CN114285159B - 一种台区能源控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力自动化控制技术领域的一种台区能源控制系统，包括主站、台区融合终端、电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元；所述主站与台区融合终端通信连接；所述台区融合终端分别与所述电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元通信连接。本发明实现了对能源的合理分配和运用，提高了电网的稳定性；在经济效益方面，降低居民用户综合能耗；同时提高清洁能源消纳能力，在社会效益方面，满足节能减排提高能源利用效率，促进清洁能源在用户侧发展，提高电能在终端能源消费中的比重，实现能源的可持续利用。

Description

一种台区能源控制系统

技术领域

本发明属于电力自动化控制技术领域，具体涉及一种台区能源控制系统。

背景技术

随着能源科技与数字化创新的加速，传统的能源产业价值链正被重塑，全新的能源生态系统正在形成。一方面，越来越多光伏、风电等新能源和储能的接入；另一方面台区用能设备、分布式新能源、电动汽车有序充电及智慧家庭用能服务等智能用电设备及智能家电越来越多，耗能越来越大；无论是光伏、风电等新能源和储能的接入还是智能用电设备、智能家电等耗能设备的大量接入都对电网的稳定运行造成了一定的冲击，同时由于产能、储能设备与耗能设备对能量要求的不协调，导致了能源的不合理分配和浪费。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种台区能源控制系统，实现了对能源的合理分配和运用，提高了电网的稳定性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种台区能源控制系统，包括主站、台区融合终端、电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元；所述主站与台区融合终端通信连接；所述台区融合终端分别与所述电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元通信连接。

进一步地，所述电动汽车有序充放电单元包括有序充电边缘聚合控制器，所述有序充电边缘聚合控制器通过上行通讯接口分别与台区融合终端或主站通信连接，通过下行通信接口与若干个有序充电模组通信连接。

进一步地，主站将调度数据下发到台区融合终端，台区融合终端对本地基础负荷进行分配并下发至有序充电边缘聚合控制器；主站接收充电申请信息并转发到台区融合终端，由台区融合终端下发至有序充电边缘聚合控制器进行本地决策，生成充电计划，下发给有序充电模组；充电结束后由台区融合终端或直接由边缘聚合控制器向主站上传本地订单进行订单归档。

进一步地，有序充电模组接收充电申请信息并转发给有序充电边缘聚合控制器，由有序充电边缘聚合控制器进行本地决策，实现有序充电。

进一步地，所述电动汽车有序充放电单元包括若干个有序充电模组，若干个所述有序充电模组分别与台区融合终端通信连接。

进一步地，主站将调度数据下发到台区融合终端，主站接收充电申请信息并转发到台区融合终端，台区融合终端进行本地决策，生成充电计划，下发给有序充电模组；充电结束后台区融合终端向主站服务器上传本地订单进行订单归档。

进一步地，有序充电模组接收充电申请信息并转发给台区融合终端，由台区融合终端进行本地决策，实现有序充电。

进一步地，所述智慧家庭用能单元包括若干个智慧用能边缘聚合控制器，所述智慧用能边缘聚合控制器通过上行通讯接口分别与台区融合终端或主站通信连接，通过下行通信接口与若干个智能插座和配置在家用电器上的随器计量模块通信连接。

进一步地，智能插座和随器计量模块将采集到的各家用电器数据通过智慧用能边缘聚合控制器进行统一汇集并上传至台区融合终端，台区融合终端将数据统一处理后上送至主站。

进一步地，所述智能插座和/或随器计量模块接收来自智慧用能边缘聚合控制器的控制任务，并在指定时间点向家用电器发送启动、停止、功率调节或工作模式切换指令；同时，采集家用电器的运行数据，并上送至智慧用能边缘聚合控制器；智慧用能边缘聚合控制器对运行数据进行一定的处理和解析后上传至台区融合终端，由台区融合终端接入主站。

进一步地，所述台区分布式能源单元包括能源路由器，所述能源路由器通过上行通讯接口与台区融合终端通信连接，通过下行通信接口与光伏控制器、储能控制器或蓄冷蓄热控制器通信连接。

