郝长征 张永红 张少锋

（河南许继仪表有限公司，河南 许昌461000）

随着电动汽车的广泛普及，无序的大功率充电会给电网的安全运行带来一定的风险和影响。建设智慧能源服务系统，实施电动汽车有序充电，对于保障配电网安全运行、提升充电设备利用率、促进清洁能源消纳、提高能源利用效率具有重要意义。本文对智慧能源服务体系建构进行相关讨论，对能源控制器和能源路由器的设计开发进行相关探讨和验证。

1 智慧能源服务系统架构

智慧能源服务系统由智慧能源主站、能源控制器、能源路由器、充电桩、手机APP 等部件组成，以能源控制器为核心（图1）。智慧能源主站布置电力公司内网系统，由前置机和策略中心构成；前置机采用流行的物联网通信协议MQTT与能源控制器连接，策略中心通过安全网关与阿里云中间件连接，阿里云中间件与手机APP 通过MQTT协议通信。前置机为主站系统提供信息中转，负责接收处理能源控制器上报的充电相关事件，然后转发给相关功能模块；接收到业务模块和策略中心下发的控制命令后，组帧转发给能源控制器。策略中心是智慧能源主站的大脑，基于大数据分析生成台区基础负荷预测曲线、台区控制目标负荷曲线，并根据台区实时基础负荷曲线对台区控制目标负荷曲线进行动态调整，并下发给能源控制器对台区充电计划进行宏观调控；当台区总负荷达到台区配变额定容量时，根据设定的策略停止高负荷的充电计划。能源控制器根据主站下发的各类负荷预测曲线，计算台区有序充电负荷预测曲线，结合当前台区实时负荷信息和台区内各充电桩实时充电情况，通过本地控制策略算法，可对新增的充电申请进行充电计划的合理编排。在充电过程中，能源控制器将充分发挥其本地自治的功能，对台区内充电桩进行本地实时调度，在符合配变安全运行要求的前提下，根据最优经济性原则，对正在执行的充电计划进行适当地调整更新，同时充电计划将同步给主站，实现对充电桩有序充电资源分配的本地调度管理。能源路由器受理用户通过手机APP 申请的充电申请，并将充电申请以事件方式通过不同信息通道上报给能源控制器和智慧能源主站。按照“先到先处理，后到忽略”的策略处理通过不同通道接收到的来自主站或能源控制器下发的充电计划，并根据充电计划在指定时间点向充电桩发送启动充电、停止充电或充电功率调节等控制指令。在无法接收主站或能源控制器下发的充电计划时，可优先执行内置的默认充电计划，即保持最低功率连续充电，其优先级较低，在通讯恢复后主站或能源控制器有新的充电计划输入时替换其默认充电计划。充电控制器（充电桩）通过充电接口与用户的电动汽车连接，负责接收来自能源路由器的充电启停命令；发送故障时通过CAN 总线将故障信息上报给能源路由器。

图1

2 能源控制器设计

能源控制器基于I 型集中器平台开发，原有平台具备与主站通过用电信息采集协议通信和下行抄表功能，需要根据智慧能源服务系统业务需求进行相关扩充。

2.1 物联网通信协议开发。传统的I 型集中器只支持通过电力行业通信协议与主站进行通信，不支持MQTT这类物联网协议。开发MQTT协议既可以自主研发，也可以移植开源项目。因原有的平台与GPRS 模块通信采用AT 指令进行通信，为兼容原有通信方式，采用下载开源MQTT源代码在工程中直接引用的方式。这种方式可以直接获取MQTT协议数据包，更加灵活高效。

