隨著電動(dòng)汽車在城市中的快速普及，越來越多的社區(qū)開始建設(shè)公用的充電設(shè)施。然而，老舊社區(qū)的低壓配電基礎(chǔ)設(shè)施能否容納更多的電動(dòng)汽車？如何充分利用現(xiàn)有配電容量，將電動(dòng)汽車和分布式光伏這些具備明顯“利用時(shí)段”特征的分布式資源合理搬移，探索通過控制算法來延緩低壓配電設(shè)施的改造升級(jí)，這些是全球配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商都在關(guān)心的熱點(diǎn)話題。

國(guó)家電網(wǎng)江蘇電力公司聯(lián)合南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）在老舊社區(qū)通過控制交流充電設(shè)施的用電行為、調(diào)節(jié)分布式光伏和儲(chǔ)能的利用，共同研發(fā)并試點(diǎn)“有序充電”及分布式能源資源靈活性管理項(xiàng)目，為未來社區(qū)大范圍使用上述靈活性資源，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)，提供有價(jià)值的技術(shù)示范。

低壓配電網(wǎng)現(xiàn)狀

位于南京市城北的邁皋橋地區(qū)過去是南京的化工基地，地處長(zhǎng)江南岸，這里人口密集，幾十年的工業(yè)發(fā)展、遷移帶來大量的配套居民社區(qū)，很多配電設(shè)施同樣見證了這段歷史。隨著氣候變化，居民生活條件的提高，每年夏季和冬季空調(diào)的制冷和取暖負(fù)荷都會(huì)使得當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)承受巨大的壓力?？焖僭黾拥碾妱?dòng)汽車充電，給低壓配電設(shè)施容量提出了新的挑戰(zhàn)，配電網(wǎng)擁塞問題變得更為突出。

圖1. 位于社區(qū)中央的400kVA箱變

試點(diǎn)項(xiàng)目所在小區(qū)約900戶家庭，社區(qū)中心400kVA配電變壓器，服務(wù)一個(gè)單元（24戶）和地下車庫(kù)的供電。2018年，車庫(kù)內(nèi)新安裝了30個(gè)公共交流充電設(shè)施，為社區(qū)居民的電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)。每個(gè)充電設(shè)施額定7kW，因此總的峰值容量也增加了210kVA.

圖2. 地下車庫(kù)部署的交流充電樁

社區(qū)的地下停車庫(kù)出入口屋頂總面積約200平方米，安裝了6套光儲(chǔ)一體設(shè)備，光伏逆變器額定5kW，儲(chǔ)能電池容量5.6kWh. 由于設(shè)計(jì)安裝的傾角考慮不周，雨水和塵埃很容易在光伏板上遺留污漬，組件的總?cè)萘繛?2.4kWp，但實(shí)際發(fā)電效率較低。

圖3. 小區(qū)地下車庫(kù)出口頂部安裝的光伏發(fā)電設(shè)施

按照一般的用電行為預(yù)測(cè)，電動(dòng)汽車將在下班后的居民用電高峰期間集中接入開始充電，將與高峰負(fù)荷疊加。光伏則是社區(qū)的另外一個(gè)公用設(shè)施，公共用電負(fù)荷很大一部分是夜間照明，在白天光伏的發(fā)電高峰期間，公共用電負(fù)荷很低，因此需要將多余的光伏發(fā)電先存儲(chǔ)起來。

圖4. 光伏逆變器及分散儲(chǔ)能裝置

就地控制還是遠(yuǎn)程（邊緣還是云端）

需求非常明確，即對(duì)電動(dòng)汽車充電和光伏發(fā)電兩個(gè)靈活性資源進(jìn)行合理搬運(yùn)，防止在用電高峰期間（無論是鴨形曲線還是鯊魚曲線）配網(wǎng)發(fā)生擁塞。

