CN113183814A - 充电场站多层级能量管理系统及其运行方法 - Google Patents

充电场站多层级能量管理系统及其运行方法 Download PDF

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CN113183814A CN202010034551.5A CN202010034551A CN113183814A CN 113183814 A CN113183814 A CN 113183814A CN 202010034551 A CN202010034551 A CN 202010034551A CN 113183814 A CN113183814 A CN 113183814A
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李德胜
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Abstract

本发明提供一种充电场站多层级能量管理系统及其运行方法，所述系统包括服务器、多个能量管理器和多个充电桩，多个能量管理器分别处于不同层级，每一层级对应设置相应数量的充电桩，每个能量管理器与服务器进行通信，并与所处层级的每个充电桩进行通信，其中，服务器用于向每个能量管理器发送查询命令，并接收每个能量管理器发送的所处层级的层级信息，以及根据层级信息生成包含能量管理配置信息的配置文件，并发送至每个能量管理器；能量管理器用于根据查询命令获取所处层级的层级信息，并发送至服务器，以及根据服务器发送的配置文件对所处层级的充电桩进行功率控制以实现能量管理调度。本发明能够提高充电桩的利用率，保证容量分配的合理性。

Description

充电场站多层级能量管理系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及能量管理技术领域，具体涉及一种充电场站多层级能量管理 系统和一种充电场站多层级能量管理系统的运行方法。
背景技术
近年来，随着新能源电动汽车市场的快速发展和普及，充电场站的建设 也进入了快车道。然而大量充电桩在老旧小区及新建住宅小区中的需求越来 越大，面对老旧小区电网容量不够现象，在现有住宅及老旧小区中部署充电 桩群多层级能量管理系统为新能源车主提供充电服务势必会是一种趋势。
目前，在住宅小区地下车库或路面车位上部署充电桩存在各种问题，面 对不同住宅小区配电系统及部署位置的差异化等问题也逐渐突显，有些充电 桩从变压器出口处一级配电系统中直接拉一路供电线，有些由于车位位置只 能二级配电系统楼层的总配电系统中直接拉一路供电线，甚至有些业主直接 从自家三级配电系统中拉一路供电线给充电桩供电，这也让错综复杂的各种 住宅小区配电系统中利用一种多层级能量管理配置及运行方法部署一套多层 级充电场站能源管理系统变得尤为重要。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种充电场站多层级能量管理系统 及其运行方法，能够实现跨层级能量管理调度，从而能够提高充电桩的利用 率，保证容量分配的合理性。
本发明采用的技术方案如下：
一种充电场站多层级能量管理系统，包括服务器、多个能量管理器和多 个充电桩，所述多个能量管理器分别处于不同层级，每一层级对应设置相应 数量的所述充电桩，每个所述能量管理器与所述服务器进行通信，并与所处 层级的每个所述充电桩进行通信，其中，所述服务器用于向每个所述能量管 理器发送查询命令，并接收每个所述能量管理器发送的所处层级的层级信息， 以及根据所述层级信息生成包含能量管理配置信息的配置文件，并发送至每 个所述能量管理器；所述能量管理器用于根据所述查询命令获取所述所处层 级的层级信息，并发送至所述服务器，以及根据所述服务器发送的所述配置 文件对所处层级的充电桩进行功率控制以实现能量管理调度。
每个所述能量管理器所处层级的层级信息包括当前层级负载最大功率限 值、当前层级所述充电桩的数量、当前层级每个所述充电桩的类型，当前层 级所述充电桩在线状态下充电功率调节范围值、当前层级所述充电桩离线状 态下最大功率值。
所述能量管理配置信息包括系统总功率容量、充电场站的层级数及场站 层级ID、非充电桩负载总容量、每一层级的上层功率总容量、每一层级中非 充电桩负载容量、每一层级中充电桩的数量、每一层级的容量分配优先级、 每一层级中充电桩的ID及充电桩类型、每一层级中各个充电桩的功率信息。
如果所述服务器未接收到任一能量管理器发送的层级信息，则将该能量 管理器标记为离线状态，并将该能量管理器上一次成功发送的层级信息作为 当前层级信息。
