雙預(yù)測(cè)交流充電樁-蓄電池充電機(jī)基于高速窄帶載波的智能有序充電系統(tǒng)
2018-9-27 9:42:58??????點(diǎn)擊：
在小區(qū)配電變壓器旁安裝智能有序管理終端（IOMU），引入短期基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，基于充電樁-蓄電池充電機(jī)供電線路采用高速窄帶載波通信方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各充電樁-蓄電池充電機(jī)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和信息交互。
結(jié)合各充電樁-蓄電池充電機(jī)用戶充電量預(yù)測(cè)，采用主從式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)接入的每輛電動(dòng)汽車有序充電規(guī)劃，確保充電過程中既考慮用戶經(jīng)濟(jì)性，又兼顧電網(wǎng)安全性，實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車智能有序充電。同時(shí)，搭建實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行安全經(jīng)濟(jì)功能驗(yàn)證，為將來電網(wǎng)消納規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入提供方案參考和基礎(chǔ)技術(shù)支持。
近年來，中央和地方政府連續(xù)出臺(tái)的一系列政策推動(dòng)了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]，電動(dòng)汽車有望得到迅速普及。規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的安全影響也越來越受到政府和電網(wǎng)公司重 視[2-3]。
其中，對(duì)于新建住宅小區(qū)來說，政策已規(guī)定建停車位必須100%配置充電樁-蓄電池充電機(jī)，電網(wǎng)公司在配置該小區(qū)的變壓器容量時(shí)已考慮對(duì)應(yīng)充電負(fù)荷，后期用戶充電負(fù)荷的無序利用，除了經(jīng)濟(jì)性較差外，對(duì)小區(qū)內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)安全性影響較小。
然而，對(duì)于大量的已建小區(qū)來說，建成時(shí)變壓器容量并未考慮充電負(fù)荷，后期的充電樁-蓄電池充電機(jī)改造成功后，因小區(qū)電動(dòng)汽車用戶停車充電習(xí)慣，會(huì)出現(xiàn)充電負(fù)荷與用戶負(fù)荷高峰的疊加，任由用戶的無序充電會(huì)對(duì)小區(qū)電網(wǎng)的安全存在重大隱患，用戶經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)安全性均得不到保障[4-5]，阻礙了電動(dòng)汽車的推廣使用。
針對(duì)已建小區(qū)增建充電樁-蓄電池充電機(jī)帶來的小區(qū)變壓器安全問題，當(dāng)前已有很多高校和科研院所展開了大量研究，文獻(xiàn)[6]提出一種針對(duì)住宅小區(qū)的在線和離線相結(jié)合的限功率有序充電策略，制定用戶充電優(yōu)先級(jí)，并通過Matlab仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[7]在綜合用戶用車出行規(guī)律、電池狀態(tài)和用戶意愿條件下給出以削減峰谷差為目的充電負(fù)荷分配策略模型，并給出了仿真驗(yàn)證。
文獻(xiàn)[8]基于峰谷電價(jià)給出家用電動(dòng)汽車小區(qū)有序充電控制方法，并采用序貫蒙特卡洛仿真進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]從需求分析角度，引入虛擬充電單元概念建立一種從電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行到充電終端的分層分布實(shí)施架構(gòu)。
文獻(xiàn)[10]提出網(wǎng)格選取法，以預(yù)防配電變壓器過載荷實(shí)現(xiàn)收益最大化為目標(biāo)，設(shè)計(jì)最優(yōu)網(wǎng)格選取結(jié)果，并給出算例仿真。文獻(xiàn)[11]提出計(jì)及充電請(qǐng)求預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)淖≌瑓^(qū)電動(dòng)汽車有序充電控制策略，構(gòu)建一種使系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)最小的有序充電控制模型。
綜合以上分析，可見目前行業(yè)內(nèi)學(xué)者專家均已意識(shí)到將來規(guī)模化電動(dòng)汽車無序充電會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全產(chǎn)生潛在安全影響，并提出各種理論策略模型。但是這些有序充電模型基本都是建立在模擬仿真驗(yàn)證上，缺少實(shí)際的充電驗(yàn)證，且研究中小區(qū)交流慢充有序充電模型幾乎都是建立在可通過交流充電樁-蓄電池充電機(jī)獲得待充汽車剩余SOC基礎(chǔ)上的，可目前按我國國標(biāo)技術(shù)生產(chǎn)運(yùn)行的充電樁-蓄電池充電機(jī)是無法獲取接入充電汽車的剩余SOC，可見輸出的研究成果理論指導(dǎo)性強(qiáng)，實(shí)用指導(dǎo)性弱。
