安科瑞 陳聰

摘要：在“雙碳”目標及電動車迅猛發展的背景下，為解決電動車充電問題，同時進行能源優化，以太陽能作為基礎能源，結合物聯網和人工智能等新興技術，構建分布式智慧光伏充電站。基于安科瑞公司分布式智慧光伏充電站物聯網平臺，結合云服務和人工智能技術實現分布式集成管理，平臺可實時采集各種數據，并根據采集的數據堯光伏發電預測數據及用戶用電預測數據進行系統層面的優化調度，實現蓄電池的充放電智能動態管理。分布式智慧光伏充電站可顯著提高系統的管理水平，充分利用光伏發電，降低運行費用，實現系統整體節能降耗。

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展現狀

1.1國內發展現狀

自2020年9月中國提出實現碳達峰堯碳中和的宏偉目標以來，我國的能源發展重心已明確轉向構建清潔低碳能源體系。與此同時，物聯網技術的飛速發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網等的融合不足，成為當前電動車產業面臨的主要挑戰。

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網技術應用于能源管理，以實現對能源系統的智能監測和控制。

1.2國外發展現狀

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

2系統框架

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和充電樁智能控制系統兩個子系統，其系統結構如圖1所示。

2.1分布式光伏儲能系統

分布式光伏儲能系統采用了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。在整個系統中，PV光伏板以兩兩串聯的方式，形成了18個并聯的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，系統中的蓄電池作為儲能單元被并聯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電模塊，使用了新優化的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

在分布式智慧光伏充電站的架構中，充電樁智能控制系統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的運作。旨在確保系統能夠適應多變的環境條件與不同的用戶需求。結合系統設定，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個充電終端節點，每個節點配置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，不僅增強了系統的模塊化和靈活性，同時也為系統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測，如充電樁的溫度堯電壓堯電流以及充電狀態等。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的異常情況。

3物聯網通信技術

物聯網作為一種物物相聯的互聯網形式，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，是一個采用物聯網技術的3層結構智能網絡。物聯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，系統采用了Modbus協議配合RS484接口來實現各傳感器和設備間的有線通信。Modbus協議因其穩定性和高度的兼容性，在工業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，因此系統的網絡層采用了MQTT協議以及4G數據幀透傳。MQTT是一種輕量級的消息傳輸協議，適用于物聯網環境中帶寬有限的設備。在本系統中，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控和控制。

4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、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應采用分層分布式結構，整個能量管理系統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通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-4-101、IEC60870-4-103、IEC60870-4-104、MQTT等通信規約。

4.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.3系統架構

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組網方式

5充電站微電網能量管理系統解決方案

5.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、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，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：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；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

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

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，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，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

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

5.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、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儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、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PCS狀態界面

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

圖11儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、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風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、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視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

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

5.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，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電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統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、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，系統能夠對各子系統中的逆變器、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，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的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）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，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（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

5.1.12監控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程。控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成。控操作，并遵循?？仡A置、。控返校、。控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21監控功能

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統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、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統計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發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微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、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范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統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

應可以在系統發生故障時，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、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和充電樁智能控制

系統，以太陽能作為基礎能源，結合物聯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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【4】安科瑞高校綜合能效解決方案2022.4版.

【5】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.04版.