当所述充电桩与所处层级的能量管理器通信正常时，所述充电桩的实际 输出功率小于桩端固有最大充电功率、所述能量管理器发送的充电输出功率 设定值和所述能量管理器发送的当前需求充电功率中的最小值；当所述充电 桩与所处层级的能量管理器通信异常时，所述充电桩的实际输出功率小于桩 端固有最大充电功率、所述能量管理器设置的桩端最大充电功率和所述能量 管理器发送的当前需求充电功率中的最小值。
其中，如果所述充电场站中所有充电桩的实际输出总功率、所有非充电 桩负载总功率与场站功率裕度之和大于场站容量，则所述服务器重新计算和 更新每个所述能量管理器所处层级每个充电桩的充电输出功率设定值。
所述能量管理器根据所述服务器发送的新的配置文件进行自升级，并以 升级后的配置文件对所处层级的充电桩进行功率控制。
所述配置文件为XML文件。
一种上述充电场站多层级能量管理系统的运行方法，包括以下步骤：所 述服务器向每个所述能量管理器发送查询命令；每个所述能量管理器根据所 述查询命令获取所述所处层级的层级信息，并发送至所述服务器；所述服务 器根据所述层级信息生成包含能量管理配置信息的配置文件，并发送至每个 所述能量管理器；每个所述能量管理器根据所述服务器发送的所述配置文件 对所处层级的充电桩进行功率控制以实现能量管理调度。
本发明的有益效果：
本发明实施例的充电场站多层级能量管理系统及其运行方法，通过建立 多个层级的能量管理器与服务器之间的通信连接，每个能量管理器根据服务 器统一下发的查询命令获取和上传层级信息，服务器根据层级信息生成和下 发配置文件，实现对每个层级的能量管理调度，由此，能够对多个层级的能 量管理器进行协调交互和控制，并对多个层级的充电桩进行统一配置，实现 跨层级能量管理调度，从而能够提高充电桩的利用率，保证容量分配的合理 性。
附图说明
图1为本发明实施例的充电场站多层级能量管理系统的方框示意图；
图2为本发明实施例的充电场站多层级能量管理系统的运行方法的流程 图；
图3为本发明一个具体实施例的能量管理调度流程图；
图4为本发明一个具体实施例的配置文件的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的充电场站多层级能量管理系统包括服务器 10、多个能量管理器20和多个充电桩30，多个能量管理器20分别处于不同 层级，每一层级对应设置相应数量的充电桩30，每个能量管理器20与服务 器10进行通信，并与所处层级的每个充电桩30进行通信。
在本发明的一个实施例中，能量管理器20和充电桩30可部署于充电场 站，服务器10可以是单独的服务器主机，也可以是分布式服务器集群。能 量管理器20与服务器10之间可以通过有线的通信方式进行双向信息交互， 也可以通过无线的通信方式，例如WIFI、4G、NB-IoT等进行双向信息交互。 能量管理器20与充电桩30之间可以通过有线的通信方式，例如RS485进行 双向信息交互，也可以通过无线的通信方式，例如WIFI、LoRa等进行双向 信息交互。
在本发明的一个实施例中，充电场站除了具有充电桩30外，还可具有 其他非充电桩负载，例如照明灯等。
其中，服务器10用于向每个能量管理器20发送查询命令，并接收每个 能量管理器20发送的所处层级的层级信息，以及根据层级信息生成包含能 量管理配置信息的配置文件，并发送至每个能量管理器20；能量管理器 20用于根据查询命令获取所处层级的层级信息，并发送至服务器10，以及 根据服务器10发送的配置文件对所处层级的充电桩30进行功率控制以实现 能量管理调度。
在本发明的一个实施例中，能量管理器20所处层级的层级信息包括当 前层级负载最大功率限值、当前层级充电桩的数量、当前层级每个充电桩的 类型，当前层级充电桩在线状态下充电功率调节范围值、当前层级充电桩离 线状态下最大功率值。
在本发明的一个实施例中，服务器10可对各个能量管理器20所处层级 的层级信息进行汇总计算，得到能量管理配置信息，能量管理配置信息包括 系统总功率容量、充电场站的层级数及场站层级ID、非充电桩负载总容量、 每一层级的上层功率总容量、每一层级中非充电桩负载容量、每一层级中充 电桩的数量、每一层级的容量分配优先级、每一层级中充电桩的ID及充电 桩类型、每一层级中各个充电桩的功率信息。服务器10可为每一层级分配 带有余量的用电容量，并生成相应层级的配置文件。