本文通過在小區(qū)配電變壓器旁安裝智能有序管理終端（IOMU），引入短期基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[12]，基于充電樁-蓄電池充電機(jī)供電線路采用高速窄帶載波通信方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各充電樁-蓄電池充電機(jī)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和信息交互，結(jié)合各充電樁-蓄電池充電機(jī)用戶充電量預(yù)測(cè)，采用主從式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)接入的每輛電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充電規(guī)劃，確保充電過程中既考慮用戶經(jīng)濟(jì)性，又兼顧電網(wǎng)安全性，實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車智能有序充電。同時(shí)，搭建實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，整體技術(shù)系統(tǒng)為將來電網(wǎng)消納規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入提供方案參考和基礎(chǔ)技術(shù)支持。
1 智能有序充電架構(gòu)
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)
本文以已建小區(qū)充電樁-蓄電池充電機(jī)后續(xù)增建為背景，在小區(qū)配電變壓器旁安裝智能有序管理終端，通過通信主子節(jié)點(diǎn)基于交流電力線組成通信網(wǎng)絡(luò)，使用高速窄帶電力線載波與區(qū)內(nèi)建設(shè)的各充電樁-蓄電池充電機(jī)單元互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)信息交互。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 智能有序充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
小區(qū)變壓器側(cè)的IOMU在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的變壓器監(jiān)測(cè)功能外，需增加基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)、智能有序充電規(guī)劃功能。充電樁-蓄電池充電機(jī)除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的交流慢充功能外，還實(shí)現(xiàn)用戶人機(jī)接口，充電量預(yù)測(cè)功能。系統(tǒng)整體控制方式采用主從控制模式，IOMU作為系統(tǒng)內(nèi)主控核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各充電樁-蓄電池充電機(jī)充電時(shí)間的分配，充電樁-蓄電池充電機(jī)在系統(tǒng)中處于從屬地位接受IOMU管理，實(shí)現(xiàn)智能有序充電。
1.2 通信網(wǎng)絡(luò)
小區(qū)充電樁-蓄電池充電機(jī)的安裝環(huán)境在地下車庫，車庫建筑環(huán)境復(fù)雜，遮擋較多，無線信號(hào)傳輸受到限制，且以太網(wǎng)和光纖通信存在額外布線和成本過高缺點(diǎn)。本文采用G3_PLC高速窄帶電力線載波技術(shù)[13-14]，可有效克服上述缺點(diǎn)，IOMU側(cè)的通信主節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)開始階段先對(duì)所有申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的充電樁-蓄電池充電機(jī)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全認(rèn)證，認(rèn)證成功后分配網(wǎng)絡(luò)PAN ID和設(shè)備標(biāo)識(shí)ID，在兩者間建立一個(gè)安全信道。流程如圖2所示。
圖中安全認(rèn)證流程在各通信節(jié)點(diǎn)的6LoWPAN適配層[15]完成，內(nèi)部硬件集成AES-128加密引擎為認(rèn)證提供算法支持，具體應(yīng)用中的認(rèn)證流程為：1）IOMU側(cè)主節(jié)點(diǎn)初始化成功后，基于小區(qū)低壓供電母線形成一個(gè)PAN_ID標(biāo)識(shí)的局域網(wǎng)；2）交流充電樁-蓄電池充電機(jī)側(cè)子節(jié)點(diǎn)上電后，通過其供電電力線，發(fā)起request請(qǐng)求，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。
圖2 交流充電樁-蓄電池充電機(jī)加入網(wǎng)絡(luò)流程
3）主節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后發(fā)起EAP-PSK認(rèn)證流程，和請(qǐng)求入網(wǎng)的通信終端通過4條MSG報(bào)文完成認(rèn)證，如圖2所示，MSG報(bào)文中Flags為EAP協(xié)議的報(bào)頭部分，ID_S、ID_P為預(yù)設(shè)的EUI-64 MAC地址，RAND_P和RAND_S分別為主子節(jié)點(diǎn)生成的128bit隨機(jī)數(shù)，報(bào)文中認(rèn)證碼的計(jì)算方式如式（1）和式（2）所示：
MAC_S=CMAC-AES-128(AK,ID_S||RAND_P)（1）
MAC_P=CMAC-AES-128(AK,ID_P||ID_S|| RAND_S||RAND_P) （2）
