中国储能网讯：随着电动汽车在城市中的快速普及，越来越多的社区开始建设公用的充电设施。然而，老旧社区的低压配电基础设施能否容纳更多的电动汽车？如何充分利用现有配电容量，将电动汽车和分布式光伏这些具备明显“利用时段”特征的分布式资源合理搬移，探索通过控制算法来延缓低压配电设施的改造升级，这些是全球配电系统运营商都在关心的热点话题。

国家电网江苏电力公司联合南瑞集团（国网电力科学研究院）在老旧社区通过控制交流充电设施的用电行为、调节分布式光伏和储能的利用，共同研发并试点“有序充电”及分布式能源资源灵活性管理项目，为未来社区大范围使用上述灵活性资源，实现需求响应，提供有价值的技术示范。

低压配电网现状

位于南京市城北的迈皋桥地区过去是南京的化工基地，地处长江南岸，这里人口密集，几十年的工业发展、迁移带来大量的配套居民社区，很多配电设施同样见证了这段历史。随着气候变化，居民生活条件的提高，每年夏季和冬季空调的制冷和取暖负荷都会使得当地电网承受巨大的压力。快速增加的电动汽车充电，给低压配电设施容量提出了新的挑战，配电网拥塞问题变得更为突出。

图1. 位于社区中央的400kVA箱变

试点项目所在小区约900户家庭，社区中心400kVA配电变压器，服务一个单元（24户）和地下车库的供电。2018年，车库内新安装了30个公共交流充电设施，为社区居民的电动汽车提供充电服务。每个充电设施额定7kW，因此总的峰值容量也增加了210kVA.

图2. 地下车库部署的交流充电桩

社区的地下停车库出入口屋顶总面积约200平方米，安装了6套光储一体设备，光伏逆变器额定5kW，储能电池容量5.6kWh. 由于设计安装的倾角考虑不周，雨水和尘埃很容易在光伏板上遗留污渍，组件的总容量为32.4kWp，但实际发电效率较低。

图3. 小区地下车库出口顶部安装的光伏发电设施

按照一般的用电行为预测，电动汽车将在下班后的居民用电高峰期间集中接入开始充电，将与高峰负荷叠加。光伏则是社区的另外一个公用设施，公共用电负荷很大一部分是夜间照明，在白天光伏的发电高峰期间，公共用电负荷很低，因此需要将多余的光伏发电先存储起来。

图4. 光伏逆变器及分散储能装置

就地控制还是远程（边缘还是云端）

需求非常明确，即对电动汽车充电和光伏发电两个灵活性资源进行合理搬运，防止在用电高峰期间（无论是鸭形曲线还是鲨鱼曲线）配网发生拥塞。

延伸阅读：鲨鱼曲线简介

下图是试点项目实物连接的抽象概念图，

图5. 含有高比例灵活资源的配电系统示意图

对于电动汽车充电的策略，需要考虑以下需求：

» 负荷高峰期间降低总体充电功率

» 在总体配电负荷降低后，如傍晚高峰结束后，电价低谷阶段，允许充电设施满负荷充电

» 对于紧急的充电需求应该优先满足

由于配电台区的数据集中器能够获得配电变压器的低压总表数据，因此有足够的判据了解配电变压器的负荷情况，可以很容易地做到限制交流充电功率的目的。这里的重点在于如何区分不同充电机的控制功率，既满足电量过低车辆的紧急充电需求，同时对于非紧急需求下调输出功率。

对于交流充电系统这是很难做到的。在国标GB/T20234.2中可以通过交流充电导引系统要求车载充电机限制充电功率，也就是说：控制功率的动作是在电动汽车上实现的，汽车电池的SoC并不能反馈给交流充电机，除非为充电机设计额外的“优先充电”按钮（考虑不同计费费率选项），也就是系统无法简单地判断连接的汽车是否处于电量低需要紧急充电。只有电动汽车的SoC已经达到一定容量，主动限制充电功率时，我们才可以判断车辆已经基本充满，但此时限制充电功率可能没有现实意义。

为了解决这个问题，只能是在系统需要限制充电功率时，无差别地降低连接设备的功率，如在试点项目中，如果居民负荷和其它公共负荷达到300kVA，此时只有100kVA分配给电动汽车充电，若当前连接车辆是20个，那么每个车辆的充电功率将被限制为5kW. 对于需要紧急充电的车辆，社区内还建有一个直流快充设施（如图11.）作为补充。

对分布式光伏发电的控制策略则要复杂一些，

» 如果光伏发电容量较小，应该在白天电价高峰阶段直接补偿公用设施用电，如通风、排水、电梯及其它连续运行的公用设施。

» 如果光伏发电容量较大，在白天电价高峰阶段，除了能够覆盖连续公用负荷外，额外的发电容量可以使用储能设备进行储存，在光伏出力下降时补偿公用负荷。

» 如果储能容量足够，也可以在白天发电高峰期间储能，在夜晚电价高峰阶段放电，补偿公用设施用电，如电动充电桩。

» 由于居民用户都是直接计量，因此公共的分布式发电设施在没有上网电价政策（Feed-in tariffs, FIT）时，需要仔细考虑优化策略，防止无效的逆功率、防止在电价低谷期间放电。幸好，这里发电容量基本是固定的，可以设计优化一次，无需动态调整。因此优选固定搬移的“套利选项”以简化设计。

这些控制措施在IEEE1547-2018中有完整的讨论。

从上述两个负荷/发电的搬移需求来看，显然，配电台区的控制器如果设计了相应的功能，可以有效地控制台区的各种灵活性负荷，而且有如下优点：

» 就地采集、就地控制

» 无需系统干预，容易在其它配电台区快速复制

此时，需要配电的用采集中器具有强大的边缘计算功能，或者设置专门的边缘路由器，将上述功能需求固化为算法，以实现，

» 电动汽车充电负荷搬移，即：有序充电

» 分布式发电和分布式储能的协调优化，公用用电设施的“用电套利应用”