进一步地，能源路由器采集光伏、储能或蓄冷蓄热设备的运行数据并上传至台区融合终端，由台区融合终端接入主站；同时能源路由器接收来自台区融合终端下发的定时及周期控制任务计划，并根据计划在指定时间点向光伏、储能或蓄冷蓄热设备发送启动、停止、功率调节或充放电模式切换指令；接收实时及紧急任务计划调度，并向光伏、储能或蓄冷蓄热设备转发控制指令。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过主站与台区融合终端通信连接，台区融合终端分别与电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元通信连接，实现了对能源的合理分配和运用，提高了电网的稳定性；

在经济效益方面，对用户充电行为、用能行为的灵活引导与主动调控，对电动汽车的充电过程实施有序控制，提高电力设备自动化水平，实现电能信息远程采集和管理，鼓励用户科学合理用电，降低居民用户综合能耗；同时提高清洁能源消纳能力，为电网削峰填谷提供基础数据，提高资产利用率，减少供电公司运行成本和管理成本；

在社会效益方面，可丰富电动汽车的充电方式、节省使用费用、提升用户体验，满足电动汽车充电客户需要，节能减排，优化能源消耗结构；向家庭居民用户展示了新型用能服务理念，提高能源利用效率，使社会各届对智能电网具有真实的感性体验，传递节能生活理念，普及节能知识，有利于提高公众的环保意识；同时提高清洁能源比重，保证了台区可再生能源发电的大规模接入，促进清洁能源在用户侧发展，提高电能在终端能源消费中的比重，实现能源的可持续利用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种台区能源控制系统的整体通信架构示意图；

图2是本发明实施例中电动汽车有序充放电通信架构图；

图3是本发明实施例中电动汽车有序充放电控制交互场景图；

图4是本发明实施例中智慧家庭用能通信架构图；

图5是本发明实施例中智慧家庭用能控制交互场景图；

图6是本发明实施例中台区分布式能源通信架构图；

图7是本发明实施例中台区分布式能源控制交互场景图；

图8是本发明实施例中台区融合终端硬件结构图；

图9是本发明实施例中台区融合终端软件结构图；

图10是本发明实施例中有序充电边缘聚合控制器硬件功能框架；

图11是本发明实施例中有序充电边缘聚合控制器软件结构图；

图12是本发明实施例中有序充电模组化标准模块系统框架；

图13是本发明实施例中智能有序充电控制模组功能分解图；

图14是本发明实施例中智慧用能边缘聚合控制器硬件方案；

图15是本发明实施例中智慧用能边缘聚合控制器软件方案；

图16是本发明实施例中智能插座物理架构图；

图17是本发明实施例中智能插座硬件方案；

图18是本发明实施例中智能插座软件方案；

图19是本发明实施例中随器计量模块硬件组成示意图；

图20是本发明实施例中随器计量模块软件架构示意图；

图21是本发明实施例中能源路由器硬件方案；

图22是本发明实施例中能源路由器软件方案；

图23是本发明实施例中系统防护框架体系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种台区能源控制系统，包括主站、台区融合终端、电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元；所述主站与台区融合终端通信连接；所述台区融合终端分别与所述电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元通信连接。

台区能源控制系统关键设备主要集中于系统感知层。台区能源控制优化主要包括电动汽车有序充放电、智慧家庭用能、台区分布式能源三个应用场景。每个场景通过台区融合终端统一接入台区能源控制系统(特定场景下可以由边缘聚合控制器直接接入台区能源控制系统，边缘聚合控制器设计上预留上行通信接口)。整体通信架构如图1所示。

台区融合终端为台区侧智慧用能优化统一接入设备，根据主站下发的相关负荷指导曲线以及台区基础负荷预测曲线，结合当前台区实时负荷信息和台区内各用能设备实时用电情况，通过一定的策略和算法，对本地各边缘聚合控制器、能源路由器(或有序充电模组)进行负荷调配，由各边缘聚合控制器和能源路由器(或有序充电模组)对用户侧各用能设备进行采集和合理的负荷调控，根据配变安全运行要求对正在执行的负荷调节计划进行适当地调整更新，并由台区融合终端同步给主站。