未認(rèn)證的和認(rèn)證失敗的子設(shè)備無法獲取對(duì)應(yīng)的ID，不能和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可保障數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)陌踩浴?br />
2 小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)
圖3 小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷短期預(yù)測(cè)模型
模型建立過程：
2）居民小區(qū)配電變壓器短期負(fù)荷受節(jié)假日影響較大，對(duì)分解后的分量及日期類型進(jìn)行歸一化處理，節(jié)假日類型為1，工作日類型為0。
3）居民小區(qū)配電變壓器短期負(fù)荷受外界各種因素影響，對(duì)其的預(yù)測(cè)單一采用一種方法不能達(dá)到較好的效果，針對(duì)各IMF分量在頻域及時(shí)域上的不同特點(diǎn)，分別采取不同預(yù)測(cè)模型。由于EMD分解的余項(xiàng)存在明顯的線性特征，采用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)；余下IMF分量采用支持向量機(jī)[17]（support vector machine, SVM）對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。在構(gòu)建預(yù)測(cè)模型時(shí)還需要考慮氣溫的影響（當(dāng)天的最高溫度和平均溫度），并將其作為模型的一組輸入。
4）SVM和線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的泛化學(xué)習(xí)能力與其參數(shù)選擇有很大關(guān)系，采用收斂速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的粒子群算法[18]（particle swarm optimization, PSO）來解決負(fù)荷預(yù)測(cè)問題中的參數(shù)優(yōu)化問題。
模型建立后，IOMU在每隔6h調(diào)用該模型，預(yù)測(cè)出小區(qū)后續(xù)短期基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。
3 充電樁-蓄電池充電機(jī)充電量預(yù)測(cè)
電動(dòng)汽車每次充電完成之后，充電樁-蓄電池充電機(jī)記錄本次充電的累積時(shí)長(zhǎng)，充電的電能量W，并將本次充電數(shù)據(jù)保存在充電樁-蓄電池充電機(jī)內(nèi)，同時(shí)充電樁-蓄電池充電機(jī)記錄下歷史最大充電電能量Wmax、歷史最小充電電能量Wmin及平均充電電能量Wavg及各自對(duì)應(yīng)的充電功率曲線。
用戶拔槍充電后，通過三次指數(shù)平滑法進(jìn)行本次的充電電能量的預(yù)測(cè)。充電量預(yù)測(cè)是基于每次充電的最終總充電數(shù)據(jù)進(jìn)行，智能有序管理只是優(yōu)化了充電量的充電時(shí)間分配，并未改變單次總充電量，不會(huì)對(duì)充電量預(yù)測(cè)造成影響。由于算法需要原始數(shù)據(jù)，因此新樁的前幾次不進(jìn)行智能規(guī)劃充電，直接進(jìn)行正常充電。
4 智能有序充電
用戶插電充電時(shí)，充電樁-蓄電池充電機(jī)通過人機(jī)接口提示與用戶交互，獲取用戶充電意圖。如選有序充電，則充電樁-蓄電池充電機(jī)獲取用戶輸入信息，進(jìn)行充電量預(yù)測(cè)，通過通信網(wǎng)絡(luò)與IOMU進(jìn)行信息交互，IOMU結(jié)合基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，進(jìn)行智能充電規(guī)劃，并將計(jì)劃充電時(shí)間反饋給對(duì)應(yīng)充電樁-蓄電池充電機(jī)。如不選擇有序充電，考慮安全按照歷史最大充電量充電，同時(shí)計(jì)劃充電時(shí)間就設(shè)置成當(dāng)前時(shí)間。
充電樁-蓄電池充電機(jī)接收到IOMU的反饋信息后按計(jì)劃時(shí)間進(jìn)行充電。充電時(shí)的結(jié)束條件存在兩種情況：①充電量到時(shí)，電池還未滿電，正常結(jié)束；②預(yù)測(cè)充電量還有剩余時(shí)，電池接近滿電，電池會(huì)自動(dòng)停止接收電能。流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總流程圖
IOMU中的智能有序充電規(guī)劃分為安全性規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃兩個(gè)方面，安全性規(guī)劃以判斷充電時(shí)疊加負(fù)荷是否超過負(fù)荷告警線（過載點(diǎn)）為依據(jù)，經(jīng)濟(jì)性以滿足安全性規(guī)劃后以費(fèi)率為判斷基準(zhǔn)的電費(fèi)最少，具體流程如圖5所示。
圖5 智能有序規(guī)劃流程圖
安全性規(guī)劃：IOMU將本次充電負(fù)荷疊加到實(shí)時(shí)負(fù)荷曲線上，檢查是否存在負(fù)荷過載點(diǎn)。如果存在，說明本次充電存在安全問題，需要根據(jù)過載點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)分割出疊加后不過載的時(shí)間段，然后分析這些時(shí)間段是否滿足預(yù)估充電量的時(shí)間要求，滿足的話選出全部時(shí)間段，不滿足則只選取最大兩個(gè)時(shí)間段。如不存在則選出全部可行充電時(shí)間段。
