台区能源控制器与充电桩智能控制器信息交互技术方案

戴成涛，王义辉，张 謇

（科大智能科技股份有限公司，上海 200000）

1 技术现状及交互需求

1.1 能源控制器

能源控制器安装在低压台区的智能化采集与控制终端，能够满足高性能并发、大容量存储、多采集对象、就地化分析决策等需求，具有数据采集、设备运行状态监测、电能计量等功能，支撑营销、配电及新兴业务发展需求。

1） 硬件方面。能源控制器主控CPU 主频4 核1 GHz，内存容量1 GB，数据存储器容量8 GB。能源控制器与感知设备的通信接口支持：1 路基于高速电力线载波通信（High-Speed Power Line Carrier Communication,HPLC） 与 无 线（Radio Frequency,RF） 的双模本地通信接口、4 路RS485/RS232 接口、1 路蓝牙接口以及2 路以太网接口。能源控制器上行支持2 路无线公网/专网远程通信接口，支持同时连接两个不同虚拟专网内的主站系统。

2） 软件方面。能源控制器的软件分为操作系统层和应用层。操作系统层包括操作系统内核、硬件驱动框架、启动程序、系统接口、硬件抽象层和系统组件，操作系统通过系统接口为APP 提供系统调用接口，通过硬件抽象层提供硬件设备访问接口，系统组件与应用层通过消息总线通信。应用层包括基础APP 和业务APP 以及相应的容器，APP之间通过消息总线进行数据交互。

1.2 充电桩智能控制器

电动汽车充电桩分为非车载直流充电机和交流充电桩，主要类型见表1。

表1 电动汽车充电桩主要类型

非车载直流充电机是指固定连接至交流或直流电源，并将其电能转化为直流电能，采用传导方式为电动汽车动力蓄电池充电的专用装置。一般由动力电源输入、功率变换单元、智能充电控制器、人机交互单元、计量单元等部分组成，有4G、以太网、RS232、RS485、CAN 等多种通信方式。

交流充电桩是指采用传导方式为具有车载充电装置的电动汽车提供交流电源的专用供电装置。一般由控制电源、智能充电控制器、人机交互界面和计量计费等单元组成，有4G、以太网、蓝牙、RS485、CAN 等多种通信方式。

1.3 交互需求

能源控制器与充电桩智能控制器交互的信息分为充电桩信息和用户信息两类，信息交互方式以主动上报为主，辅以周期召测，详细分类见表2。

表2 交互信息分类

2 能源控制器与充电桩智能控制器交互方案

2.1 通信架构

系统通信方式分为远程和本地通信。远程通信为能源控制器或充电桩与主站之间的通信，采用4G/5G 通信方式，用采主站可以直接向运营商平台发起负荷调控申请，运营商平台可以共享充电信息给用采系统[1]。本地通信为能源控制器与电能表、充电桩、协议转换器之间的通信，主要采用HPLC 等通信方式，实现电能表计费数据采集，充电桩信息采集及本地控制，具体交互通信架构见图1。

图1 通信架构图

图1 主要包含以下两个应用场景。

1） 内置HPLC/双模通信模块的充电桩。能源控制器通过充电桩内HPLC/双模模块直接与充电桩智能控制器通信，实现充电桩信息采集与控制。

2） 外接协议转换器的充电桩。能源控制器通过HPLC/双模与协议转换器通信，协议转换器通过RS485、CAN、蓝牙等方式与充电桩智能控制器通信，实现充电桩信息采集与控制。

2.2 交互业务流程

1） 充电需求发起。用户通过APP 扫描充电桩二维码选择需要使用的充电桩。输入相关充电需求信息（是否接受调控、充电枪号、需求电量等信息），信息填写完成后点击启动充电，APP 将充电需求提交到运营商平台。

2） 充电执行。运营商平台接收到用户的充电需求后，合理编排用户充电执行策略，并将充电执行命令（包含充电策略、充电需求信息） 下发到充电桩智能控制器，充电桩智能控制器按照策略执行充电。

3） 状态监控。能源控制器接收到充电桩的充电开始事件后，周期轮询充电桩的运行状态（充电电压、电流、充电百分比等），并将数据信息及时上送用采主站，用采主站同步将相关信息推送至运营商平台。根据台区运行状态信息，对充电桩进行控制。

4） 结束充电。用户结束充电后，充电桩智能控制器根据充电信息生成对应的充电结束事件；内置HPLC/双模通信模块的充电桩，充电桩智能控制器直接将充电结束事件上报至能源控制器；外接协议转换器的充电桩，协议转换器周期查询充电桩控制器是否有新增的充电结束事件，监测到有新增事件后，将事件上报至能源控制器；能源控制器接收到充电结束事件后，将事件推送至用采主站，并结束对充电桩运行信息的周期轮询。

2.3 能源控制器与充电桩智能控制器技术交互方案

2.3.1 采集数据及采集策略

2.3.1.1 采集数据

能源控制器采集配变运行数据、充电桩计量数据、充电桩运行数据，其中配变运行数据包括电压、电流、变压器容量、变压器负荷状态等；充电桩计量数据包括电压、电流、电能示值、冻结数据等；充电桩运行数据包括充电状态、充电事件等[2]，详细数据见表3。

表3 采集数据项及采集频度

2.3.1.2 采集策略。

能源控制器采集充电桩相关数据，策略上分为周期采集和主动上报两类。

1） 周期采集。能源控制器根据充电桩主动上报的充电启停事件，获得正在充电的充电桩列表，按照设定周期，召测充电桩的电压、电流、充电百分比等数据信息，为后续动态柔性调节提供依据[3]；如果连续两个周期召测失败，判定该充电桩处于离线状态。

2） 主动上报。电动汽车用户启动充电后，协议转换器监控充电桩工作状态，向能源控制器主动上报充电启动事件，事件内容包含：充电桩资产号、充电枪号、充电桩调节类型、启动充电功率、额定输出功率、预期用车时间、用户是否接受调控等信息。

2.3.2 控制策略

2.3.2.1 柔性控制方法

1） 充电启停控制。能源控制器接收到充电启停事件时，通过配变装载容量和配变负荷可算得剩余负荷，再根据事件中充电桩的额定输出功率可得到充电桩的最大允许输出功率，通过协议转换器将“最大允许输出功率”下发给充电桩[4]。充电启停控制流程见图2。

图2 充电启停控制流程

2） 周期控制。能源控制器周期采集充电数据后，根据配变装载容量和用电充电情况，结合多减少补、阈值调节等原则，按需动态调节每个充电桩的最大允许输出功率。周期控制流程见图3。

图3 周期控制流程

2.3.2.2 刚性控制方法

当台区总负荷低于台区负荷设定阈值，原则上不执行刚性控制。当台区总负荷高于台区负荷设定阈值，若此时台区内柔性调节额度尚未完全使用完毕（所有支持柔性调节的充电桩均未调节完毕），原则上不执行刚性控制；若此时台区内柔性调节额度全部使用完毕（所有支持柔性调节的充电桩均已柔性调节完毕），则对不支持柔性调节指令和无法响应功率调节指令的充电桩进行刚性控制。

3 结束语

通过对台区能源控制器与充电桩智能控制器的交互需求的分析，制定了台区能源控制器与充电桩智能控制器的交互业务流程，具体包括充电需求发起、充电执行、状态监控、结束充电等。在此流程基础上，进一步制定了两者的采集数据类型、频率、策略，以及刚性和柔性结合的控制策略。通过本地控制策略算法，充分发挥了能源控制器台区本地自治功能，能够有效降低电动汽车充电对电网的冲击和影响，让电网运行更经济、更安全。