延伸閱讀：鯊魚曲線簡(jiǎn)介

下圖是試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)物連接的抽象概念圖，

圖5. 含有高比例靈活資源的配電系統(tǒng)示意圖

對(duì)于電動(dòng)汽車充電的策略，需要考慮以下需求：

» 負(fù)荷高峰期間降低總體充電功率

» 在總體配電負(fù)荷降低后，如傍晚高峰結(jié)束后，電價(jià)低谷階段，允許充電設(shè)施滿負(fù)荷充電

» 對(duì)于緊急的充電需求應(yīng)該優(yōu)先滿足

由于配電臺(tái)區(qū)的數(shù)據(jù)集中器能夠獲得配電變壓器的低壓總表數(shù)據(jù)，因此有足夠的判據(jù)了解配電變壓器的負(fù)荷情況，可以很容易地做到限制交流充電功率的目的。這里的重點(diǎn)在于如何區(qū)分不同充電機(jī)的控制功率，既滿足電量過低車輛的緊急充電需求，同時(shí)對(duì)于非緊急需求下調(diào)輸出功率。

對(duì)于交流充電系統(tǒng)這是很難做到的。在國(guó)標(biāo)GB/T20234.2中可以通過交流充電導(dǎo)引系統(tǒng)要求車載充電機(jī)限制充電功率，也就是說：控制功率的動(dòng)作是在電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)的，汽車電池的SoC并不能反饋給交流充電機(jī)，除非為充電機(jī)設(shè)計(jì)額外的“優(yōu)先充電”按鈕（考慮不同計(jì)費(fèi)費(fèi)率選項(xiàng)），也就是系統(tǒng)無法簡(jiǎn)單地判斷連接的汽車是否處于電量低需要緊急充電。只有電動(dòng)汽車的SoC已經(jīng)達(dá)到一定容量，主動(dòng)限制充電功率時(shí)，我們才可以判斷車輛已經(jīng)基本充滿，但此時(shí)限制充電功率可能沒有現(xiàn)實(shí)意義。

為了解決這個(gè)問題，只能是在系統(tǒng)需要限制充電功率時(shí)，無差別地降低連接設(shè)備的功率，如在試點(diǎn)項(xiàng)目中，如果居民負(fù)荷和其它公共負(fù)荷達(dá)到300kVA，此時(shí)只有100kVA分配給電動(dòng)汽車充電，若當(dāng)前連接車輛是20個(gè)，那么每個(gè)車輛的充電功率將被限制為5kW. 對(duì)于需要緊急充電的車輛，社區(qū)內(nèi)還建有一個(gè)直流快充設(shè)施（如圖11.）作為補(bǔ)充。

對(duì)分布式光伏發(fā)電的控制策略則要復(fù)雜一些，

» 如果光伏發(fā)電容量較小，應(yīng)該在白天電價(jià)高峰階段直接補(bǔ)償公用設(shè)施用電，如通風(fēng)、排水、電梯及其它連續(xù)運(yùn)行的公用設(shè)施。

» 如果光伏發(fā)電容量較大，在白天電價(jià)高峰階段，除了能夠覆蓋連續(xù)公用負(fù)荷外，額外的發(fā)電容量可以使用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)存，在光伏出力下降時(shí)補(bǔ)償公用負(fù)荷。

» 如果儲(chǔ)能容量足夠，也可以在白天發(fā)電高峰期間儲(chǔ)能，在夜晚電價(jià)高峰階段放電，補(bǔ)償公用設(shè)施用電，如電動(dòng)充電樁。

» 由于居民用戶都是直接計(jì)量，因此公共的分布式發(fā)電設(shè)施在沒有上網(wǎng)電價(jià)政策（Feed-in tariffs, FIT）時(shí)，需要仔細(xì)考慮優(yōu)化策略，防止無效的逆功率、防止在電價(jià)低谷期間放電。幸好，這里發(fā)電容量基本是固定的，可以設(shè)計(jì)優(yōu)化一次，無需動(dòng)態(tài)調(diào)整。因此優(yōu)選固定搬移的“套利選項(xiàng)”以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

這些控制措施在IEEE1547-2018中有完整的討論。

從上述兩個(gè)負(fù)荷/發(fā)電的搬移需求來看，顯然，配電臺(tái)區(qū)的控制器如果設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能，可以有效地控制臺(tái)區(qū)的各種靈活性負(fù)荷，而且有如下優(yōu)點(diǎn)：