經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃：經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃以費(fèi)率為判斷依據(jù)，選擇所有可行充電時(shí)段中經(jīng)濟(jì)性最佳的充電時(shí)間段，如果時(shí)間段惟一則將該時(shí)間段下發(fā)給對(duì)應(yīng)充電樁-蓄電池充電機(jī)，同時(shí)疊加實(shí)時(shí)負(fù)荷，如果時(shí)間段不惟一，則按就近原則選取最靠近時(shí)間段，同樣執(zhí)行下發(fā)和疊加負(fù)荷，完成一次智能有序規(guī)劃流程。
5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
本文搭建實(shí)際系統(tǒng)展開智能有序充電驗(yàn)證，系統(tǒng)包括1臺(tái)具有智能有序管理功能的IOMU，10臺(tái)交流充電樁-蓄電池充電機(jī)，11臺(tái)載波通信節(jié)點(diǎn)單元。所用交流充電樁-蓄電池充電機(jī)充電功率為2kW，驗(yàn)證充電汽車為江淮iEV4電動(dòng)汽車，汽車電池容量為22kWh，充電現(xiàn)場(chǎng)和充電樁-蓄電池充電機(jī)充電時(shí)人機(jī)接口如圖6所示。
圖6 充電現(xiàn)場(chǎng)和充電樁-蓄電池充電機(jī)人機(jī)接口
峰時(shí)電價(jià)：0.617元/度，6∶00～22∶00。谷時(shí)電價(jià)：0.307元/度，22∶00～次日6∶00。IOMU中初始預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線模擬如圖7所示。
圖7 模擬預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線
5.1 mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />
系統(tǒng)內(nèi)充電樁-蓄電池充電機(jī)、IOMU、通信節(jié)點(diǎn)上電后，按上文流程組成通信網(wǎng)落，各子節(jié)點(diǎn)獲得主節(jié)點(diǎn)分配的網(wǎng)內(nèi)惟一標(biāo)識(shí)ID，具體分配的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ID如下：
通信主節(jié)點(diǎn)：ID=0x00；通信子節(jié)點(diǎn)：ID=0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，0x06，0x07，0x08，0x09，0x0A
圖8所示為系統(tǒng)中10個(gè)子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。
圖8 系統(tǒng)通信mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />
通信網(wǎng)絡(luò)中采用了LOADng路由技術(shù)[19]，在原來的LOAD基礎(chǔ)上增加了非對(duì)稱路由路徑選擇，減少路由廣播報(bào)文的發(fā)送等修改，保證了載波通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。由圖8可看出，最大路由深度為2跳，其路由路徑選擇較均勻，為數(shù)據(jù)通信時(shí)提供可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)保障。
5.2 充電檢驗(yàn)
組網(wǎng)成功后，IOMU即可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各充電樁-蓄電池充電機(jī)充電進(jìn)行智能管理，實(shí)驗(yàn)采用3臺(tái)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，充電人機(jī)輸入和預(yù)測(cè)電量見表1。
表1 實(shí)驗(yàn)充電樁-蓄電池充電機(jī)輸入
可以看到未有序管理的充電時(shí)間疊加在峰值時(shí)間段，經(jīng)過有序管理的充電時(shí)間段分配在谷時(shí)時(shí)間段，經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)，如圖9所示。同時(shí)調(diào)整充電汽車預(yù)估電量，增加電量后再驗(yàn)證電網(wǎng)安全性，未智能管理的充電負(fù)荷疊加出現(xiàn)負(fù)荷越限，智能有序充電的則有效設(shè)置充電時(shí)間段，避開負(fù)荷高峰，實(shí)現(xiàn)小區(qū)安全用電，如圖10所示。
圖9 普通充電與智能充電經(jīng)濟(jì)性
圖10 普通充電與智能充電安全性
結(jié)論
利用小區(qū)配電變壓器側(cè)IOMU作為小區(qū)充電樁-蓄電池充電機(jī)充電管理核心單元，引入基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)，配合充電樁-蓄電池充電機(jī)充電量預(yù)測(cè)，在現(xiàn)有電力線上利用高速窄帶載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信組網(wǎng)，與小區(qū)內(nèi)交流充電樁-蓄電池充電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，完成智能有序充電。系統(tǒng)實(shí)施將有效解決將來老舊小區(qū)充電樁-蓄電池充電機(jī)改造帶來的原配電容量限制問題。
但是本文研究以配電網(wǎng)下小區(qū)為單位，系統(tǒng)只智能管理小區(qū)內(nèi)的充電負(fù)荷，在小區(qū)配電變壓器范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)充電，未考慮小區(qū)整體負(fù)荷對(duì)上游配電線路的影響，后續(xù)可將配電線路線損作為優(yōu)化目標(biāo)，加入到小區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)中，在考慮充電負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性同時(shí)兼顧配電線路線損，為配電網(wǎng)將來消納規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入提供一種適用技術(shù)方案。
