安科瑞 陳聰

摘要：研究一種變電站區域充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制方法，降低網(wǎng)損、負荷波動(dòng)與峰谷差，解決三相不平衡問(wèn)題，實(shí)現充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制。利用基于能量均衡的無(wú)線(xiàn)傳感器部署方法，在變電站區域內設計無(wú)線(xiàn)傳感器部署方案，用于采集充電樁運行信息；依據采集的信息，以最小網(wǎng)損、三相不平衡度、負荷波動(dòng)與峰谷差為目標函數，以充電樁功率與充電樁儲備電量等為約束條件，建立充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制模型；通過(guò)粒子群算法求解該模型，獲取最小網(wǎng)損、三相不平衡度、負荷波動(dòng)與峰谷差，對應的充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制方案。實(shí)驗證明：該方法可有效采集充電樁運行信息，具備較優(yōu)的能量均衡性；該方法可有效實(shí)現充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制，降低網(wǎng)損、三相不平衡度、負荷波動(dòng)與峰谷差，令充電樁電壓始終維持在正常范圍之內。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器；變電站區域；充電樁；自動(dòng)控制

1引言

電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展能有效解決能源危機問(wèn)題，其充電方式為充電樁，海量電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)序充電，導致變電站區域出現峰+峰的問(wèn)題叫，明顯提升變電站區域的網(wǎng)損，降低電能質(zhì)量，為解決這一系列的問(wèn)題，需研究充電樁控制方法，實(shí)現削峰填谷，降低網(wǎng)損，提升供電質(zhì)量[2]。例如，以用戶(hù)需求與利益為目標函數，建立充電樁控制模型，利用莫楞貝突變遺傳算法，求解該模型，獲取充電樁控制方案，該方法可有效避免變壓器過(guò)載，降低用戶(hù)充電成本[3]。根據電動(dòng)汽車(chē)的儲能容量與充電需求，對充電樁進(jìn)行合理調控，該方法可有效抑制負荷波動(dòng)，具備削峰填谷功能。但這兩種方法均未考慮充電樁的三相不平衡問(wèn)題，影響供電質(zhì)量，且無(wú)法實(shí)時(shí)采集充電樁的運行信息，導致運維人員不能實(shí)時(shí)了解充電樁的運行情況，影響充電樁控制效果。無(wú)線(xiàn)傳感器具備較優(yōu)的信息采集與傳輸功能，可實(shí)時(shí)采集目標的運行信息。為此，研究變電站區域充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制方法，合理協(xié)調自動(dòng)控制充電樁。

2變電站區域充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制

2.1無(wú)線(xiàn)傳感器在變電站區域的部署方法

利用基于能量均衡的無(wú)線(xiàn)傳感器在變電站區域中的部署方法，部署無(wú)線(xiàn)傳感器，用于采集變電站區域充電樁運行信息。令變電站區域充電樁的第i個(gè)采集節點(diǎn)為C(i=1,2，,n),i的傳輸距離為d；節點(diǎn)i與節點(diǎn)i-1之間的中繼節點(diǎn)與數量為gi,m；因為g.和節點(diǎn)i轉發(fā)的充電樁運行信息一致,所以gi的傳輸距離也是d；節點(diǎn)i與節點(diǎn)i-1間的距離為Ri。令各節點(diǎn)一個(gè)周期中生成了k比特的充電樁運行信息，那么i發(fā)送的充電樁運行信息為D=(n-i)k,i接收的充電樁運行信息為r=(n-i+1)k。在歸定時(shí)間內，令全部無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)消耗的能量一致，其能量使用結束時(shí)間大致相同，達到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能量消耗均衡的目的，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)間的能量消耗關(guān)系為：

式中：Eele為在發(fā)射電路過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)損耗的能量；E為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)全生命周期內的損耗能量；入為修正系數；f.為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)采集充電樁運行信息的頻率；do為傳輸距離閾值；8為在d<d情況下，擴展功率需消耗的能量；amp為在d≥do情況下，擴展功率需消耗的能量。

根據式(1）

可獲?。?/span>

因為與sink節點(diǎn)距離越遠，采集節點(diǎn)的d,越遠，所以令d<do,推理式(2)可獲?。?/span>

在已知d,情況下，能夠利用式(3)獲取無(wú)線(xiàn)傳感器采集節點(diǎn)的d，按照式（4)可獲取gi的數量

因為m；為整數，所以m向上取整，按照無(wú)線(xiàn)傳感器生命周期原理，獲取無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )生命周期為：