台区融合终端的主要功能包括：(1)

基础遥测量汇集功能，实时汇总监测配变低压侧及下属设备的基本电气量，存入实时数据库，用以上传台区能源控制系统和台区内设备共享；(2)基础遥信量汇集功能，实时汇总监测变压器及下属设备的遥信量，为台区内能量调配和边缘计算提供数据和依据；(3)基础遥脉量汇集功能，实时汇总监测变压器及下属设备的统计数据，以遥脉量存入实时数据库，为台区内能量调配和边缘计算提供数据和依据；(4)无功补偿控制功能，通过RS485通信接口与智能电容器进行通信，按照既定的控制策略远程控制智能电容器；(5)台区用能优化功能，根据能源控制系统对台区间能量的统筹调配以及台区内不同负荷的用能需求，智能调整台区内的能量分配；(6)三相不平衡治理功能，通过对台区三相不平衡情况的监测，控制接入的智能换相开关或其他三相不平衡调节设备进行三相不平衡的调节；(7)分布式能源接入及多元化负荷接入管理功能，实现分布式电源接入设备的接入，对分布式电源接入设备的运行数据进行监控与管理；(8)数据记录及远传功能，1)配电台区(含低压系统设备)失电、故障等事件发生时，终端应实时自动记录、上传和追忆；2)终端应实时记录采集的模拟量数据；3)循环存储不少于1024条事件顺序记录，可上送最新的1024条记录，模拟量数据曲线记录至少保存30天；(9)维护和故障应急处理功能，1)通过当地和远程两种方式进行参数、定值的修改、读取；2)通过当地和远程两种方式进行程序升级。程序升级支持断点续传；3)具备自诊断、自恢复功能，对各功能板件及重要芯片可以进行自诊断，做出相应的应急处理，异常时能自动复位。

台区融合终端的主要性能指标包括：(1)测量准确度，电压测量误差：≤±0.5％；电流测量误差：≤±0.5％；功率因数测量误差：≤±1.0％；有功功率测量误差：≤±1.0％；无功功率测量误差：≤±1.0％；(2)测量范围，电压测量范围：0～1.2UN；电流测量范围：0～1.4IN；谐波电压(电流)测量范围：2-15次谐波；温度测量范围：-40℃～+200℃；(3)输入/输出回路要求，电压模拟量输入：输入阻抗应不小于100kΩ；电流模拟量输入：输入阻抗应不大于0.2Ω(IN＝1A)；(4)交流工频电量允许过量输入能力，满足连续过量输入要求和短时过量输入要求；(5)功率消耗，终端在额定电压、额定电流下监测工作，最大功耗不大于10VA；(6)绝缘要求，最小电气间隙和爬电距离、绝缘电阻、介电强度均应满足相应要求；(7)电磁兼容性要求，电压突降和电压中断适应能力、抗高频干扰的能力、抗快速瞬变脉冲群干扰的能力；(8)抗辐射电磁场干扰的能力，按GB/T 17626.3中的有关规定执行；(9)机械振动性能，按GB/T 2423.10中的有关规定执行；(10)连续通电的稳定性，设备完成调试后，在出厂前进行不少于72h连续稳定的通电试验；(11)可靠性，设备本体平均无故障工作时间(MTBF)应不低于50000h；终端使用寿命应为8～10年。

台区融合终端硬件主要包含六大模块：主控单元、实时数据库、策略处理单元、加密单元、通信单元、显示单元。硬件原理如图8所示。

台区融合终端软件功能架构分为外部装置、基础平台、app管理容器和上行与能源控制系统通信四层结构。软件结构如图9所示。

台区融合终端实现台区下属设备数据的实时汇总、分析和上传，通过容器技术灵活装载所需功能所对应的APP，实现台区边缘自动化管理；对台区内设备实现全天候状态监视，实现远程故障信息接收，响应台区能源控制系统的调控，实现台区内能源高效自治；为上级台区能源控制系统提供数据依据。