結(jié)合各充電樁-蓄電池充電機(jī)用戶充電量預(yù)測(cè)，采用主從式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)接入的每輛電動(dòng)汽車有序充電規(guī)劃，確保充電過程中既考慮用戶經(jīng)濟(jì)性，又兼顧電網(wǎng)安全性，實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車智能有序充電。同時(shí)，搭建實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行安全經(jīng)濟(jì)功能驗(yàn)證，為將來電網(wǎng)消納規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入提供方案參考和基礎(chǔ)技術(shù)支持。
近年來，中央和地方政府連續(xù)出臺(tái)的一系列政策推動(dòng)了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]，電動(dòng)汽車有望得到迅速普及。規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的安全影響也越來越受到政府和電網(wǎng)公司重 視[2-3]。
其中，對(duì)于新建住宅小區(qū)來說，政策已規(guī)定建停車位必須100%配置充電樁-蓄電池充電機(jī)，電網(wǎng)公司在配置該小區(qū)的變壓器容量時(shí)已考慮對(duì)應(yīng)充電負(fù)荷，后期用戶充電負(fù)荷的無序利用，除了經(jīng)濟(jì)性較差外，對(duì)小區(qū)內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)安全性影響較小。
然而，對(duì)于大量的已建小區(qū)來說，建成時(shí)變壓器容量并未考慮充電負(fù)荷，后期的充電樁-蓄電池充電機(jī)改造成功后，因小區(qū)電動(dòng)汽車用戶停車充電習(xí)慣，會(huì)出現(xiàn)充電負(fù)荷與用戶負(fù)荷高峰的疊加，任由用戶的無序充電會(huì)對(duì)小區(qū)電網(wǎng)的安全存在重大隱患，用戶經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)安全性均得不到保障[4-5]，阻礙了電動(dòng)汽車的推廣使用。
針對(duì)已建小區(qū)增建充電樁-蓄電池充電機(jī)帶來的小區(qū)變壓器安全問題，當(dāng)前已有很多高校和科研院所展開了大量研究，文獻(xiàn)[6]提出一種針對(duì)住宅小區(qū)的在線和離線相結(jié)合的限功率有序充電策略，制定用戶充電優(yōu)先級(jí)，并通過Matlab仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[7]在綜合用戶用車出行規(guī)律、電池狀態(tài)和用戶意愿條件下給出以削減峰谷差為目的充電負(fù)荷分配策略模型，并給出了仿真驗(yàn)證。
文獻(xiàn)[8]基于峰谷電價(jià)給出家用電動(dòng)汽車小區(qū)有序充電控制方法，并采用序貫蒙特卡洛仿真進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]從需求分析角度，引入虛擬充電單元概念建立一種從電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行到充電終端的分層分布實(shí)施架構(gòu)。
文獻(xiàn)[10]提出網(wǎng)格選取法，以預(yù)防配電變壓器過載荷實(shí)現(xiàn)收益最大化為目標(biāo)，設(shè)計(jì)最優(yōu)網(wǎng)格選取結(jié)果，并給出算例仿真。文獻(xiàn)[11]提出計(jì)及充電請(qǐng)求預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)淖≌瑓^(qū)電動(dòng)汽車有序充電控制策略，構(gòu)建一種使系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)最小的有序充電控制模型。
綜合以上分析，可見目前行業(yè)內(nèi)學(xué)者專家均已意識(shí)到將來規(guī)模化電動(dòng)汽車無序充電會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全產(chǎn)生潛在安全影響，并提出各種理論策略模型。但是這些有序充電模型基本都是建立在模擬仿真驗(yàn)證上，缺少實(shí)際的充電驗(yàn)證，且研究中小區(qū)交流慢充有序充電模型幾乎都是建立在可通過交流充電樁-蓄電池充電機(jī)獲得待充汽車剩余SOC基礎(chǔ)上的，可目前按我國國標(biāo)技術(shù)生產(chǎn)運(yùn)行的充電樁-蓄電池充電機(jī)是無法獲取接入充電汽車的剩余SOC，可見輸出的研究成果理論指導(dǎo)性強(qiáng)，實(shí)用指導(dǎo)性弱。