式中：E。為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)初始損耗能量。利用無(wú)線(xiàn)傳感器數量描繪無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的總成本，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )效率為：

=1以*大化P為目標函數，尋找*優(yōu)的無(wú)線(xiàn)傳感器中繼節點(diǎn)部署方案。無(wú)線(xiàn)傳感器在變電站區域的部署步驟如下：步驟①：遍歷dn，d,由d擴展至Rn，每次擴展數量為1，若dn>Rn，那么繼續步驟①；反之，繼續步驟②；步驟②：利用式（3)計算獲取(di,d2,,d);步驟③：通過(guò)式（4)計算獲取(m1,m²,,mil;步驟④：通過(guò)式(2)計算獲取E;步驟③：利用式(5)計算獲取T；步驟③：由式(6)計算獲取P；步驟①：以最大P值，對應的中繼節點(diǎn)數量與傳輸距離，為變電站區域中*優(yōu)的無(wú)線(xiàn)傳感器部署方案，利用*優(yōu)無(wú)線(xiàn)傳感器部署方案，采集變電站區域充電樁運行信息

2.2變電站區域充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制模型

依據第2.1節采集的變電站區域充電樁運行信息，建立以最小網(wǎng)損與三相不平衡度，以及最小變電站區域負荷波動(dòng)與峰谷差為目標函數的充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制模型。令變電站區域內充電樁數量為L(cháng)；控制總時(shí)段為T(mén)"；最小網(wǎng)損與三相不平衡度的充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制目標函數為：

式中：l為充電樁編號;Pald為t時(shí)段，α相，l的負荷;Pa，Pa,P,P為直流側連接、未連接母線(xiàn)時(shí)，單、三相充電樁的有功功率。最小負荷波動(dòng)值與峰谷差的充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制目標函數為：

F2=min[maxPia'lad_F20式中：F2為負荷波動(dòng)；F為峰谷差；Qia為α相，t時(shí)段，l的充電功率；u為日負荷均值;Pianload為修正后的常規負荷；1,2為F2與F2z的加權系數，1+2=1;F2loF2為原始變電站區域負荷相應的負荷波動(dòng)值與峰谷差。2.3充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制模型約束條件F的約束條件如下：令各充電樁中包含4個(gè)觸點(diǎn)，記作觸點(diǎn)1、觸點(diǎn)2、觸點(diǎn)3、觸點(diǎn)4,單、三相充電樁空開(kāi)狀態(tài)為Kia,Kia;在Kial=0情況下，代表單相充電樁觸點(diǎn)3,4閉合，觸點(diǎn)1,2斷開(kāi)，直流側連接母線(xiàn)時(shí)，單相充電樁功率約束為：

直流側連接母線(xiàn)時(shí)，三相充電樁的功率約束為：不平衡度，以及最小負荷波動(dòng)值與峰谷差為粒子的位置，粒子位置與速度的更新公式如下：

變電站區域充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制模型求解的具體步驟如下：步驟①：種群初始化；步驟②：求解適應度子，根據式(7)與式(8)求解子，各個(gè)體子的值均有4個(gè)，分別為網(wǎng)損、三相不平衡度、負荷波動(dòng)與峰谷差，個(gè)體需符合的約束條件為式(9)~（17)與式（19），存儲A，與G；步驟③：更新種群，利用式（20）更新x，與s，全局最佳粒子ybst為非劣解集內任意選擇的粒子；步驟④：更新個(gè)體最佳粒子ybest，按照新粒子ynew與yhesr的支配關(guān)系，更新Yies;步驟③：篩選非劣解集0，融合新舊非劣解集Onew與Oald，獲取新的O'，按照O'內力的支配關(guān)系，獲取新的非劣解集，存儲非劣解的位置；步驟③：利用式（20）更新x與V；步驟①：分析x是否大于限值，若大于限值，則返回步驟③；反之，輸出支配解，即最小網(wǎng)損與三相不平衡度，以及最小負荷波動(dòng)與峰谷差，對應的變電站區域充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制方案。

