基于台区智能融合终端的V2G充电桩构建与实现

2022-10-15阮浩洁郑隽杰林科振

中国高新科技 2022年13期

■ 文/阮浩洁郑隽杰林科振

1 智能融合充电桩构建的必要性

中国电动车行业协会预测，2035年中国电动汽车保有量将达到1.5 亿辆。其中，电动汽车中的私家车数量占绝对优势达91%；2035年电动汽车年用电量达0.9 万亿度，其中，私家车年用电量还是位列第一，占比45.6%。对预测数据分析可以看出，未来车网互动最主要对象是私家车。私家车不仅数量多、用电量大，而且日行驶距离短、需求用电量小，除满足出行的刚需外，在充放电容量和充放电时间上，具备比较灵活的的调节范围，动力电池参与V2G 充放电循环的富裕空间也更大，是最适宜参与电动汽车与配网互动的类型。基于上述原因，构建更为高效且有助于吸纳社会各界资本的融合充电桩系统势在必行。

2 基于台区智能融合终端充电桩的总体设计思路

2.1 设计理念

采用“以边为主、云边协同、台区自治”的设计理念，实现边端的智能化自治，台区用能精细化、实时化调控，从而提高台区供电服务可靠性。充电桩运营平台与电动汽车与配网互动负荷调控系统进行解耦设计，以降低系统建设的复杂度，提升系统间交互的灵活度。充电桩运营平台以现有车联网平台运营系统为基础，在原有系统上优化充电控制交互体系，通过e 充电App 提供用户参与配网互动应用服务，以统建统运、改造签约等运营模式，结合营销手段引导用户采用有序充电、V2G 模式进行充放电。

2.2 实现方案总体设计思路

如图1所示，当有序充放电设施支持通过本地通信技术与智能融合终端建立通信时，在完成注册投运后，设备的监测数据将通过4G 通道与本地通信通道分别上报至融合终端及车联网平台，用户充电过程中，可以通过智慧车联网平台授权，将托管口令、用户需求下发至配网系统，配网系统可以结合台区状态生成调控策略，结合本地台区的融合终端，对设备进行高精度的、安全的负荷调控。车联网平台通过电费/服务费优惠等营销手段引导用户在满足用电需求的前提下采用有序方式充电、参与V2G 应用服务。同时可以使试点采用竞价方式优先满足用户紧急充电需求。

在完成调控后，配电主站也需要将调控信息、台区负荷数据同步至车联网平台，用于车联网平台侧有序充电、V2G的策略分析优化。该方案可以充分发挥端侧计算能力，主要具备以下优势：一是可以借助融合终端就地化数据存储与决策分析能力，在台区侧进行实时策略计算，对台区负荷变化感知响应速度和调控精度能够得到较大的提升；二是在充电桩离线后，融合终端既可以作为负荷控制器，也可以作为计量信息中继，继续收集计量信息，实现离线充电与区域自治，提升平台充电稳定性。

3 智能融合终端充电桩的具体功能与实现

3.1 参与主体及功能需求

3.1.1 车桩端（TTU）网互动策略

在融合终端设备中引入加权分层优化算法应用，根据配电云主站系统下发的控制目标、电价、需求响应、用户充电需求等信息，结合台区配变运行状态，通过多目标优化调度控制模型算法程序，对台区中普通充电桩、有序充电桩和V2G 桩计算充（放）电计划并下发执行，动态调节电动汽车充（放）电功率，以实现下列目标：①台区电能质量优化，辅助台区电网的负荷调控、通过充放电控制参与三相不平衡和线损的治理；②基于分时电价、实时电价、需求响应等新型电力市场交易模式，通过算法优化充电效率和动力电池损耗，降低用户充电成本。

3.1.2 智慧车联网平台

构建基于车联网平台的电动汽车充放电管控业务及运营体系。具备电动汽车充放电管控业务的订单、支付、提现、清分结算等功能，实现商业及运营模式闭环，构建用户间电力交易机制，满足用户多样化充电需求，提升用户充电方式选择的自主性和选择性，实现用户充电与系统主站间的无感协同。

3.1.3 配电云平台

部署电动汽车有序充放电微应用。配电云主站系统和车联网平台以及融合终端通信，实现相关数据采集和计算，云边协同方式实现和电动汽车用户的互动，完成用户响应有序充放电控制。主要功能包括：充电桩管理，包括充电桩地理位置信息、规格型号、所在台区等信息的管理；充电桩状态展示及台区实时充电状态展示；支持与配电云主站系统对接，获取台区相关的负荷、电压、电流信息及调峰需求；支持用户自定义的有序充放电策略和V2G 策略制定及修改；有序充放电综合数据分析及充放电策略优化；监测台区参与有序充放电的调峰效果及电能质量治理效果。