完全的就地化、边缘计算使得应用具有极大的灵活性，但是如果考虑中压配电网的大范围拥塞问题，单一的配电台区优化显然无法获得上一级系统的数据和信息。因此从配电系统、上一级配电变电站反馈到配电管理中心的数据可以帮助配电运营商要求更大范围的协调功能。

在图5中，配电SCADA可以获得高压/中压电网的数据，它可以通过企业总线向用采系统发出限制某个区域的所有配电台区充电功率的要求。本试点项目中，重点测试了这个功能，而且这种限制实际是最高优先级的，因为配电系统的数据是台区所无法掌握的，一般关联大系统的平衡和稳定要求。

图6. 台区数据集中器终端箱

图7. 安装在配电变压器低压出口侧的数据集中器

图8. 安装在充电桩内部的载波控制/计量模块

通信及控制协议

确定了具体的需求和应用逻辑，在试点项目实施过程中，最重要的是确定通信方式和所使用的通信协议。由图9，配电管理的高压/中压系统基本与变电站和大电网使用的通信方式/控制协议相一致。这些协议与用电信息采集使用的有很大的差别。本质上公网无线和专网只是在安全防护设计上有所不同，但在使用控制协议上，配网和用采的协议有巨大区别。

» 配网使用的IEC 60870-5-104，103，IEC 61850都经过完整的互操作性测试

» 用采使用的行业标准DL645（更接近IEC 62056）需要对光伏发电、储能、电动汽车的控制进行扩充

» 因此DL645最初并没有考虑这些灵活性资源的控制，未来还需要进一步标准化，甚至需要与智能家居中的智能用电器的标准进行合并和统一，因此制定相关标准工作非常紧迫和重要，不能仅局限于行业标准，很可能是面向消费品的更高级别的国家标准或国际标准

» 用采协议的优点是本身考虑了加密和数据安全选项

图9. 配电和计量所使用的不同通信形式和控制协议

除了控制协议，在低压侧使用载波存在一定的疑问。目前有关物联网的通信技术层出不穷，但使用载波是基于以下考虑：

» 对于光伏逆变器可以使用允许式控制信号，当配电线路正常时，光伏逆变器可以收到来自数据集中器的载波信号，一旦配电故障或任何其它原因断开，光伏逆变器都不会收到允许信号，此时光伏逆变器应该立即停止输出，因此不会导致分布式发电的孤岛现象，不会反向充电，防止对配电检修造成安全隐患。

» 载波同时具有鉴相功能，可以自动识别低压供电拓扑。对于连接在不同相上的充电设施，可以实现分相控制，因此可以进一步开发低压侧三相平衡的配电自动化功能。

» 载波的接入比较简单，可以实现即插即用——电力公司可能需要进行白名单管理，即在集中器中设置的档案管理。可以通过手持终端，结合设备资产管理，以无感方式录入白名单，保证合法设备的接入。

» 载波的可靠通信速率较低，但对于计量设备来说，如智能电表，平均的数据带宽需求应该低于10bps（日冻结及15分钟曲线的需求），载波完全满足这种需求。其它设备同样对带宽要求不高，因此无需投入昂贵的通信模块，仅需一次投入且无后期运营商的公网服务费用。

载波的选择和标准化同样重要，在国内可以使用国网推广的HPLC或南网推广的相关技术，在海外市场宜使用G3-PLC. 它们都是基于OFDM（正交频分）的窄带技术（HPLC带宽略高），同时具备子载波通道选择自适应技术，保证了通信的高可靠性。

值得注意的是：安装在低压侧的载波控制/计量模块实际上可以作为轻量级配电网自动化的载体——更多的是发出「允许」和调节命令，而不是分合闸。如果这种载波控制模块能够实现标准化，那么它可以集成在具有灵活性的用电或分布式发电控制器中，而无需考虑载波模块与受控制设备的协议。如果必须采用分离式设计，那么可能标准的串行接口和协议可能是最简单实用的，但容易受到物理攻击。

图10. 普通的交流充电控制电路

更多种形式的灵活性资源

具体在一个社区的试点项目使电力公司了解了配电网在单一节点控制灵活性资源的需求和方法。社区和南瑞集团因此获得了很多重要的有关灵活性资源使用的信息，基于用采集中器可以控制，

» 社区电动汽车在用电高峰之外有序充电，因此避免昂贵的社区配电基础设施升级，充分利用现有容量

» 灵活调节分布式发电和分布式储能，平衡社区公共用电，实现峰谷套利

基于配电台区的“边缘控制”，可以在台区内为居民用户提供上述功能。同时也为其它潜在的综合能源聚合服务商提供了技术手段，“边缘控制”设备可以接受来自云端的高优先级控制命令，在更大范围内聚合上述灵活性资源为电力公司提供需求响应服务，在未来通过市场化的手段（交易系统——日前、日内交易两个市场）为大系统提供需求平衡甚至频率响应服务。

有序充电可能会对客户的紧急充电产生影响，在这个试点项目中，江苏电力公司还为社区用户新建了一台直流快速充电设施，保证客户的紧急需求。不仅如此，该直流充电设施还具有反向的车辆储能到电网（V2G）功能，未来社区的紧急用电可以由V2G提供备用电源，如，照明、消防、通信。因此它还是建设弹性配网（Resilience）的一个有效手段。

图11. 考虑未来使用的可实现V2G的直流充电设施