淺談變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制的方法與研究

安科瑞 陳聰

摘要：研究一種變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制方法，降低網(wǎng)損、負(fù)荷波動與峰谷差，解決三相不平衡問題，實(shí)現(xiàn)充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制。利用基于能量均衡的無線傳感器部署方法，在變電站區(qū)域內(nèi)設(shè)計無線傳感器部署方案，用于采集充電樁運(yùn)行信息；依據(jù)采集的信息，以最小網(wǎng)損、三相不平衡度、負(fù)荷波動與峰谷差為目標(biāo)函數(shù)，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(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制模型；通過粒子群算法求解該模型，獲取最小網(wǎng)損、三相不平衡度、負(fù)荷波動與峰谷差，對應(yīng)的充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制方案。實(shí)驗(yàn)證明：該方法可有效采集充電樁運(yùn)行信息，具備較優(yōu)的能量均衡性；該方法可有效實(shí)現(xiàn)充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制，降低網(wǎng)損、三相不平衡度、負(fù)荷波動與峰谷差，令充電樁電壓始終維持在正常范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；變電站區(qū)域；充電樁；自動控制

1引言

電動汽車的發(fā)展能有效解決能源危機(jī)問題，其充電方式為充電樁，海量電動汽車的無序充電，導(dǎo)致變電站區(qū)域出現(xiàn)峰+峰的問題叫，明顯提升變電站區(qū)域的網(wǎng)損，降低電能質(zhì)量，為解決這一系列的問題，需研究充電樁控制方法，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，降低網(wǎng)損，提升供電質(zhì)量[2]。例如，以用戶需求與利益為目標(biāo)函數(shù)，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載，降低用戶充電成本[3]。根據(jù)電動汽車的儲能容量與充電需求，對充電樁進(jìn)行合理調(diào)控，該方法可有效抑制負(fù)荷波動，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題，影響供電質(zhì)量，且無法實(shí)時采集充電樁的運(yùn)行信息，導(dǎo)致運(yùn)維人員不能實(shí)時了解充電樁的運(yùn)行情況，影響充電樁控制效果。無線傳感器具備較優(yōu)的信息采集與傳輸功能，可實(shí)時采集目標(biāo)的運(yùn)行信息。為此，研究變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制方法，合理協(xié)調(diào)自動控制充電樁。

2變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制

2.1無線傳感器在變電站區(qū)域的部署方法

利用基于能量均衡的無線傳感器在變電站區(qū)域中的部署方法，部署無線傳感器，用于采集變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行信息。令變電站區(qū)域充電樁的第i個采集節(jié)點(diǎn)為C(i=1,2，,n),i的傳輸距離為d；節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i-1之間的中繼節(jié)點(diǎn)與數(shù)量為gi,m；因?yàn)間.和節(jié)點(diǎn)i轉(zhuǎn)發(fā)的充電樁運(yùn)行信息一致,所以gi的傳輸距離也是d；節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i-1間的距離為Ri。令各節(jié)點(diǎn)一個周期中生成了k比特的充電樁運(yùn)行信息，那么i發(fā)送的充電樁運(yùn)行信息為D=(n-i)k,i接收的充電樁運(yùn)行信息為r=(n-i+1)k。在歸定時間內(nèi)，令全部無線傳感器節(jié)點(diǎn)消耗的能量一致，其能量使用結(jié)束時間大致相同，達(dá)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗均衡的目的，無線傳感器節(jié)點(diǎn)間的能量消耗關(guān)系為：

式中：Eele為在發(fā)射電路過程中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)損耗的能量；E為無線傳感器節(jié)點(diǎn)全生命周期內(nèi)的損耗能量；入為修正系數(shù)；f.為無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集充電樁運(yùn)行信息的頻率；do為傳輸距離閾值；8為在d<d情況下，擴(kuò)展功率需消耗的能量；amp為在d≥do情況下，擴(kuò)展功率需消耗的能量。

根據(jù)式(1）

可獲取：

因?yàn)榕csink節(jié)點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，采集節(jié)點(diǎn)的d,越遠(yuǎn)，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)獲取無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)的d，按照式（4)可獲取gi的數(shù)量

因?yàn)閙；為整數(shù)，所以m向上取整，按照無線傳感器生命周期原理，獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期為：

式中：E。為無線傳感器節(jié)點(diǎn)初始損耗能量。利用無線傳感器數(shù)量描繪無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總成本，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)效率為：

=1以*大化P為目標(biāo)函數(shù)，尋找*優(yōu)的無線傳感器中繼節(jié)點(diǎn)部署方案。無線傳感器在變電站區(qū)域的部署步驟如下：步驟①：遍歷dn，d,由d擴(kuò)展至Rn，每次擴(kuò)展數(shù)量為1，若dn>Rn，那么繼續(xù)步驟①；反之，繼續(xù)步驟②；步驟②：利用式（3)計算獲取(di,d2,,d);步驟③：通過式（4)計算獲取(m1,m²,,mil;步驟④：通過式(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(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量與傳輸距離，為變電站區(qū)域中*優(yōu)的無線傳感器部署方案，利用*優(yōu)無線傳感器部署方案，采集變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行信息

