安科瑞 陳聰

摘要：在“雙碳”目標及電動車迅猛發(fā)展的背景下，為解決電動車充電問題，同時進行能源優(yōu)化，以太陽能作為基礎能源，結合物聯(lián)網和人工智能等新興技術，構建分布式智慧光伏充電站?；诎部迫鸸痉植际街腔酃夥潆娬疚锫?lián)網平臺，結合云服務和人工智能技術實現(xiàn)分布式集成管理，平臺可實時采集各種數據，并根據采集的數據堯光伏發(fā)電預測數據及用戶用電預測數據進行系統(tǒng)層面的優(yōu)化調度，實現(xiàn)蓄電池的充放電智能動態(tài)管理。分布式智慧光伏充電站可顯著提高系統(tǒng)的管理水平，充分利用光伏發(fā)電，降低運行費用，實現(xiàn)系統(tǒng)整體節(jié)能降耗。

關鍵詞：新能源；光儲一體化充電站；雙碳；分布式光伏

1光儲一體化充電站發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國內發(fā)展現(xiàn)狀

自2020年9月中國提出實現(xiàn)碳達峰堯碳中和的宏偉目標以來，我國的能源發(fā)展重心已明確轉向構建清潔低碳能源體系。與此同時，物聯(lián)網技術的飛速發(fā)展為基礎設施建設提供了強有力的支持。電動車作為清潔能源交通的未來方向，其發(fā)展受到了廣泛的關注。然而，電動車充電基礎設施的不足和充電基礎設施與新能源及物聯(lián)網等的融合不足，成為當前電動車產業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)。

國內研究已明確指出，電動車充電基礎設施的不足已成為制約電動車發(fā)展的一個重要因素。近年來，中國在光伏技術領域取得了顯著進步，已經展開了光伏系統(tǒng)在能源領域的應用研究，但充電站的整合仍需進一步探索。同時，國內學者也開始研究如何將物聯(lián)網技術應用于能源管理，以實現(xiàn)對能源系統(tǒng)的智能監(jiān)測和控制。

1.2國外發(fā)展現(xiàn)狀

在國際領域，一些光伏電動車充電站項目已經涌現(xiàn)。同時，物聯(lián)網技術在能源領域的應用已取得了顯著成果，例如實時監(jiān)測能源系統(tǒng)并進行管理以提高效率堯增強安全性。

2系統(tǒng)框架

分布式智慧光伏充電站位于山東建筑大學校內，包括分布式光伏儲能系統(tǒng)和充電樁智能控制系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

2.1分布式光伏儲能系統(tǒng)

分布式光伏儲能系統(tǒng)采用了36塊峰值輸出功率為430W的單晶硅PV光伏板堯3臺功率為4KW的儲能逆變器堯3塊48V100AH的磷酸鐵鋰蓄電池以及其它配件設備組成。在整個系統(tǒng)中，PV光伏板以兩兩串聯(lián)的方式，形成了18個并聯(lián)的PV光伏板單元，每6個單元淵12塊PV光伏板冤與一個儲能逆變器連接形成一個光伏板組，以分布式方式進行布置。此外，系統(tǒng)中的蓄電池作為儲能單元被并聯(lián)到各儲能逆變器的后端。同時，本實驗裝置選用的HFP48儲能逆變器的太陽能光伏發(fā)電模塊，使用了新優(yōu)化的MPPT追蹤技術，能快速定位到光伏陣的大功率點，實時獲取PV光伏板的大能。

2.2充電樁智能控制系統(tǒng)

在分布式智慧光伏充電站的架構中，充電樁智能控制系統(tǒng)扮演了一個不能或缺的角色，其主要職責包括整合堯管理及指導充電系統(tǒng)的運作。旨在確保系統(tǒng)能夠適應多變的環(huán)境條件與不同的用戶需求。結合系統(tǒng)設定，每組儲能逆變器淵容量為4KW冤連接12塊峰值輸出功率為430W的單晶硅PV光伏板。鑒于電動自行車充電器的功率大致在300W左右，每組儲能逆變器配備7個充電終端節(jié)點，每個節(jié)點配置2個充電插頭，以確保充足的充電能力。采納將7個充電終端設備分為一組的策略，不僅增強了系統(tǒng)的模塊化和靈活性，同時也為系統(tǒng)未來的擴展或維護提供了便利。這些充電終端通過RS484接口相互連接，確保了數據傳輸的高速與穩(wěn)定。同時，每個充電終端都裝備了高精度的傳感器，它們可以對充電過程中的各種參數進行實時監(jiān)測，如充電樁的溫度堯電壓堯電流以及充電狀態(tài)等。這些關鍵參數數據不僅對于確保充電效率至關重要，還有助于預防和及時處理可能出現(xiàn)的異常情況。