本文通過在小區(qū)配電變壓器旁安裝智能有序管理終端（IOMU），引入短期基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[12]，基于充電樁-蓄電池充電機(jī)供電線路采用高速窄帶載波通信方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各充電樁-蓄電池充電機(jī)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和信息交互，結(jié)合各充電樁-蓄電池充電機(jī)用戶充電量預(yù)測(cè)，采用主從式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)接入的每輛電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充電規(guī)劃，確保充電過程中既考慮用戶經(jīng)濟(jì)性，又兼顧電網(wǎng)安全性，實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車智能有序充電。同時(shí)，搭建實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，整體技術(shù)系統(tǒng)為將來電網(wǎng)消納規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入提供方案參考和基礎(chǔ)技術(shù)支持。
1 智能有序充電架構(gòu)
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)
本文以已建小區(qū)充電樁-蓄電池充電機(jī)后續(xù)增建為背景，在小區(qū)配電變壓器旁安裝智能有序管理終端，通過通信主子節(jié)點(diǎn)基于交流電力線組成通信網(wǎng)絡(luò)，使用高速窄帶電力線載波與區(qū)內(nèi)建設(shè)的各充電樁-蓄電池充電機(jī)單元互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)信息交互。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 智能有序充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
小區(qū)變壓器側(cè)的IOMU在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的變壓器監(jiān)測(cè)功能外，需增加基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)、智能有序充電規(guī)劃功能。充電樁-蓄電池充電機(jī)除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的交流慢充功能外，還實(shí)現(xiàn)用戶人機(jī)接口，充電量預(yù)測(cè)功能。系統(tǒng)整體控制方式采用主從控制模式，IOMU作為系統(tǒng)內(nèi)主控核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各充電樁-蓄電池充電機(jī)充電時(shí)間的分配，充電樁-蓄電池充電機(jī)在系統(tǒng)中處于從屬地位接受IOMU管理，實(shí)現(xiàn)智能有序充電。
1.2 通信網(wǎng)絡(luò)
小區(qū)充電樁-蓄電池充電機(jī)的安裝環(huán)境在地下車庫，車庫建筑環(huán)境復(fù)雜，遮擋較多，無線信號(hào)傳輸受到限制，且以太網(wǎng)和光纖通信存在額外布線和成本過高缺點(diǎn)。本文采用G3_PLC高速窄帶電力線載波技術(shù)[13-14]，可有效克服上述缺點(diǎn)，IOMU側(cè)的通信主節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)開始階段先對(duì)所有申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的充電樁-蓄電池充電機(jī)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全認(rèn)證，認(rèn)證成功后分配網(wǎng)絡(luò)PAN ID和設(shè)備標(biāo)識(shí)ID，在兩者間建立一個(gè)安全信道。流程如圖2所示。
圖中安全認(rèn)證流程在各通信節(jié)點(diǎn)的6LoWPAN適配層[15]完成，內(nèi)部硬件集成AES-128加密引擎為認(rèn)證提供算法支持，具體應(yīng)用中的認(rèn)證流程為：1）IOMU側(cè)主節(jié)點(diǎn)初始化成功后，基于小區(qū)低壓供電母線形成一個(gè)PAN_ID標(biāo)識(shí)的局域網(wǎng)；2）交流充電樁-蓄電池充電機(jī)側(cè)子節(jié)點(diǎn)上電后，通過其供電電力線，發(fā)起request請(qǐng)求，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。
圖2 交流充電樁-蓄電池充電機(jī)加入網(wǎng)絡(luò)流程
3）主節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后發(fā)起EAP-PSK認(rèn)證流程，和請(qǐng)求入網(wǎng)的通信終端通過4條MSG報(bào)文完成認(rèn)證，如圖2所示，MSG報(bào)文中Flags為EAP協(xié)議的報(bào)頭部分，ID_S、ID_P為預(yù)設(shè)的EUI-64 MAC地址，RAND_P和RAND_S分別為主子節(jié)點(diǎn)生成的128bit隨機(jī)數(shù)，報(bào)文中認(rèn)證碼的計(jì)算方式如式（1）和式（2）所示：
MAC_S=CMAC-AES-128(AK,ID_S||RAND_P)（1）
MAC_P=CMAC-AES-128(AK,ID_P||ID_S|| RAND_S||RAND_P) （2）
未認(rèn)證的和認(rèn)證失敗的子設(shè)備無法獲取對(duì)應(yīng)的ID，不能和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可保障數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)陌踩浴?br />