2.3實(shí)驗分析

以某變電站區域充電樁為實(shí)驗對象，該變電站區域內共包含4個(gè)單相充電樁，接入相分別為a,b,b,c;28個(gè)三相充電樁。利用該方法對該變電站區域充電樁運行展開(kāi)協(xié)調自動(dòng)控制，驗證該方法協(xié)調自動(dòng)控制的可行性。分析不同無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)數量，以及在不同節點(diǎn)距離時(shí)，該方法采集充電樁運行信息的能量均衡性，分析結果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)數量的增加，該方法采集充電樁運行信息的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )生命周期呈下降趨勢；隨著(zhù)傳輸距離的增長(cháng)，生命周期也呈下降趨勢，即傳輸距離越大，生命周期越??；在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)數量為5個(gè)，傳輸距離為350m左右時(shí)，生命周期降至0s，此時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能量消耗完畢；在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)數量為10個(gè)，傳輸距離為300m左右時(shí)，生命周期降至0s，此時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能量消耗完畢；在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)數量為15個(gè)，傳輸距離為250m左右時(shí)，生命周期降至0s，此時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能量消耗完畢；綜合分析可知，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)為5，10,15個(gè)時(shí)，最佳傳輸距離分別為350m，300m，250m，此時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)能量消耗完畢，可有效防止出現能量空洞，實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集充電樁運行信息時(shí)的能量均衡。利用該方法采集該變電站區域充電樁運行信息，以典型日充電樁的三相有功功率為例，采集結果如圖2所示。由圖2可知，該方法可有效采集該

變電站區域充電樁的三相有功功率，為后續充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制提供數據支持。實(shí)驗證明：該方法可有效采集變電站區域充電樁的運行信息。利用該方法對該變電站區域充電樁的運行展開(kāi)協(xié)調自動(dòng)控制，協(xié)調自動(dòng)控制后充電樁的三相有功功率、電壓與負荷如圖3所示。

充電樁交流網(wǎng)損、直流網(wǎng)損、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度與峰谷差如表1所示，正常充電樁電壓波動(dòng)區間為0.95pu~1.1pu。

綜合分析圖3與表1可知，應用該方法協(xié)調自動(dòng)控制充電樁的運行后，可有效令充電樁可有效令充電樁三相有功功率大致重合，解決三相不平衡問(wèn)題；在不同時(shí)刻，充電樁的最小電壓波動(dòng)區間為0.95pu~1pu之間，并未低于正常電壓波動(dòng)的*低值，最大電壓波動(dòng)區間為1pu~1.06pu之間，并未超過(guò)正常電壓波動(dòng)的最高值，說(shuō)明應用該方法協(xié)調自動(dòng)控制后，充電樁電壓始終控制在正常區間以?xún)?；?:00~18:00之間充電樁負荷處于低谷期，00:00~7:00，19:00~24:00之間，充電樁負荷處于高峰期，應用該方法控制后，充電樁負荷波動(dòng)明顯低于控制前，且峰谷差明顯下降。應用該方法控制后，充電樁網(wǎng)損、三相不平衡度、峰谷差均明顯下降，說(shuō)明該方法可有效協(xié)調自動(dòng)控制充電樁的運行，降低網(wǎng)損、負荷波動(dòng)與峰谷差，改善三相不平衡度。

3安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺系統選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

3.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據層和客戶(hù)端層。

2）數據采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

3.4.2實(shí)時(shí)監控

實(shí)時(shí)監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

3.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。

3.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

3.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統計信息、能耗統計信息等。

3.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、凍結和解綁。3.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠程參數設置，同時(shí)可接收故障推送

3.4.8充電小程序

面向充電用戶(hù)使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶(hù)充值，充電卡綁定、交易查詢(xún)、故障申訴等功能。

3.5系統硬件配置

4結論與展望

電動(dòng)汽車(chē)有效解決了能源和環(huán)境危機問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)的電能補給站是充電樁，因此充電樁屬于一種新的負荷類(lèi)型，靈活性較強，充電樁的大范圍使用，導致電網(wǎng)存在峰+峰的沖擊，還會(huì )導致局部停電，為此，研究一種變電站區域充電樁運行協(xié)調自動(dòng)控制方法，合理控制充電樁運行，降低網(wǎng)損與負荷波動(dòng)，緩解電網(wǎng)調峰壓力。

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