2.2 有序充电类事件解析处理。常规的电表数据采集采用能源控制器周期轮询的方式来执行，这种方式无法满足有序充电这类需要快速响应的业务需求。为提高响应速度，需采用能源路由器主动上报的方式。能源路由器受理用户充电申请后，将充电申请以事件形式通过CCO上报给能源控制器；能源路由器开始执行来自主站或能源控制器的充电计划后，生成充电执行事件并通过CCO上报给能源控制器；充电计划执行结束后，能源路由器将结算信息以充电结算事件的形式通过CCO 上报给能源控制器；这些事件的上报需要CCO 提供业务支撑，对原有Q/GDW1376.2 进行适当扩展。能源控制器收到CCO上报的事件后，对事件内容进行解析，根据业务具体需要进行相应处理，组帧上报给智慧能源主站。

2.3 有序充电策略。该功能是能源控制器核心功能，其接收智慧能源主站下发控制目标负荷曲线，台区基础负荷预测曲线，计算出可用充电计划的功率曲线P。

Po表示台区控制目标负荷曲线，Pt表示台区基础负荷预测曲线，Pi表示第i 条充电计划曲线。充电功率曲线同时还受以下因素的约束：(1)为保障配电网安全运行，提升充电设备利用率，计算出的充电功率曲线应在满足用户充电需求的前提下尽可能保障电网负荷曲线平滑。(2)为保护用户充电设备安全，充电功率不能忽大忽小，更不能在充电过程中的某个时段功率为零。其他还需要考虑用户使用习惯、节假日、天气等因素影响。可先在仿真软件上模拟验证，然后生成相关算法库。考虑到嵌入式系统的计算能力有限，算法的复杂度不能太高。在充电过程中，能源控制器应根据实际的台区基础负荷曲线对现有的充电计划进行调优。为保证整个系统的安全可靠，计划调整不能太频繁，能源控制器每15 分钟刷新一次充电计划库，每次只对偏差最大且大于20%充电计划进行调整。如果有充电计划被用户提前结束，则在完成充电结算后对充电计划调整一次。

2.4 台区负荷监测。能源控制器周期性轮询台区总表负荷曲线，当台区负荷达到或超过台区配变额定容量时生成台区越限事件，并立即上报给智慧能源主站。

3 能源路由器设计

能源路由器基于多芯单相表平台开发，除了具有常规的计量功能，在该应用场景中它还是典型的末端感知设备。

3.1 充电申请受理。能源路由器密闭于充电桩壳体内，在充电桩壳体上粘贴二维码，二维码中包含能源路由器蓝牙地址、路由器编号、充电桩编号等信息，该信息进行加密处理。用户通过手机APP 扫描二维码，经APP 解密后获取蓝牙地址等信息，与能源路由器建立连接。用户在APP 上选择车辆品牌信息、车辆型号、电池剩余电量百分比、预充电量百分比、取车时间等信息。APP 根据服务器上存储的车辆品牌、型号信息，计算出需求充电量，向能源路由器发送充电申请。能源路由器确认用户充电申请，生成充电申请事件，通过HPLC 通道上报给CCO，同时通过用户的手机APP 上传给智慧能源主站。

3.2 充电计划执行。能源路由器接收能源控制器通过HPLC发送的充电计划，同时接收智慧能源主站通过用户手机APP 下发的充电计划。充电计划中包含充电申请序号信息，对于同一充电申请，能源路由器按照“先到先处理，后到忽略”的策略处理。充电计划执行后，将充电计划以事件形式同时上报给能源控制器和智慧能源主站。

3.3 充电结算。充电计划正常结束或者用户提前充电时，能源路由器记录用户开始充电时电能示值和结束充电时电能示值，生成充电结算事件,然后通过HPLC将事件上报给CCO。此时如果用户在现场，则同时通过用户手机APP 上报给智慧能源主站。

3.4 末端感知。能源路由器具备下行通信能力，周期性通过CAN 总线采集充电桩的工作状态。充电开始时发送充电启动命令，充电结束时发送充电停止命令。当监测到充电桩故障时，生成充电桩故障事件，并通过HPLC上报给能源控制器。

4 结论

目前我们已经按照智慧能源服务架构完成能源控制器、能源路由器的设计开发工作，并与智慧能源主站系统进行联调测试。在山东、浙江、河南等地区完成挂试验证，取得了不错的社会效益和示范效果。