2 小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)
圖3 小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷短期預(yù)測(cè)模型
模型建立過程：
2）居民小區(qū)配電變壓器短期負(fù)荷受節(jié)假日影響較大，對(duì)分解后的分量及日期類型進(jìn)行歸一化處理，節(jié)假日類型為1，工作日類型為0。
3）居民小區(qū)配電變壓器短期負(fù)荷受外界各種因素影響，對(duì)其的預(yù)測(cè)單一采用一種方法不能達(dá)到較好的效果，針對(duì)各IMF分量在頻域及時(shí)域上的不同特點(diǎn)，分別采取不同預(yù)測(cè)模型。由于EMD分解的余項(xiàng)存在明顯的線性特征，采用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)；余下IMF分量采用支持向量機(jī)[17]（support vector machine, SVM）對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。在構(gòu)建預(yù)測(cè)模型時(shí)還需要考慮氣溫的影響（當(dāng)天的最高溫度和平均溫度），并將其作為模型的一組輸入。
4）SVM和線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的泛化學(xué)習(xí)能力與其參數(shù)選擇有很大關(guān)系，采用收斂速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的粒子群算法[18]（particle swarm optimization, PSO）來解決負(fù)荷預(yù)測(cè)問題中的參數(shù)優(yōu)化問題。
模型建立后，IOMU在每隔6h調(diào)用該模型，預(yù)測(cè)出小區(qū)后續(xù)短期基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。
3 充電樁-蓄電池充電機(jī)充電量預(yù)測(cè)
電動(dòng)汽車每次充電完成之后，充電樁-蓄電池充電機(jī)記錄本次充電的累積時(shí)長(zhǎng)，充電的電能量W，并將本次充電數(shù)據(jù)保存在充電樁-蓄電池充電機(jī)內(nèi)，同時(shí)充電樁-蓄電池充電機(jī)記錄下歷史最大充電電能量Wmax、歷史最小充電電能量Wmin及平均充電電能量Wavg及各自對(duì)應(yīng)的充電功率曲線。
用戶拔槍充電后，通過三次指數(shù)平滑法進(jìn)行本次的充電電能量的預(yù)測(cè)。充電量預(yù)測(cè)是基于每次充電的最終總充電數(shù)據(jù)進(jìn)行，智能有序管理只是優(yōu)化了充電量的充電時(shí)間分配，并未改變單次總充電量，不會(huì)對(duì)充電量預(yù)測(cè)造成影響。由于算法需要原始數(shù)據(jù)，因此新樁的前幾次不進(jìn)行智能規(guī)劃充電，直接進(jìn)行正常充電。
4 智能有序充電
用戶插電充電時(shí)，充電樁-蓄電池充電機(jī)通過人機(jī)接口提示與用戶交互，獲取用戶充電意圖。如選有序充電，則充電樁-蓄電池充電機(jī)獲取用戶輸入信息，進(jìn)行充電量預(yù)測(cè)，通過通信網(wǎng)絡(luò)與IOMU進(jìn)行信息交互，IOMU結(jié)合基礎(chǔ)負(fù)荷曲線，進(jìn)行智能充電規(guī)劃，并將計(jì)劃充電時(shí)間反饋給對(duì)應(yīng)充電樁-蓄電池充電機(jī)。如不選擇有序充電，考慮安全按照歷史最大充電量充電，同時(shí)計(jì)劃充電時(shí)間就設(shè)置成當(dāng)前時(shí)間。
充電樁-蓄電池充電機(jī)接收到IOMU的反饋信息后按計(jì)劃時(shí)間進(jìn)行充電。充電時(shí)的結(jié)束條件存在兩種情況：①充電量到時(shí)，電池還未滿電，正常結(jié)束；②預(yù)測(cè)充電量還有剩余時(shí)，電池接近滿電，電池會(huì)自動(dòng)停止接收電能。流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總流程圖
IOMU中的智能有序充電規(guī)劃分為安全性規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃兩個(gè)方面，安全性規(guī)劃以判斷充電時(shí)疊加負(fù)荷是否超過負(fù)荷告警線（過載點(diǎn)）為依據(jù)，經(jīng)濟(jì)性以滿足安全性規(guī)劃后以費(fèi)率為判斷基準(zhǔn)的電費(fèi)最少，具體流程如圖5所示。
圖5 智能有序規(guī)劃流程圖
安全性規(guī)劃：IOMU將本次充電負(fù)荷疊加到實(shí)時(shí)負(fù)荷曲線上，檢查是否存在負(fù)荷過載點(diǎn)。如果存在，說明本次充電存在安全問題，需要根據(jù)過載點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)分割出疊加后不過載的時(shí)間段，然后分析這些時(shí)間段是否滿足預(yù)估充電量的時(shí)間要求，滿足的話選出全部時(shí)間段，不滿足則只選取最大兩個(gè)時(shí)間段。如不存在則選出全部可行充電時(shí)間段。
經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃：經(jīng)濟(jì)性規(guī)劃以費(fèi)率為判斷依據(jù)，選擇所有可行充電時(shí)段中經(jīng)濟(jì)性最佳的充電時(shí)間段，如果時(shí)間段惟一則將該時(shí)間段下發(fā)給對(duì)應(yīng)充電樁-蓄電池充電機(jī)，同時(shí)疊加實(shí)時(shí)負(fù)荷，如果時(shí)間段不惟一，則按就近原則選取最靠近時(shí)間段，同樣執(zhí)行下發(fā)和疊加負(fù)荷，完成一次智能有序規(guī)劃流程。