3.1.4 融合终端

电动汽车和台区互动的核心设备，是充电桩和配网主站双向通信的关键节点。根据充电桩与台区侧的实际通信环境和施工条件可选支持LoRa、485/以太网通信网络功能。并可通过嵌入App 方式实现核心功能：定时查阅台区当前负荷容量数据和来自充电桩的容量请求数据，获取详细的台区不同分支，不同相位的负荷、电压、电流等信息，针对过载/三相不平衡/低电压等问题形成有序充放电策略。

3.1.5 智能充电桩（含有序充电、V2G）

设备具备车联网平台通信接口，实现状态上报、设备鉴权，实时通信，有序调度等功能。与传统充电桩相比，设备具备与融合终端的通信接口，接收有序充电、V2G 负荷调控指令并上报负荷数据；支持双向充放电功能，支持DC 侧宽电压恒功率输入及输出，实现台区过载调节、三相不平衡治理、应急容量支撑和无功补偿等技术应用；提供安全充电保障，在软件和硬件上具备多重保护功能，具有完善的系统告警，系统日志，充电记录，及BMS 通信数据存储等功能，提升台区设备远程智能化运维水平。

3.1.6 V2G 电动汽车

为了提升车辆充电技术智能化水平，积极推广智能有序慢充为主、应急快充为辅的居民区充电服务模式，实现用户“无感”参与有序充电，需要实现车辆传给平台信息，包括电池总容量、剩余电量、可充电电量、当前SOC、车辆VIN等，需要车支持PWM 功率调节，CC、CP 唤醒。车辆实现V2G 应用，需要实现放电关键电参数的车桩交互，需要基于27930 充电协议制定车桩放电标准协议，协议信息重点考虑充放电业务实现的可放电电量、可放电功率、单体电池一致性等信息交互，同时研究V2G 应用的电池安全性和对动力电池寿命影响。

3.2 功能及融合设计

电动汽车与配网台区互动的智能充放电调控策略，实际是多元边界条件复杂非线性系统优化算法设计。实际目前调控策略以运行成本最低为目标（包括电量电费成本、电池损耗成本），只考虑电动汽车运行约束（车辆离开时间）、电池约束（电池调控空间、保底电量需求）及台区功率约束（台区负载率限制）作为线性规划的约束条件。

具体运行中，策略设计中考虑边界条件如下（见图2）：电动汽车充放电时充放电功率为双向15kW；台区运行功率约束上下限为负载率＜60%满功率充电，60%≤负载率＜80%动态有序充电，负载率≥80%下V2G 动态可控放电；台区下电动汽车数量为N=1 或者N=2；充放电电价费用为峰谷时段，需要调控峰时段放电3.5 元/kWh，谷时段、平时段不放电，充电价格与周边充电桩一致，动态有序充电暂不给价格优惠补贴；电动汽车电池约束，国网e 充电App 上支持设置开放SOC 充放电区间、保底电量；电动汽车运行约束，国网e 充电App 上支持设置电动汽车车辆离开时间。

图2 电动汽车与配网台区互动的智能充放电实际调控策略设计

3.3 技术实现路径

通过“配电云主站—智能融合终端—V2G 充电设施—电动汽车—车联网”的动态交互，实现电动汽车充放电台区自治管控能力，服务台区负荷与电能质量的微观、精准和实时调控，达到疏导大规模电动汽车充电带来的无序用电需求，提升台区供电可靠性、优化电能质量的目标。

车联网平台运营系统为基础，在原有系统上优化充电控制交互体系，通过e 充电App 提供用户参与配网互动应用服务，结合营销手段引导用户采用有序充电、V2G 模式进行充放电。配电云主站采用微应用IT 建设模式实现有序充放电管理服务，与智慧车联网平台进行数据交互获得用户参与有序充放电信息；根据区域负荷大数据分析结果确定台区约束边界条件，联合用户信息、车辆信息下发至台区融合智能终端，同步监测台区电动汽车的动态调控情况及调控效果评估功能。智能融合终端实时采集低压电网台区静态和动态数据以及电动汽车充放电相关数据，运用终端的就地分析决策处理能力动态生成有序充放电策略，通过本地通信发下策略至充电桩实现智能充放电功率调控。充电桩增加实时通信链路连接到融合终端，响应负荷调控指令并上报实时状态数据到融合终端。在完成调控后，配电主站也需要将调控信息、台区负荷数据同步至车联网平台，用于车联网平台侧有序充电、V2G 的策略分析优化。