2.2變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制模型

依據(jù)第2.1節(jié)采集的變電站區(qū)域充電樁運(yùn)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(qū)域負(fù)荷波動與峰谷差為目標(biāo)函數(shù)的充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制模型。令變電站區(qū)域內(nèi)充電樁數(shù)量為L；控制總時段為T"；最小網(wǎng)損與三相不平衡度的充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制目標(biāo)函數(shù)為：

式中：l為充電樁編號;Pald為t時段，α相，l的負(fù)荷;Pa，Pa,P,P為直流側(cè)連接、未連接母線時，單、三相充電樁的有功功率。最小負(fù)荷波動值與峰谷差的充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制目標(biāo)函數(shù)為：

F2=min[maxPia'lad_F20式中：F2為負(fù)荷波動；F為峰谷差；Qia為α相，t時段，l的充電功率；u為日負(fù)荷均值;Pianload為修正后的常規(guī)負(fù)荷；1,2為F2與F2z的加權(quán)系數(shù)，1+2=1;F2loF2為原始變電站區(qū)域負(fù)荷相應(yīng)的負(fù)荷波動值與峰谷差。2.3充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制模型約束條件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，直流側(cè)連接母線時，單相充電樁功率約束為：

直流側(cè)連接母線時，三相充電樁的功率約束為：不平衡度，以及最小負(fù)荷波動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(qū)域充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動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(yīng)度子，根據(jù)式(7)與式(8)求解子，各個體子的值均有4個，分別為網(wǎng)損、三相不平衡度、負(fù)荷波動與峰谷差，個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(nèi)任意選擇的粒子；步驟④：更新個體最佳粒子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(nèi)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(fù)荷波動與峰谷差，對應(yīng)的變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制方案。

2.3實(shí)驗(yàn)分析

以某變電站區(qū)域充電樁為實(shí)驗(yàn)對象，該變電站區(qū)域內(nèi)共包含4個單相充電樁，接入相分別為a,b,b,c;28個三相充電樁。利用該方法對該變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行展開協(xié)調(diào)自動控制，驗(yàn)證該方法協(xié)調(diào)自動控制的可行性。分析不同無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以及在不同節(jié)點(diǎn)距離時，該方法采集充電樁運(yùn)行信息的能量均衡性，分析結(jié)果見圖1。

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

變電站區(qū)域充電樁的三相有功功率，為后續(xù)充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)證明：該方法可有效采集變電站區(qū)域充電樁的運(yùn)行信息。利用該方法對該變電站區(qū)域充電樁的運(yùn)行展開協(xié)調(diào)自動控制，協(xié)調(diào)自動控制后充電樁的三相有功功率、電壓與負(fù)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區(qū)間為0.95pu~1.1pu。

綜合分析圖3與表1可知，應(yīng)用該方法協(xié)調(diào)自動控制充電樁的運(yùn)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，解決三相不平衡問題；在不同時刻，充電樁的最小電壓波動區(qū)間為0.95pu~1pu之間，并未低于正常電壓波動的*低值，最大電壓波動區(qū)間為1pu~1.06pu之間，并未超過正常電壓波動的最高值，說明應(yīng)用該方法協(xié)調(diào)自動控制后，充電樁電壓始終控制在正常區(qū)間以內(nèi)；在8:00~18:00之間充電樁負(fù)荷處于低谷期，00:00~7:00，19:00~24:00之間，充電樁負(fù)荷處于高峰期，應(yīng)用該方法控制后，充電樁負(fù)荷波動明顯低于控制前，且峰谷差明顯下降。應(yīng)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，說明該方法可有效協(xié)調(diào)自動控制充電樁的運(yùn)行，降低網(wǎng)損、負(fù)荷波動與峰谷差，改善三相不平衡度。

3安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應(yīng)用場所

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

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)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(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點(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(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

3.4.2實(shí)時監(jiān)控

實(shí)時監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、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賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

3.4.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

3.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。3.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)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、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

3.4.8充電小程序

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

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)論與展望

電動汽車有效解決了能源和環(huán)境危機(jī)問題，電動汽車的電能補(bǔ)給站是充電樁，因此充電樁屬于一種新的負(fù)荷類型，靈活性較強(qiáng)，充電樁的大范圍使用，導(dǎo)致電網(wǎng)存在峰+峰的沖擊，還會導(dǎo)致局部停電，為此，研究一種變電站區(qū)域充電樁運(yùn)行協(xié)調(diào)自動控制方法，合理控制充電樁運(yùn)行，降低網(wǎng)損與負(fù)荷波動，緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。

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