在本发明的一个实施例中，服务器10可通过广播的形式向各个层级的 能量管理器20发送查询命令和配置文件，能量管理器20可根据服务器 10发送的新的配置文件进行自升级，并以升级后的配置文件对所处层级的充 电桩进行功率控制。在本发明的一个具体实施例中，配置文件可为XML文 件，能量管理器20可根据接收到的XML文件更新本地XML文件，过判断 广播报文中的升级文件的版本号来进行自升级，升级成功后服务器10可远 程重启能量管理器20，能量管理器20根据最新的XML文件对所处层级进 行能量管理调度。在一些实施例中，所述配置文件还可以包括Json格式的配 置文件、TXT格式的配置文件、EXCEL格式的配置文件以及其他自定义格 式的配置文件等。
在本发明的一个实施例中，如果能量管理器20检测到所处层级的设备 有变更或更新，例如增删了充电桩、充电桩维修、充电桩故障、用电容量改 变等，能量管理器20可主动上报服务器10，使服务器10广播整套系统进行 层级信息的汇总及更新一次整体系统的同步配置操作。如果服务器10未接 收到任一能量管理器20发送的层级信息，则将该能量管理器20标记为离线 状态，并将该能量管理器20上一次成功发送的层级信息作为当前层级信息 以进行汇总计算。
在本发明的一个实施例中，充电桩桩端功率信息相关的参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002365504870000061
当充电桩与所处层级的能量管理器通信正常时，充电桩的实际输出功率 小于桩端固有最大充电功率、能量管理器发送的充电输出功率设定值和能量 管理器发送的当前需求充电功率中的最小值，即
Figure RE-GDA0002474862800000062
当充电桩与所处层级的能量管理器通信异常时，充电桩的实际输出功率 小于桩端固有最大充电功率、能量管理器设置的桩端最大充电功率和能量管 理器发送的当前需求充电功率中的最小值，即
Figure RE-GDA0002474862800000063
能量管理器端功率信息相关的参数如表2所示。
表2
Figure BDA0002365504870000064
Figure BDA0002365504870000071
充电场站各层级的能量管理器20可在服务器10分发下来的配置文件生 效后，在一定的同步时间内，根据所处层级的充电桩用能情况Pcur_i及非充电 桩负载的Pload实时给正在工作的充电桩进行充电功率分配，对新启动的充电 桩进行限功率启动，在新的同步时间内进行调节充电桩运行功率等场景的能 量管理动态调控。
在实际能量管理调度过程中，场站总功率，即充电场站中所有充电桩的 实际输出总功率、所有非充电桩负载总功率与场站功率裕度之和不大于场站 容量，即：
Figure RE-GDA0002474862800000072
其中，N为充电场站中某个断路器支路下充电桩的数量。
由于充电桩功率受BMS需求变化而变化，
Figure BDA0002365504870000082
是一个实时变化值，在 EMS内部按照
Figure BDA0002365504870000083
进行管控，因此，有：
Figure RE-GDA0002474862800000075
Figure RE-GDA0002474862800000076
服务器10可根据各层级能理管理器20反馈的层级信息汇总计算Pcur_i， 使充电场站的最大负荷满足公式(3)的限制，以防止充电场站变压器超容。
如果场站总功率，即充电场站中所有充电桩的实际输出总功率、所有非 充电桩负载总功率与场站功率裕度之和大于场站容量，则服务器10可重新 计算和更新每个能量管理器20所处层级每个充电桩的充电输出功率设定值， 即如果
Figure BDA0002365504870000086
则每个充电桩的充电输出功率设定值Pset_i可根据下式 (6)～(9)进行计算：
Figure RE-GDA0002474862800000082
Figure RE-GDA0002474862800000083
其中，非充电桩负载的功率在用于监测负载的电表通信中断时，有
Figure BDA0002365504870000088
每个充电桩占用的场站功率在充电桩通信正常时有：
Figure BDA0002365504870000089
在充电桩通信异常时有：
Figure BDA0002365504870000091
对应上述实施例的充电场站多层级能量管理系统，本发明还提出一种充 电场站多层级能量管理系统的运行方法。
如图2所示，本发明实施例的充电场站多层级能量管理系统的运行方法 包括以下步骤：
S1，服务器向每个能量管理器发送查询命令。
S2，每个能量管理器根据查询命令获取所处层级的层级信息，并发送至 服务器。
S3，服务器根据层级信息生成包含能量管理配置信息的配置文件，并发 送至每个能量管理器。
S4，每个能量管理器根据服务器发送的配置文件对所处层级的充电桩进 行功率控制以实现能量管理调度。
