技术文章

安科瑞 刘秋霞

摘要：在“双碳”目标及电动车迅猛发展的背景下，为解决电动车充电问题，同时进行能源优化，以太阳能作为基础能源，结合物联网和人工智能等新兴技术，构建分布式智慧光伏充电站。基于安科瑞公司分布式智慧光伏充电站物联网平台，结合云服务和人工智能技术实现分布式集成管理，平台可实时采集各种数据，并根据采集的数据尧光伏发电预测数据及用户用电预测数据进行系统层面的优化调度，实现蓄电池的充放电智能动态管理。分布式智慧光伏充电站可显著提高系统的管理水平，充分利用光伏发电，降低运行费用，实现系统整体节能降耗。

关键词：新能源；光储一体化充电站；双碳；分布式光伏

1光储一体化充电站发展现状

1.1国内发展现状

自2020年9月中国提出实现碳达峰尧碳中和的宏伟目标以来，我国的能源发展重心已明确转向构建清洁低碳能源体系。与此同时，物联网技术的飞速发展为基础设施建设提供了强有力的支持。电动车作为清洁能源交通的未来方向，其发展受到了广泛的关注。然而，电动车充电基础设施的不足和充电基础设施与新能源及物联网等的融合不足，成为当前电动车产业面临的主要挑战。

国内研究已明确指出，电动车充电基础设施的不足已成为制约电动车发展的一个重要因素。近年来，中国在光伏技术领域取得了显著进步，已经展开了光伏系统在能源领域的应用研究，但充电站的整合仍需进一步探索。同时，国内学者也开始研究如何将物联网技术应用于能源管理，以实现对能源系统的智能监测和控制。

1.2国外发展现状

在国际领域，一些光伏电动车充电站项目已经涌现。同时，物联网技术在能源领域的应用已取得了显著成果，例如实时监测能源系统并进行管理以提高效率尧增强安全性。

2系统框架

分布式智慧光伏充电站位于山东建筑大学校内，包括分布式光伏储能系统和充电桩智能控制系统两个子系统，其系统结构如图1所示。

2.1分布式光伏储能系统

分布式光伏储能系统采用了36块峰值输出功率为430W的单晶硅PV光伏板尧3台功率为4KW的储能逆变器尧3块48V100AH的磷酸铁锂蓄电池以及其它配件设备组成。在整个系统中，PV光伏板以两两串联的方式，形成了18个并联的PV光伏板单元，每6个单元渊12块PV光伏板冤与一个储能逆变器连接形成一个光伏板组，以分布式方式进行布置。此外，系统中的蓄电池作为储能单元被并联到各储能逆变器的后端。同时，本实验装置选用的HFP48储能逆变器的太阳能光伏发电模块，使用了新优化的MPPT追踪技术，能快速定位到光伏阵的大功率点，实时获取PV光伏板的大能。

2.2充电桩智能控制系统

在分布式智慧光伏充电站的架构中，充电桩智能控制系统扮演了一个不能或缺的角色，其主要职责包括整合尧管理及指导充电系统的运作。旨在确保系统能够适应多变的环境条件与不同的用户需求。结合系统设定，每组储能逆变器渊容量为4KW冤连接12块峰值输出功率为430W的单晶硅PV光伏板。鉴于电动自行车充电器的功率大致在300W左右，每组储能逆变器配备7个充电终端节点，每个节点配置2个充电插头，以确保充足的充电能力。采纳将7个充电终端设备分为一组的策略，不仅增强了系统的模块化和灵活性，同时也为系统未来的扩展或维护提供了便利。这些充电终端通过RS484接口相互连接，确保了数据传输的高速与稳定。同时，每个充电终端都装备了高精度的传感器，它们可以对充电过程中的各种参数进行实时监测，如充电桩的温度尧电压尧电流以及充电状态等。这些关键参数数据不仅对于确保充电效率至关重要，还有助于预防和及时处理可能出现的异常情况。

3物联网通信技术

物联网作为一种物物相联的互联网形式，拥有全面感知尧可靠传递和智能处理等显著特征，能够将传感技术与智能技术相互融合，同时充分利用云计算尧数据挖掘尧神经网络等智能技术，满足多样化的用户需求。本文研究搭建的分布式智慧光伏充电站系统，是一个采用物联网技术的3层结构智能网络。物联网网络拓扑结构如图2所示。

图2

在该网络拓扑结构中，主要用到Modbus有线通信技术,MQTT云通信技术和数据透传技术。

3.1Modbus有线通信

在感知层的构建中，系统采用了Modbus协议配合RS484接口来实现各传感器和设备间的有线通信。Modbus协议因其稳定性和高度的兼容性，在工业通讯领域被广泛认可。通过这种方式,确保了包括储能逆变器、蓄电池组、火灾报警器、智能充电桩等在内的多种设备，能够实现安全、准确的信息交换。

3.2MQTT云通信及数据透传

由于管理平台距离充电桩较远，因此系统的网络层采用了MQTT协议以及4G数据帧透传。MQTT是一种轻量级的消息传输协议，适用于物联网环境中带宽有限的设备。在本系统中，MQTT用于将储能逆变器和小型气象站收集的数据通过无线数据终端上传至平台，这些数据包括光伏发电量、能源存储水平、温度等。此外，智能充电桩的数据使用RS484总线进行数据汇总，终通过远程终端单元进行数据帧透传至平台，以支持实时的远程监控和控制。

4 Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

4.1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-4-101、IEC60870-4-103、IEC60870-4-104、MQTT等通信规约。

4.2平台适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

4.3系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

5充电站微电网能量管理系统解决方案

5.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

5.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

5.1.3风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.1.4充电站界面

图14充电站界面

本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

5.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

5.1.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

5.1.7策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图17策略配置界面

5.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图18运行报表

5.1.9实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等。信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

5.1.10历史事件查询

应能够对。信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

5.1.11电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.4～63.4次间谐波电压含有率、0.4～63.4次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

4）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、94%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

5.1.12监控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程。控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成。控操作，并遵循。控预置、。控返校、。控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21监控功能

5.1.13曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

5.1.14统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

5.1.15网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

5.1.16通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-4-101、IEC60870-4-103、IEC60870-4-104、MQTT等通信规约。

图24通信管理

5.1.17用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经允许的操作（如。控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

5.1.18故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

5.1.19事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故*10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

6硬件及其配套产品

7结束语

本研究构建了一个分布式智慧光伏充电站，括分布式光伏储能系统和充电桩智能控制

系统，以太阳能作为基础能源，结合物联网和人工智能等新兴技术，构建分布式智慧光伏充电站。

【参考文献】

【1】赵世佳，赵福全，郝瀚，等.中国新能源汽车充电基础设施发展现状与应对策略[J].

【2】朱伟钢，林燕梅，周蕾.太阳能光伏发电在中国的应用[J].

【3】高祥宇,李慧,孙银兵.基于Niagara的分布式智慧光伏充电站

【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.4版.

【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.04版.