» 就地采集、就地控制

» 無需系統(tǒng)干預(yù)，容易在其它配電臺(tái)區(qū)快速?gòu)?fù)制

此時(shí)，需要配電的用采集中器具有強(qiáng)大的邊緣計(jì)算功能，或者設(shè)置專門的邊緣路由器，將上述功能需求固化為算法，以實(shí)現(xiàn)，

» 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷搬移，即：有序充電

» 分布式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)優(yōu)化，公用用電設(shè)施的“用電套利應(yīng)用”

完全的就地化、邊緣計(jì)算使得應(yīng)用具有極大的靈活性，但是如果考慮中壓配電網(wǎng)的大范圍擁塞問題，單一的配電臺(tái)區(qū)優(yōu)化顯然無法獲得上一級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息。因此從配電系統(tǒng)、上一級(jí)配電變電站反饋到配電管理中心的數(shù)據(jù)可以幫助配電運(yùn)營(yíng)商要求更大范圍的協(xié)調(diào)功能。

在圖5中，配電SCADA可以獲得高壓/中壓電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，它可以通過企業(yè)總線向用采系統(tǒng)發(fā)出限制某個(gè)區(qū)域的所有配電臺(tái)區(qū)充電功率的要求。本試點(diǎn)項(xiàng)目中，重點(diǎn)測(cè)試了這個(gè)功能，而且這種限制實(shí)際是最高優(yōu)先級(jí)的，因?yàn)榕潆娤到y(tǒng)的數(shù)據(jù)是臺(tái)區(qū)所無法掌握的，一般關(guān)聯(lián)大系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定要求。

圖6. 臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)集中器終端箱

圖7. 安裝在配電變壓器低壓出口側(cè)的數(shù)據(jù)集中器

圖8. 安裝在充電樁內(nèi)部的載波控制/計(jì)量模塊

通信及控制協(xié)議

確定了具體的需求和應(yīng)用邏輯，在試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施過程中，最重要的是確定通信方式和所使用的通信協(xié)議。由圖9，配電管理的高壓/中壓系統(tǒng)基本與變電站和大電網(wǎng)使用的通信方式/控制協(xié)議相一致。這些協(xié)議與用電信息采集使用的有很大的差別。本質(zhì)上公網(wǎng)無線和專網(wǎng)只是在安全防護(hù)設(shè)計(jì)上有所不同，但在使用控制協(xié)議上，配網(wǎng)和用采的協(xié)議有巨大區(qū)別。

» 配網(wǎng)使用的IEC 60870-5-104，103，IEC 61850都經(jīng)過完整的互操作性測(cè)試

» 用采使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL645（更接近IEC 62056）需要對(duì)光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車的控制進(jìn)行擴(kuò)充

» 因此DL645最初并沒有考慮這些靈活性資源的控制，未來還需要進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化，甚至需要與智能家居中的智能用電器的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合并和統(tǒng)一，因此制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)工作非常緊迫和重要，不能僅局限于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，很可能是面向消費(fèi)品的更高級(jí)別的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

» 用采協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是本身考慮了加密和數(shù)據(jù)安全選項(xiàng)

圖9. 配電和計(jì)量所使用的不同通信形式和控制協(xié)議

除了控制協(xié)議，在低壓側(cè)使用載波存在一定的疑問。目前有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)層出不窮，但使用載波是基于以下考慮：

» 對(duì)于光伏逆變器可以使用允許式控制信號(hào)，當(dāng)配電線路正常時(shí)，光伏逆變器可以收到來自數(shù)據(jù)集中器的載波信號(hào)，一旦配電故障或任何其它原因斷開，光伏逆變器都不會(huì)收到允許信號(hào)，此時(shí)光伏逆變器應(yīng)該立即停止輸出，因此不會(huì)導(dǎo)致分布式發(fā)電的孤島現(xiàn)象，不會(huì)反向充電，防止對(duì)配電檢修造成安全隱患。

» 載波同時(shí)具有鑒相功能，可以自動(dòng)識(shí)別低壓供電拓?fù)洹?duì)于連接在不同相上的充電設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)分相控制，因此可以進(jìn)一步開發(fā)低壓側(cè)三相平衡的配電自動(dòng)化功能。