5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
本文搭建實(shí)際系統(tǒng)展開智能有序充電驗(yàn)證，系統(tǒng)包括1臺(tái)具有智能有序管理功能的IOMU，10臺(tái)交流充電樁-蓄電池充電機(jī)，11臺(tái)載波通信節(jié)點(diǎn)單元。所用交流充電樁-蓄電池充電機(jī)充電功率為2kW，驗(yàn)證充電汽車為江淮iEV4電動(dòng)汽車，汽車電池容量為22kWh，充電現(xiàn)場(chǎng)和充電樁-蓄電池充電機(jī)充電時(shí)人機(jī)接口如圖6所示。
圖6 充電現(xiàn)場(chǎng)和充電樁-蓄電池充電機(jī)人機(jī)接口
峰時(shí)電價(jià)：0.617元/度，6∶00～22∶00。谷時(shí)電價(jià)：0.307元/度，22∶00～次日6∶00。IOMU中初始預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線模擬如圖7所示。
圖7 模擬預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線
5.1 mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />
系統(tǒng)內(nèi)充電樁-蓄電池充電機(jī)、IOMU、通信節(jié)點(diǎn)上電后，按上文流程組成通信網(wǎng)落，各子節(jié)點(diǎn)獲得主節(jié)點(diǎn)分配的網(wǎng)內(nèi)惟一標(biāo)識(shí)ID，具體分配的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ID如下：
通信主節(jié)點(diǎn)：ID=0x00；通信子節(jié)點(diǎn)：ID=0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，0x06，0x07，0x08，0x09，0x0A
圖8所示為系統(tǒng)中10個(gè)子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。
圖8 系統(tǒng)通信mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />
通信網(wǎng)絡(luò)中采用了LOADng路由技術(shù)[19]，在原來的LOAD基礎(chǔ)上增加了非對(duì)稱路由路徑選擇，減少路由廣播報(bào)文的發(fā)送等修改，保證了載波通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。由圖8可看出，最大路由深度為2跳，其路由路徑選擇較均勻，為數(shù)據(jù)通信時(shí)提供可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)保障。
5.2 充電檢驗(yàn)
組網(wǎng)成功后，IOMU即可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各充電樁-蓄電池充電機(jī)充電進(jìn)行智能管理，實(shí)驗(yàn)采用3臺(tái)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，充電人機(jī)輸入和預(yù)測(cè)電量見表1。
表1 實(shí)驗(yàn)充電樁-蓄電池充電機(jī)輸入
可以看到未有序管理的充電時(shí)間疊加在峰值時(shí)間段，經(jīng)過有序管理的充電時(shí)間段分配在谷時(shí)時(shí)間段，經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)，如圖9所示。同時(shí)調(diào)整充電汽車預(yù)估電量，增加電量后再驗(yàn)證電網(wǎng)安全性，未智能管理的充電負(fù)荷疊加出現(xiàn)負(fù)荷越限，智能有序充電的則有效設(shè)置充電時(shí)間段，避開負(fù)荷高峰，實(shí)現(xiàn)小區(qū)安全用電，如圖10所示。
圖9 普通充電與智能充電經(jīng)濟(jì)性
圖10 普通充電與智能充電安全性
結(jié)論
利用小區(qū)配電變壓器側(cè)IOMU作為小區(qū)充電樁-蓄電池充電機(jī)充電管理核心單元，引入基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)，配合充電樁-蓄電池充電機(jī)充電量預(yù)測(cè)，在現(xiàn)有電力線上利用高速窄帶載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信組網(wǎng)，與小區(qū)內(nèi)交流充電樁-蓄電池充電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，完成智能有序充電。系統(tǒng)實(shí)施將有效解決將來老舊小區(qū)充電樁-蓄電池充電機(jī)改造帶來的原配電容量限制問題。
但是本文研究以配電網(wǎng)下小區(qū)為單位，系統(tǒng)只智能管理小區(qū)內(nèi)的充電負(fù)荷，在小區(qū)配電變壓器范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)充電，未考慮小區(qū)整體負(fù)荷對(duì)上游配電線路的影響，后續(xù)可將配電線路線損作為優(yōu)化目標(biāo)，加入到小區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)中，在考慮充電負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性同時(shí)兼顧配電線路線損，為配電網(wǎng)將來消納規(guī)模化的電動(dòng)汽車接入提供一種適用技術(shù)方案。
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