chǎng)，建立充電樁準(zhǔn)有序充電的商業(yè)模式，快速推廣低成本、可調(diào)控的電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁。②有序充電。將準(zhǔn)有序充電升級(jí)為有序充電，堅(jiān)持因地制宜、因勢(shì)利導(dǎo)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展較快、充電需求難以滿(mǎn)足的充電樁進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)完全的有序充電功能。③有序充放電（V2G）。隨著電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展和電力市場(chǎng)完善，將有序充電升級(jí)為有序充放電（V2G），深化電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)網(wǎng)一體[4-6]。中國(guó)電科院于2017年建成的電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)互動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示，初步實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)互動(dòng)，但是距離促進(jìn)網(wǎng)荷友好互動(dòng)、進(jìn)一步挖掘負(fù)荷資源的調(diào)控潛力還有一定的距離。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)互動(dòng)系統(tǒng)

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

2 臺(tái)區(qū)融合終端

臺(tái)區(qū)融合終端如圖2 所示，新型臺(tái)區(qū)融合終端是構(gòu)建臺(tái)端物聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備。其采用RTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用分布式邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)、多容器等關(guān)鍵技術(shù)，運(yùn)用功能APP 化、硬件平臺(tái)化等設(shè)計(jì)理念，滿(mǎn)足配網(wǎng)業(yè)務(wù)靈活、安全生產(chǎn)和快速發(fā)展的需求。具備上行、下行模塊擴(kuò)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(duì)上支持4G 公網(wǎng)/光纖/無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)/5G，對(duì)下支持電力線載波/微功率無(wú)線/RS485/RS232[7]。

圖2 臺(tái)區(qū)融合終端

2.1 臺(tái)區(qū)融合終端特點(diǎn)

硬件平臺(tái)化：基于華為平臺(tái)，采用國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)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(jí)APP，有效應(yīng)對(duì)未來(lái)電網(wǎng)業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求，終端可運(yùn)行不同廠家的APP。軟件定義終端：根據(jù)用戶(hù)需求下載多種APP，滿(mǎn)足用戶(hù)不同需求。邊緣計(jì)算、就地決策：提高臺(tái)區(qū)異常處理速度，減少通訊業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。站端協(xié)同：業(yè)務(wù)通道、管理通道互不影響，快速部署，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端運(yùn)行狀態(tài)。即插即用、自我識(shí)別：減少用戶(hù)調(diào)試工作量，輕量級(jí)建模。

2.2 臺(tái)區(qū)融合終端實(shí)現(xiàn)內(nèi)容

2.2.1 邊緣計(jì)算的配電網(wǎng)多源數(shù)據(jù)處理與融合技術(shù)

研究多源數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)的屬性、特性、分級(jí)和關(guān)聯(lián)，確定基于邊緣計(jì)算的多源數(shù)據(jù)處理與融合模式。研究多源數(shù)據(jù)格式化技術(shù)，消除多源數(shù)據(jù)的異構(gòu)性。對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選識(shí)別清洗矯正。研究多源數(shù)據(jù)融合方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、特征融合和決策融合的三級(jí)融合[8]。“邊”層架構(gòu)能夠就近提供智能決策和服務(wù)，并且可以采用軟件定義的方法，實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用與終端側(cè)硬件資源的深度解耦[9]。并且具備采集、通信、計(jì)算和分析等功能。對(duì)上與云主站或主站實(shí)時(shí)交互關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管控全覆蓋。為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)快速響應(yīng)負(fù)荷需求，弱化對(duì)主站的高度依賴(lài)，減輕主站的計(jì)算壓力，終端采用“邊緣計(jì)算”技術(shù)，可以就地實(shí)現(xiàn)對(duì)所管控區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)、智能分析與決策控制，同時(shí)為與云主站計(jì)算共享與數(shù)據(jù)交互提供支持。

2.2.2 支持多核、多容器的終端輕量級(jí)通用軟件平臺(tái)技術(shù)

軟件平臺(tái)位于底層操作系統(tǒng)與上層高級(jí)APP 之間，具備應(yīng)用軟件管理，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及交互，通信管理，容器管理等功能。多容器技術(shù)將容器分為增值業(yè)務(wù)容器和基礎(chǔ)業(yè)務(wù)容器。容器技術(shù)對(duì)底層系統(tǒng)的硬件資源和業(yè)務(wù)APP 做了隔離，從而使系統(tǒng)整體功能不受干擾，并且可根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際對(duì)容器內(nèi)APP 資源權(quán)限進(jìn)行合理調(diào)配，進(jìn)而將某一APP 故障的影響控制在最小范圍內(nèi)。

2.2.3 通用軟件平臺(tái)不同應(yīng)用程序（APP）間的接口及信息

交互技術(shù)基于多種消息機(jī)制的信息交互技術(shù)，建立交互數(shù)據(jù)信息平臺(tái)。以開(kāi)放式框架來(lái)支持多種電力終端協(xié)議規(guī)約，無(wú)論是電表數(shù)據(jù)，還是低壓線路等數(shù)據(jù)，終端均可以讀取數(shù)據(jù)，即不同類(lèi)型數(shù)據(jù)可支持不同的接口鏈路。

2.2.4 基于人工智能的邊緣計(jì)算應(yīng)用技術(shù)