此外，如果某个能量管理器检测到所处层级的设备有变更或更新，例如 增删了充电桩、充电桩维修、充电桩故障、用电容量改变等，能量管理器可 主动上报服务器。如果某个能量管理器未响应查询命令，即服务器未接收到 任一能量管理器发送的层级信息，则服务器可将该能量管理器标记为离线状 态，并将该能量管理器上一次成功发送的层级信息默认为当前的层级信息。
本发明一个具体实施例的能量管理调度流程如图3所示，包括：各层级 所有能量管理器实时监测各充电桩及负载的实时状态及实时功率，更新 Psta；判断当前层级功率Psta是否超过当前层级最大功率Pmax；如果是，则按 照Psta<Pmax，重新计算各层级能量管理器对应的各充电桩的功率设定值 Pset_i；能量管理器下发调整后的Pset_i，先下发功率降低的指令防止功率突增； 能量管理器上报服务器，将当前层级的实时的层级信息进行更新；服务器汇 集所有的层级能量管理器的层级信息计算后在一定同步时时间内进行层级功 率分配。
下面具体实施例以常见的三级配电系统所对应的三个层级架构详细说明 本发明的充电场站多层级能量管理系统。
本发明一个具体实施例的充电场站多层级能量管理系统的运行方法包括：
步骤1：运维人员确保整个系统都已上电，各个能量管理器上电通信正 常，服务器通过广播下发查询各个能量管理器层级信息的查询命令。
步骤2：各层级能量管理器接收到广播的查询命令，当前层级能量管理 器汇总当前层级总功率容量信息、上层可用功率容量、当前充电桩群功率容 量、非充电桩负载功率容量、下层可用功率容量、当前层当前充电桩的数量、 当前层每个充电桩的ID、当前层充电桩的类型、当前层每台充电桩最大功率、 当前层充电桩最大功率、当前能量管理系统可利用功能容量作为层级信息上 报给服务器。
步骤3：服务器根据各层级能量管理器反馈的层级信息进行汇总计算， 得到系统总功率容量信息、每一层级的信息、当前容量分配的优先级等信息 生成系统配置文件，例如图4所示配置文件。配置文件描述的3个层级总容 量为1000kW，第一层上层容量为1000kW，其他非充电桩负载容量为 100kW，下层可提供容量为300kW，充电桩使用最大容量600kW，能量管理 系统优先级为1(高-最优先保证当前层级供能)，第一层充电桩数量为5台， 分别为5台120kW的直流DC充电桩，ID分别从1-5；第二层上层容量为 300kW，其他负载容量100kW，下层容量为100kW，充电桩最大使用容量为 100kW，能量管理系统优先级为2(中)，第二层充电桩数量为4台，分别 为ID＝1的DC60kW直流桩，ID＝2的V2G20kW的V2G充电桩，ID＝3和 ID＝4的AC7kW交流桩；第三层上层容量为100kW，其他负载容量10kW， 下层容量为0，即无下层，充电桩使用最大容量90kW，能量管理系统优先 级为3(低)，第三层充电桩的数量7台，分别为ID＝1的DC30kW直流桩，ID＝2的V2G20kW的V2G充电桩，ID＝3、ID＝4和ID＝5的AC7kW交流桩。
步骤4：服务器将生成的系统XML配置文件通过广播方式下发给各层 级的能量管理器，各层级的能量管理器收到XML配置文件后，通过自升级 方式升级能量管理器本机的配置文件，通过判断广播报文中的升级文件的版 本号来进行自升级，升级成功后服务器远程重启能量管理器。
步骤5：各层级能量管理器按最新XML配置文件中系统拓扑及各层级 信息根据底层实时负载用能情况对底层的充电桩进行功率控制来达到能量管 理调度效果。
步骤6：系统运行过程中，各层级能量管理器根据自身层级的负载变化 情况动态更新XML配置文件中对应层级信息，各能量管理器将自身层级的 对应的信息更新汇总到服务器中的多层级充电桩群能量管理系统中。
步骤7：服务器汇总各层级的能量管理器信息，同步计算更新各层级的 其他负载总容量、每一层上层功率可利用总容量、每一层中其他负载容量、 每一层功率分配的优先级、当前能量管理系统可利用功能容量等信息更新 XML配置文件。
步骤8：在服务器约定的一个同步周期内，由系统中的多层级充电桩群 能量管理系统更新整体的XML配置文件，各个层级的能量管理器按照最新 获取到的XML配置文件根据当前层级的非充电桩负载及充电桩情况对充电 桩进行功率控制，实现实时能量管理调度。