台区融合终端的通信方式包括：(1)终端本地通信，支持RS-485接口、RJ45接口；(2)终端远程通信，支持4G/5G、专网、HPLC/微功率无线、RS485接口，满足与边缘聚合控制器、能源路由器等设备的通信要求；(3)终端无线公网和微功率无线等通信模块采用模块化，能根据需求更换和选择。

一、电动汽车有序充放电应用场景

整体方案：电动汽车有序充放电业务应用通过统筹台区侧各类能源和负荷的特点，实时感知台区各能源设施、用能设备和电动汽车，调整台区充电负荷时间段序列，从而达到组合出期望的负荷曲线。电动汽车有序充放电通信架构如图2所示。

电动汽车有序充放电单元包括有序充电边缘聚合控制器，有序充电边缘聚合控制器通过上行通讯接口分别与台区融合终端或主站通信连接，通过下行通信接口与若干个有序充电模组通信连接。

有序充电边缘聚合控制器：1)就地安装于充电负荷侧，实现本地区域自治功能，负责一个充电桩集群区域内的数据汇集、计算处理及解析转发；具备一定边缘计算功能，负责区域内充电桩集群负荷控制、调配、策略和充电计划生成。2)有序充电边缘聚合控制器可加速本地策略执行，减少桩和其他设备与融合终端直接连接的实时通信量，提高系统响应速度和控制能力，便于现场实施安装调试。有序充电边缘聚合控制器上行通信接口有HPLC和4G(预留接口)，特定场景下可不经过台区融合终端直接通过4G接入主站系统。3)有序充电边缘聚合控制器通过对本地自治区域内多个充电桩充电负荷进行聚合，形成电动汽车有序充电区域内虚拟电厂。同时有序充电边缘聚合控制器可对该虚拟电厂负荷进行管控，以支撑台区能源控制系统对该虚拟电厂进行协调控制。

有序充电模组：1)具备与有序充电边缘聚合控制器信息交互，有序充电控制、充电计量等功能。可实现业务数据安全加密和身份认证，并可通过蓝牙通信方式与APP用户端进行人机交互。2)在充电桩集群控制模式下，有序充电模组负责接收来自有序充电边缘聚合控制器下发的定时及周期控制任务计划，并根据计划在指定时间点向充电桩控制器发送启动、停止、功率调节或充放电模式切换等控制指令；接收实时及紧急任务计划调度，实现电动汽车有序充电。同时，有序充电模组采集充电桩的电压、电流、功率等数据，通过HPLC、CAN、塑料光纤等通讯方式上送至有序充电边缘聚合控制器。有序充电边缘聚合控制器负责收集和汇聚一定数量的有序充电模组的数据，并进行一定的数据处理和解析后再通过HPLC等通讯方式上传至台区融合终端，由台区融合终端接入主站。3)对于独立充电桩，有序充电模组可不经过有序充电边缘聚合控制器，而直接接收来自台区融合终端下发的定时及周期控制任务计划，并根据计划在指定时间点向充电桩控制器发送启动、停止、功率调节或充放电模式切换等控制指令。同时，有序充电模组通过HPLC等通讯方式将采集数据直接送至融合终端，由台区融合终端接入主站。

电动汽车有序充放电控制交互场景如图3所示：

(1)群控桩，1)主站预先将有序策略调度相关支撑数据下发到台区融合终端，由台区融合终端对本地基础负荷进行分配并下发至有序充电边缘聚合控制器。2)用户使用手机APP同时向主站和有序充电模组发起充电请求，主站将充电申请信息转发到台区融合终端，由台区融合终端下发至有序充电边缘聚合控制器进行本地决策，生成充电计划，下发给有序充电模组，充电结束后由台区融合终端或直接由有序充电边缘聚合控制器向主站服务器上传本地订单进行订单归档。3)当主站通信中断时，用户可使用蓝牙向有序充电模组提交充电需求，有序充电模组转发给有序充电边缘聚合控制器，由有序充电边缘聚合控制器进行本地决策，实现有序充电。

