规模化电动汽车有序充电的系统架构和场景分析
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作者:李建克 张然
摘 要：目前我国电动汽车市场规模快速增长，在经济发达城市的部分小区已经形成了规模化充电需求。规模化电动汽车无序充电会对电网安全、经济、可靠运行带来巨大挑战，并会导致电动汽车充电需求无法及时满足。因此通过有序充电控制，实现电动汽车充电负荷与配电网供电能力相匹配，可保障电动汽车电能供给和电网运行安全，提升电网设备利用率，促进清洁能源消纳。
关键词：电动汽车;有序充电;充电策略
随着近几年国家对电动汽车产业的大力扶持，充电设施行业也同步得到了快速发展，大量充电桩被安装到商场、写字楼、居民区等停车场。充电设备接入电网后对配电网负荷和电能质量的影响以及如何减少其负面影响，已成为本行业关注的热点问题，而有序充电的概念随之产生。
1 有序充电系统定位和建设目标
从电网角度讲，有序充电指在满足电动汽车充电需求的前提下，运用实际有效地经济或技术措施引导、控制电动汽车进行充电，对电网负荷曲线进行削峰填谷，使负荷曲线方差较小，减少配网容量建设，保证电动汽车与电网的协调互动发展。实现电动汽车的有序充电，首先是电动汽车充电设备接入，并支持对充电设备的运行监控、运行控制和运营管理，在此基础上通过平台下发有序策略实现充电桩有序充电控制。有序充电系统的建设目的，是防止无序充电导致配电系统过载，同时让用户尽可能低谷充电，便宜充电;对电网公司来讲，是支持削峰填谷，减少配网投资，提升负荷柔性;对公共社会来讲，可以助推电动汽车产业发展，消纳清洁能源，减少充电设施占地。
2 有序充电系统功能及架构
2.1 硬件架构
有序充电系统依托有序控制终端，实现对客户侧充换电设施、储能等设备的统一信息采集与远方调控，建成客户侧能源互联网的数据中心、管理中枢和业务创新平台，为各类客户端应用服务商提供运行环境，为节能与能效、数据价值挖掘等业务提供数据支撑，是有序充电系统的重要组成部分。
有序控制终端设计为具备信息数据采集、存储、通信、策略执行、台区策略制定等功能的新型集中器。作为有序充电策略缓存或策略生成的主要设备，除具备原有集中器功能外，新增有序充电策略生成、有序充电策略转发、台区信息采集及台区识别等功能。可接收平台的有序充电策略，经判断后下发给有序执行终端，实现有序充电控制，同时亦可接收云平台制定的台区日前充电负荷规划，并根据当前台区信息和台区下各充电桩充电情况形成台区当地的充电策略，管理充电桩有序充电资源分配。在超过配变安全运行阈值时调整或中断部分充电负荷。
有序充电桩内应同步配备有序执行终端，具备有序充电本地操作及控制、预约充电申请、充电保护等功能。作为有序充电策略的执行设备，接收并存储来自控制终端或有序充电管理平台的充电计划，通过给充电桩下达指令实现对电动汽车充电的实时功率调节或控制，从而实现电动汽车有序充电。
2.2 通讯架构
有序充電系统通信网络分成有序控制终端与平台信息交互网络、本地设备通信网络、有序执行终端与平台信息交互网络三层网络和执行终端充电控制通信、APP人机交互通信两种通信通道。其中有序控制终端与有序充电服务平台通信方式采用4G/5G无线专网方式;有序控制终端与有序执行终端通信方式采用载波、无线或双模通信方式组网，以适应不同应用区域和应用环境;有序执行终端与用能设备通信方式采用CAN或485模式;用户手机APP与有序充电服务平台通信方式采用4G/5G无线互联网方式，与有序执行终端间采用蓝牙本地通讯方式;充电桩与电动汽车之间通信方式采用PWM跟随通信方式。
3 有序充电业务场景
当用户进行电动汽车充电时，系统应获取用户当前SOC、目标SOC、用车时间等信息，并根据获取的需求信息进行相关控制策略分析，根据分析结果进行控制调度安排。调度方式可分为计划调度和实时调度，计划调度的场景包括尽量优先安排谷段充电，预测容量充足，则满功率调度安排，预测容量不足，则保证用户充电需求前提下，则减载调度安排;预测谷段不能满足充电需求（含容量、用车时间），峰段尽早补充空缺;跟踪一段周期内，占满谷段，拉平峰段，仍不满足台区内充电需求，建议评估扩容。实时调度场景包括监测容量不足时，充电功率等比分摊，可减至最小功率，监测容量充足时，提升到额定功率充电;监测容量严重不足，最小功率充电，若仍不能保证电网安全运行，依序切除后来充电负荷，监测容量充裕时，恢复先来充电负荷。
正常状态下有序充电场景：（1）充电台区现场的有序控制终端实时采集各充电桩运行状态和变压器运行功率（10～15秒），并向云端有序充电服务平台周期上传;（2）云端有序充电服务基于台区配变和充电状态，进行周期滚动优化调度（5～15分钟），并将充电计划下发给控制终端;（3）有序控制终端接受到充电计划后，通过向执行终端下发充电功率设定值，最终通过PWM控制车辆充电功率。
配变运行越限时有序充电场景：（1）有序控制终端在感知到配变越限状态后，立即在既有充电计划基础上进行越限紧急控制;（2）云端有序充电服务平台在其周期滚动计划制定过程中，考虑配变越限因素，向有序控制终端更新充电计划。
4 结语
本文着重分析了电动汽车有序充电系统的软硬件构架和业务场景。发展研究有序充电，是目前国内电动汽车充电行业的重点发展方向。随着电动汽车越来越普及，规模化有序充电的问题亟待解决。通过发展建设有序充电系统，可将电动汽车充电负荷合理地引导到非电网负荷高峰时段充电，降低用户的充电成本，有效提高电网接入充电设施的能力，满足更多的电动汽车充电需求，保障电动汽车产业快速发展。
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作者简介：李建克（1984-），男，汉族，江苏南京人，工学学士，本科，工程师，从事电动汽车充电设施技术研究;张然（1984-），男，汉族，江苏南京人，工学学士，本科，工程师，从事电动汽车充放电技术研究。
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