» 載波的接入比較簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)即插即用——電力公司可能需要進(jìn)行白名單管理，即在集中器中設(shè)置的檔案管理?？梢酝ㄟ^手持終端，結(jié)合設(shè)備資產(chǎn)管理，以無感方式錄入白名單，保證合法設(shè)備的接入。

» 載波的可靠通信速率較低，但對(duì)于計(jì)量設(shè)備來說，如智能電表，平均的數(shù)據(jù)帶寬需求應(yīng)該低于10bps（日凍結(jié)及15分鐘曲線的需求），載波完全滿足這種需求。其它設(shè)備同樣對(duì)帶寬要求不高，因此無需投入昂貴的通信模塊，僅需一次投入且無后期運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)服務(wù)費(fèi)用。

載波的選擇和標(biāo)準(zhǔn)化同樣重要，在國(guó)內(nèi)可以使用國(guó)網(wǎng)推廣的HPLC或南網(wǎng)推廣的相關(guān)技術(shù)，在海外市場(chǎng)宜使用G3-PLC. 它們都是基于OFDM（正交頻分）的窄帶技術(shù)（HPLC帶寬略高），同時(shí)具備子載波通道選擇自適應(yīng)技術(shù)，保證了通信的高可靠性。

值得注意的是：安裝在低壓側(cè)的載波控制/計(jì)量模塊實(shí)際上可以作為輕量級(jí)配電網(wǎng)自動(dòng)化的載體——更多的是發(fā)出「允許」和調(diào)節(jié)命令，而不是分合閘。如果這種載波控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，那么它可以集成在具有靈活性的用電或分布式發(fā)電控制器中，而無需考慮載波模塊與受控制設(shè)備的協(xié)議。如果必須采用分離式設(shè)計(jì)，那么可能標(biāo)準(zhǔn)的串行接口和協(xié)議可能是最簡(jiǎn)單實(shí)用的，但容易受到物理攻擊。

圖10. 普通的交流充電控制電路

更多種形式的靈活性資源

具體在一個(gè)社區(qū)的試點(diǎn)項(xiàng)目使電力公司了解了配電網(wǎng)在單一節(jié)點(diǎn)控制靈活性資源的需求和方法。社區(qū)和南瑞集團(tuán)因此獲得了很多重要的有關(guān)靈活性資源使用的信息，基于用采集中器可以控制，

» 社區(qū)電動(dòng)汽車在用電高峰之外有序充電，因此避免昂貴的社區(qū)配電基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)，充分利用現(xiàn)有容量

» 靈活調(diào)節(jié)分布式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能，平衡社區(qū)公共用電，實(shí)現(xiàn)峰谷套利

基于配電臺(tái)區(qū)的“邊緣控制”，可以在臺(tái)區(qū)內(nèi)為居民用戶提供上述功能。同時(shí)也為其它潛在的綜合能源聚合服務(wù)商提供了技術(shù)手段，“邊緣控制”設(shè)備可以接受來自云端的高優(yōu)先級(jí)控制命令，在更大范圍內(nèi)聚合上述靈活性資源為電力公司提供需求響應(yīng)服務(wù)，在未來通過市場(chǎng)化的手段（交易系統(tǒng)——日前、日內(nèi)交易兩個(gè)市場(chǎng)）為大系統(tǒng)提供需求平衡甚至頻率響應(yīng)服務(wù)。

有序充電可能會(huì)對(duì)客戶的緊急充電產(chǎn)生影響，在這個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目中，江蘇電力公司還為社區(qū)用戶新建了一臺(tái)直流快速充電設(shè)施，保證客戶的緊急需求。不僅如此，該直流充電設(shè)施還具有反向的車輛儲(chǔ)能到電網(wǎng)（V2G）功能，未來社區(qū)的緊急用電可以由V2G提供備用電源，如，照明、消防、通信。因此它還是建設(shè)彈性配網(wǎng)（Resilience）的一個(gè)有效手段。

圖11. 考慮未來使用的可實(shí)現(xiàn)V2G的直流充電設(shè)施