国网湖南省电力有限公司 徐文林 刘立平 威胜信息技术股份有限公司 许 健 丁志龙 韩 韬

随着电动汽车的快速发展，2020年中国电动汽车一共销售了136.7万辆，电动汽车市场渗透率达到5.4%，并且电动汽车的销量有逐年提升的趋势；2020年下半年，《节能与新能源汽车技术路线2.0》《新能源汽车产业发展规划》相继发布，从产业、国家政策层面明确提出至2025年我国新能源新车销量将占总销量20%的目标，再次坚定我国汽车电气化发展方向不动摇。根据国家发改委发布的《电动汽车充电基础设施发展指南》，中国新能源汽车将建立“用户专用桩为主+分散式公共充电桩”为辅的模型，越来越多的家庭将在居民小区为电动汽车进行充电。然而有较高电动汽车渗透率的居民区可能在电网负荷高峰时期出现较大的负荷峰谷差，甚至可能超过原有配电装置的容量限值[1-3]。为提高电动汽车充电安全、兼顾充电体验等方面的需求，有必要在居民小区进行充电桩有序充电控制。随着电网公司智能融合终端的大规模部署，基于智能融合终端硬件平台化、软件APP 化的性能，本文提出了一种基于边缘计算的实施方案，实现配电台区负载动态限制的电动汽车有序充电控制策略，对保障居民小区配电系统的安全稳定运行和兼顾充电效率有重要的意义。

1 居民小区负载分析

通常来说，居民用户的用电行为特征受到用电设备、居民收入、作息习惯等多种因素的影响[4]，这些影响造成了不同的地区甚至不同的小区负载情况的巨大差异，并且具有随机性，不能用一个统一的数据表达式来描述，但是通过对大量历史数据的监测和总结，可以找到居民小区变压器负荷存在的一些规律。图1为某个小区配电变压器的历史负荷曲线，该曲线表明，在12:00是一个用电负荷高峰，在20:00也有一个用电负荷高峰，最大负荷值约为3100kW，变压器的最大负载能力3633kW。如果电动汽车无序充电，在20:00用电负荷高峰时，接入超过10辆电动汽车，每辆电动汽车充电功率为7kW，则用电负荷将达到3700kW，超过变压器的最大负载能力，对变压器的安全运行造成隐患。

根据住宅区常规负荷曲线分析，可以利用负荷曲线对电动车进行有序充电，在负荷高峰期，控制电动汽车低功率充电或不充电，在负荷低谷期间，如在0:00～8:00之间，可以控制电动汽车充电功率提高，为实现有序充电提供了基础条件。

2 充电负载需求

本文以电动汽车在居民小区的安全并且有序充电的需求为研究对象，在保障变压器不过载的基础上，充分满足居民小区电动汽车的充电需求。由于居民小区内电动汽车停留时间较为固定[4]，大多数电动汽车车主每天早晨从住宅区出发，傍晚驾车回到小区，傍晚至第二天早晨为可充电的时间，基于居民小区电动汽车用户的出行习惯，重点研究当日傍晚用户回家到第二天早上用户离开这段时间内的电动汽车有序充电控制策略和控制方案，使得配电变压器不过载运行，并且通过智能融合终端就地控制电动汽车的有序充电。

影响居民小区电动汽车充电负荷曲线的关键因素为接入电网充电的电动汽车数量、每辆电动汽车的充电功率、充电开始时间和持续时间，可以预见，随着电动汽车的渗透率越来越高，有充电需求的电动汽车数量增加，电动汽车充电负荷会明显增加，并且与用电负荷重叠，对电动汽车充电负荷进行有序控制是十分必要的。

居民小区的电动汽车充电桩基本都是交流充电桩，其额定充电功率为7kW，对主流电动汽车而言，车载电池从低于5%的电量充电至80%左右的电量，充电时长约为5小时，因此，在居民小区对电动汽车充电进行有序控制，错开居民用电负荷高峰进行充电，是可行的。

统计调查显示，由于“即用即充”的充电方式有利于延长电动汽车电池的使用寿命，大多数用户并不会在车辆电量耗完才选择充电。以40辆电动汽车需要进行充电为例，交流充电功率为7kW，起始充电时刻满足正态分布，接入电网充电的时间为17:00～19:00之间，模拟该充电场景，在没有进行有序充电控制的情况下，电动汽车充电功率将从0快速攀升至280kW，与用电负荷叠加，非常容易造成变压器过载，该场景下电动汽车充电负荷曲线如图2所示。

图2 电动汽车充电负荷曲线

小区居民电动汽车的充电场景为小区停车场，充电桩分布安装在停车位附近，配电变压器与充电桩经过配电箱进行电气连接；智能融合终端安装在变压器侧，通过加装电流互感器、接入电压的方式监测配电变压器的电压和总电流，计算功率，获得住宅小区配电的实时负荷信息；智能融合终端与智能交流充电桩通过载波或微功率无线进行双向交互通信，融合终端可对智能交流充电桩的充电功率进行调节控制。

在电动汽车无序接入电网开始“即用即充”的模式下，单辆电动汽车的充电功率为7kW，直到充满电才停止充电，这种情况下，住宅小区的用电负荷曲线和充电负荷曲线叠加，容易在17:00～23:00之间造成“峰峰叠加”的现象，出现变压器严重过载的现象，线路过热，这种情况是应该要从技术角度进行控制以避免出现的。无序充电模式下，各负荷变化曲线如图3所示。