综上所述，根据本发明实施例的充电场站多层级能量管理系统及其运行 方法，通过建立多个层级的能量管理器与服务器之间的通信连接，每个能量 管理器根据服务器统一下发的查询命令获取和上传层级信息，服务器根据层 级信息生成和下发配置文件，实现对每个层级的能量管理调度，由此，能够 对多个层级的能量管理器进行协调交互和控制，并对多个层级的充电桩进行 统一配置，实现跨层级能量管理调度，从而能够提高充电桩的利用率，保证 容量分配的合理性。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确 具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示 例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或 示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或 示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实 施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的 技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例 的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (9)

1.一种充电场站多层级能量管理系统，其特征在于，包括服务器、多个能量管理器和多个充电桩，所述多个能量管理器分别处于不同层级，每一层级对应设置相应数量的所述充电桩，每个所述能量管理器与所述服务器进行通信，并与所处层级的每个所述充电桩进行通信，其中，所述服务器用于向每个所述能量管理器发送查询命令，并接收每个所述能量管理器发送的所处层级的层级信息，以及根据所述层级信息生成包含能量管理配置信息的配置文件，并发送至每个所述能量管理器；所述能量管理器用于根据所述查询命令获取所述所处层级的层级信息，并发送至所述服务器，以及根据所述服务器发送的所述配置文件对所处层级的充电桩进行功率控制以实现能量管理调度。
2.根据权利要求1所述的充电场站多层级能量管理系统，其特征在于，每个所述能量管理器所处层级的层级信息包括当前层级负载最大功率限值、当前层级所述充电桩的数量、当前层级每个所述充电桩的类型，当前层级所述充电桩在线状态下充电功率调节范围值、当前层级所述充电桩离线状态下最大功率值。
3.根据权利要求2所述的充电场站多层级能量管理系统，其特征在于，所述能量管理配置信息包括系统总功率容量、充电场站的层级数及场站层级ID、非充电桩负载总容量、每一层级的上层功率总容量、每一层级中非充电桩负载容量、每一层级中充电桩的数量、每一层级的容量分配优先级、每一层级中充电桩的ID及充电桩类型、每一层级中各个充电桩的功率信息。
4.根据权利要求3所述的充电场站多层级能量管理系统，其特征在于，如果所述服务器未接收到任一能量管理器发送的层级信息，则将该能量管理器标记为离线状态，并将该能量管理器上一次成功发送的层级信息作为当前层级信息。
5.根据权利要求4所述的充电场站多层级能量管理系统，其特征在于，当所述充电桩与所处层级的能量管理器通信正常时，所述充电桩的实际输出功率小于桩端固有最大充电功率、所述能量管理器发送的充电输出功率设定值和所述能量管理器发送的当前需求充电功率中的最小值；当所述充电桩与所处层级的能量管理器通信异常时，所述充电桩的实际输出功率小于桩端固有最大充电功率、所述能量管理器设置的桩端最大充电功率和所述能量管理器发送的当前需求充电功率中的最小值。
6.根据权利要求5所述的充电场站多层级能量管理系统，其特征在于，其中，如果所述充电场站中所有充电桩的实际输出总功率、所有非充电桩负载总功率与场站功率裕度之和大于场站容量，则所述服务器重新计算和更新每个所述能量管理器所处层级每个充电桩的充电输出功率设定值。
7.根据权利要求6所述的充电场站多层级能量管理系统，其特征在于，所述能量管理器根据所述服务器发送的新的配置文件进行自升级，并以升级后的配置文件对所处层级的充电桩进行功率控制。
8.根据权利要求7所述的充电场站多层级能量管理系统，其特征在于，所述配置文件为XML文件。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的充电场站多层级能量管理系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述服务器向每个所述能量管理器发送查询命令；
每个所述能量管理器根据所述查询命令获取所述所处层级的层级信息，并发送至所述服务器；
所述服务器根据所述层级信息生成包含能量管理配置信息的配置文件，并发送至每个所述能量管理器；
每个所述能量管理器根据所述服务器发送的所述配置文件对所处层级的充电桩进行功率控制以实现能量管理调度。
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