全棧人工智能貫穿配電物聯(lián)網(wǎng)端到端，云主站具有人工智能的訓(xùn)練模塊，可訓(xùn)練人工智能的模型和算法。邊緣計(jì)算點(diǎn)具有人工智能的處理能力，可通過(guò)遠(yuǎn)程獲取云主站的人工智能算法和模型，并擁有運(yùn)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(fù)荷預(yù)測(cè)、入侵監(jiān)測(cè)等配電場(chǎng)景。通過(guò)人工智能提升邊緣計(jì)算的智能化水平[10]。

3 電動(dòng)汽車(chē)有序充放電系統(tǒng)

綜合上文關(guān)于有序充放電和臺(tái)區(qū)融合終端的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種基于臺(tái)區(qū)融合終端的有序充放電系統(tǒng)，如圖3 所示。該有序充放電系統(tǒng)包括臺(tái)區(qū)融合終端、能源控制器等設(shè)備軟硬件升級(jí)，充電樁添加物聯(lián)網(wǎng)控制器。目前融合終端、能源控制器等設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施兼容性較差，采集數(shù)據(jù)不足以支撐有序充電等業(yè)務(wù)的開(kāi)展[11]。該系統(tǒng)可以有效提升電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的互動(dòng)效果。

圖3 基于臺(tái)區(qū)融合終端的有序充放電系統(tǒng)

將充電設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)控制器作為通用的控制模塊外置到充電樁上，充電設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)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(jìn)行控制，向上連接融合終端，被融合終端管理控制。充電設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)控制器不經(jīng)過(guò)智能電表就能與終端連接，充電設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)控制器通過(guò)與臺(tái)區(qū)融合終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使臺(tái)區(qū)融合終端起到臺(tái)區(qū)配電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換樞紐和能源管理基礎(chǔ)平臺(tái)的作用。以上采集、控制功能的實(shí)現(xiàn)，需要升級(jí)充電樁主板的控制程序，在終端的通訊規(guī)約中增加有序充電和電力市場(chǎng)方面的數(shù)據(jù)采集、控制。此外，分布式能源的接入也需要經(jīng)過(guò)臺(tái)區(qū)融合終端的分析與處理。

充電設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)控制器需通過(guò)電力載波通訊連接到臺(tái)區(qū)融合終端，并通過(guò)臺(tái)區(qū)臺(tái)區(qū)融合終端和管理平臺(tái)連接；充電設(shè)施以智能控制板作為核心部件，與汽車(chē)BMS 通訊和對(duì)充電樁電源模塊進(jìn)行功率控制和分配，將數(shù)據(jù)通過(guò)臺(tái)區(qū)融合終端上傳到管理平臺(tái)，同時(shí)接受管理平臺(tái)和臺(tái)區(qū)融合終端的控制，實(shí)現(xiàn)智能有序充電和遠(yuǎn)程管理。充電設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)控制器采用電力載波通信，將數(shù)據(jù)信號(hào)采用數(shù)位訊號(hào)的方法處理，并調(diào)制到一定的載波頻率上（中國(guó)低壓電力線載波通信專(zhuān)用頻段為3～500 kHz），利用既有的電力線進(jìn)行傳輸。相比于傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)，電力載波技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：①通信可靠、穩(wěn)定，抗噪聲及抗干擾能力強(qiáng)；②對(duì)電力線信道的變化具有自適應(yīng)能力，當(dāng)個(gè)別子載波受到干擾時(shí)仍可能成功通信；③數(shù)據(jù)速率高，通常在幾十kbps（千比特每秒）以上[12-13]。

臺(tái)區(qū)融合終端設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)不同類(lèi)型的應(yīng)用和數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣的處理，提升業(yè)務(wù)的智能決策效率。設(shè)備采用分布式邊緣計(jì)算、多容器等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊化、可擴(kuò)展、低功耗設(shè)計(jì)，可以有效保證有序充放電等業(yè)務(wù)的靈活開(kāi)展。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電氣化進(jìn)程加快、新能源高比例接入、儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用、數(shù)字技術(shù)與電網(wǎng)技術(shù)深度融合，電網(wǎng)的物理特性、運(yùn)行模式、功能形態(tài)正在發(fā)生深刻變化，僅靠電網(wǎng)傳統(tǒng)手段調(diào)節(jié)維持安全穩(wěn)定運(yùn)行的難度將大大增加，推動(dòng)電力系統(tǒng)智能化程度和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不斷增強(qiáng)，并向“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”協(xié)調(diào)提出了更高的要求，亟需客戶(hù)側(cè)靈活負(fù)荷的主動(dòng)參與。電動(dòng)汽車(chē)是客戶(hù)側(cè)重要的可調(diào)、可控靈活資源，未來(lái)很可能會(huì)成為電網(wǎng)中占比最大的負(fù)荷之一，具有的隨機(jī)性、同時(shí)性和沖擊性，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。本文提出的基于臺(tái)區(qū)融合終端的電動(dòng)汽車(chē)有序充放電系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施這一能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)重要的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的充電、放電控制要求，促進(jìn)網(wǎng)荷友好互動(dòng)，進(jìn)一步挖掘負(fù)荷資源的調(diào)控潛力并緩解配電網(wǎng)管控壓力。