3物聯(lián)網通信技術

物聯(lián)網作為一種物物相聯(lián)的互聯(lián)網形式，擁有全面感知堯可靠傳遞和智能處理等顯著特征，能夠將傳感技術與智能技術相互融合，同時充分利用云計算堯數據挖掘堯神經網絡等智能技術，滿足多樣化的用戶需求。本文研究搭建的分布式智慧光伏充電站系統(tǒng)，是一個采用物聯(lián)網技術的3層結構智能網絡。物聯(lián)網網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2

在該網絡拓撲結構中，主要用到Modbus有線通信技術,MQTT云通信技術和數據透傳技術。

3.1Modbus有線通信

在感知層的構建中，系統(tǒng)采用了Modbus協(xié)議配合RS484接口來實現(xiàn)各傳感器和設備間的有線通信。Modbus協(xié)議因其穩(wěn)定性和高度的兼容性，在工業(yè)通訊領域被廣泛認可。通過這種方式,確保了包括儲能逆變器、蓄電池組、火災報警器、智能充電樁等在內的多種設備，能夠實現(xiàn)安全、準確的信息交換。

3.2MQTT云通信及數據透傳

由于管理平臺距離充電樁較遠，因此系統(tǒng)的網絡層采用了MQTT協(xié)議以及4G數據幀透傳。MQTT是一種輕量級的消息傳輸協(xié)議，適用于物聯(lián)網環(huán)境中帶寬有限的設備。在本系統(tǒng)中，MQTT用于將儲能逆變器和小型氣象站收集的數據通過無線數據終端上傳至平臺，這些數據包括光伏發(fā)電量、能源存儲水平、溫度等。此外，智能充電樁的數據使用RS484總線進行數據匯總，終通過遠程終端單元進行數據幀透傳至平臺，以支持實時的遠程監(jiān)控和控制。

4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統(tǒng)

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)，是我司根據新型電力系統(tǒng)下微電網監(jiān)控系統(tǒng)與微電網能量管理系統(tǒng)的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現(xiàn)用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統(tǒng)應采用分層分布式結構，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-4-101、IEC60870-4-103、IEC60870-4-104、MQTT等通信規(guī)約。

4.2平臺適用場合

系統(tǒng)可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

4.3系統(tǒng)架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統(tǒng)組網方式

5充電站微電網能量管理系統(tǒng)解決方案

5.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。

圖1系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

5.1.1光伏界面

圖3光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖4儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統(tǒng)PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統(tǒng)BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統(tǒng)PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統(tǒng)PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統(tǒng)PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面

本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖13風電系統(tǒng)界面

本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖14充電站界面

本界面用來展示對充電站系統(tǒng)信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監(jiān)控界面

圖15微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統(tǒng)所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現(xiàn)預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發(fā)電預測

系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖16光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統(tǒng)應可以根據發(fā)電數據、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態(tài)擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統(tǒng)能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖17策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖18運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等。信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

5.1.10歷史事件查詢

應能夠對。信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統(tǒng)應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.4～63.4次間諧波電壓含有率、0.4～63.4次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

4）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數據，包括均值、*值、*值、94%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖20微電網系統(tǒng)電能質量界面

5.1.12監(jiān)控功能

應可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程?？夭僮?。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成?？夭僮鳎⒆裱？仡A置、?？胤敌?、?？貓?zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)或站內相應的操作命令。

圖21監(jiān)控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

5.1.14統(tǒng)計報表

具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的發(fā)電、用電、充放電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統(tǒng)計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統(tǒng)拓撲界面

本界面主要展示微電網系統(tǒng)拓撲，包括系統(tǒng)的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-4-101、IEC60870-4-103、IEC60870-4-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖24通信管理

5.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如?？夭僮?，運行參數修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶隨意修改。

6硬件及其配套產品

7結束語

本研究構建了一個分布式智慧光伏充電站，括分布式光伏儲能系統(tǒng)和充電樁智能控制

系統(tǒng)，以太陽能作為基礎能源，結合物聯(lián)網和人工智能等新興技術，構建分布式智慧光伏充電站。

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