图3 无序充电模式下的各负荷曲线

3 有序充电控制策略

在有序充电模式下，可以保证配电网正常运行和变压器不过载，并尽最大可能满足用户充电的需求。当电动汽车驶入小区充电站进行充电时，车载充电机连接交流充电桩，充电机与智能融合终端交互，由智能融合终端实时采集配变总负荷、所有交流充电桩充电功率数据，以配变负载率为约束条件，考虑配变负荷变化趋势、各充电桩充电时长和充电功率，通过有序充电APP 控制各充电桩的启停、充电功率输出等级，控制优化每辆电动汽车充电。

3.1 有序充电控制方案

有序充电系统主要有智能融合终端、智能交流充电桩组成。智能融合终端是住宅配电台区边缘计算控制的管理平台，以有序充电APP 方式实现有序充电策略的执行；智能融合终端集成本地通信单元主机，通信方式为宽带载波HPLC 以及微功率无线双模的通信方式；智能交流桩充电桩支持以HPLC 或微功率无线的方式与本地通信单元主机通信，智能融合终端通过通信命令控制智能交流桩执行不同的充电功率，以实现调节总体充电功率，实现有序充电的目的。

3.2 智能融合终端

智能融合终端一般安装在低压综合配电箱、箱变、配电房等，智能融合终端作为有序充电系统的智能控制平台，具备数据采集、管理与实时监控能力。通过专用网络采集配电系统信息，获取当前区域内电网负荷情况，预测电网背景负荷曲线和充电所需总能量，计算理想充电负荷，同时依据负荷模型生成负荷调整计划指令下发至能源路由器，实时调整充电桩的输出功率，保证电网安全运行；采用标准的通信接口、面向对象的互操作性数据交换协议和物联网协议，实现对所辖区域内能源设备计量数据、工况信息、发、充、放电实时数据、台变实时数据的全面采集。

智能融合终端基于电力物联网开放共享理念，软件平台基于电力统一操作系统深化设计，打造硬件+统一操作系统+APP 的设计架构，一方面实现硬件与操作系统解耦，兼容不同硬件选型，不与单一器件绑定；另一方面统一操作系统与APP 层解耦，实现对不同软件开发者的统一接入及兼容共享。数据库管理APP、无线公网/专网通信APP、本地抄表APP、无功补偿APP 等不同的APP 体现了不同的应用场景，电动汽车有序充电APP 便是为了实现交流充电桩有序充电控制而设计，以达到配电网正常运行和变压器不过载且用户充电需求得到充分满足的目的。

3.3 智能交流充电桩

智能交流充电桩额定功率为7kW，额定输出电压为AC220V，额定输出电流分为32A，具备RS485通信接口，可以通过通信命令的方式调节充电功率，调节充电功率为7kW 或者1.5kW，通过对RS485通信接口配置微功率无线通信或载波通信接口，可以实现免布线通信控制。交流充电桩与电动汽车车载充电机配合，可以实现充电功率的梯度调节，为电动汽车提供不同功率的充电。充电桩由桩体、电气模块、计量模块和通信管理模块四部分组成。壁挂式充电桩适合在各种停车场和路边停车位进行墙面安装，或者通过落地立柱进行地面安装。

3.4 本地通信方式

用电信息采集系统建设是建设坚强智能电网的重要内容，国家电网公司各网省公司全面开展用电信息采集系统建设工作[5]。从现场应用的通信方式的效果来看，在本地通信环节还存在一定的局限性，从集中器到载波表或从集中器到采集器层目前采用的通信方式主要有窄带载波、无线通信、窄带载波和无线双模以及宽带载波。宽带载波和无线双模通信由于兼备了两者的优势，在通信距离、通信可靠性、通信速率等性能方面有显著提升[6]。

为实现交流充电桩有序充电的控制，充电桩需要与智能融合终端进行双向通信。在住宅小区场景下，充电桩与融合终端之间的距离不会超过300米，从工程实施兼顾通信可靠性的角度出发，采用宽带载波HPLC 及微功率无线双模的通信方式可以保障良好的通信效果。

3.5 控制策略

本文采用边缘计算方法，在台区内部实现功率限制的住宅区电动汽车有序充电控制策略，其步骤为：

融合终端实时采集台区负载情况，并根据变压器总容量计算配电台区剩余容量；融合终端计算当前电动汽车充电负载；当有新的充电桩充电需求接入时，融合终端计算，当前剩余容量是否满足7kW充电桩接入充电的需求，如果满足，则接受新的充电桩充电接入。如果不满足，则不允许新的充电桩接入充电；当融合终端监测到配电台区负载过载时，计算当前电动汽车充电负载，通过发送有序充电调低充电功率命令，将现有充电桩的充电功率调整至1.5kW，直到配电台区不过载；如果调整完所有充电桩负荷为1.5kW 仍过载，则通过发送有序充电停止充电命令，将有充电桩充电功率调整至0；融合终端通过实时计算配电台区剩余容量，和充电桩当前负荷，当配电台区剩余容量增加时，则开放有序充电桩充电接入；如果有充电桩被调整为1.5kW 低功率充电，则由融合终端发送有序充电调高充电功率命令，将充电桩充电功率调整至7kW。

其控制流程如图4所示。

图4 有序充电控制流程

4 结语

本文所研究的有序充电方案以智能融合终端为硬件平台，不新增额外投资，采用宽带载波及微功率无线双模作为本地通信方式，保障了本地台区内通信的可靠性；以有序充电APP 为管控核心，执行有序充电就地控制策略，控制电动汽车有序充电。本文所提的一种基于边缘计算的居民小区电动汽车有序充电控制策略和实施方案，在有序充电模式下，可以保证配电网正常运行和变压器不过载，并尽最大可能满足用户充电的需求。本文所提方法实施简单、投资小、效果明显，有利于推行实际应用，通过对有序充电策略的不断优化，通过升级有序充电APP，可不断完善有序充电控制策略，达到更好的控制效果。