(2)独立桩，1)主站预先将有序策略调度相关支撑数据下发到台区融合终端。2)用户使用手机APP同时向主站和有序充电模组发起充电请求，主站将充电申请信息转发到台区融合终端，台区融合终端进行本地决策，生成充电计划，下发给有序充电模组，充电结束后台区融合终端向主站服务器上传本地订单进行订单归档。3)当主站通信中断时，用户可使用蓝牙向有序充电模组提交充电需求，有序充电模组转发给台区融合终端，由台区融合终端进行本地决策，实现有序充电。

有序充电边缘聚合控制器主要功能包括：(1)数据采集，包括采集三相交流电压、电流等模拟量；(2)数据汇集，包括汇集区域内充电桩的电压、电流、功率、电量、充电时间等数据，汇集区域内充电桩的运行状态、故障状态、通信状态等数据；(3)本地策略控制，包括制定本地有序充电集群控制策略，区域内充电负荷越限遥控；(4)充电需求管理，包括充电计划生成，下发至有序充电模组；充电计划转发，解析、存储、加密转发至有序充电模组；充电需求存储；(5)计划调度管理，包括充电计划调优，充电计划结束，充电计划相关事件记录，记录计划生成、调优、结束等变动情况，默认充电计划下发；(6)故障及异常处理，包括本地异常主动上报，通信网络异常处理，有序充电模组异常状况处理；(7)数据传输，包括与区域内有序充电模组通信，获取区域内充电桩集群相关运行数据，并可下发遥控指令；与台区融合终端通信，获取本地基础负荷，初始充电计划，上传区域内有序充电桩集群实时负荷数据及状态；与台区能源控制系统主站通信，作为连接主站的备用通道；通信代理，将主站需要传输的命令或文件包等数据通过相应通信端口进行协议转换和转发，实现代理和中继功能；(8)数据存储，包括存储设备配置参数信息；分类管理和存储采集的实时数据；远程通信中断时缓存所连接终端的业务数据。

有序充电边缘聚合控制器的性能指标如表1所示。

表1

硬件方案按照可扩展、低成本、高可靠性原则，控制器硬件功能框架如图10所示，包含6大功能模块分别为：主控单元、通信单元、交流采集单元、加密单元、显示单元、策略处理单元。

主控单元负责通讯指令解析及控制指令下发，通信单元负责与周边设备的通信控制与管理，交流采集单元负责三相交流电气量采集功能，加密单元集成多种安全性保护机制，显示单元支持终端参数查看、设置、维护，策略处理单元负责策略计算、计划编排、任务调度。

软件系统架构如图11所示，分为硬件驱动层、操作系统平台层、业务应用层。

硬件驱动层在基础计算资源的基础上，扩展多种功能模块的驱动软件。通用操作系统平台层提供通用基础业务服务包括数据管理、存储管理、版本管理、通信管理、加密管理、规约接口、显示管理等能力。业务应用层基于平台灵活构建相关应用灵活构建有序充放电、智慧家庭用能等应用。

根据与控制器进行通信交互的对象，总结通信方式包括：通过HPLC/微功率无线与台区融合终端通信，通过HPLC/微功率无线/RS485/CAN/塑料光纤与有序充电模组通讯，通过4G/5G(备用)与台区能源控制系统主站。

有序充电模组的主要功能如表2所示。

表2

有序充电主控单元电性能指标如表3所示，通信单元电性能指标如表4所示，计量单元电性能指标如表5所示。

表3

表4

表5

智能有序充电控制模组的硬件系统框架如图12所示，模组配合充电控制板等其他外围电气元件组成有序充电桩，完成用户手机APP、边缘聚合控制器、电动汽车之间的业务流程交互和有序充电功能。

智能有序充电控制模组是有序充电桩的核心单元，模组功能分解如图13所示，包含3大功能单元，分别为：有序充电主控单元、通信单元、计量单元。

软件程序框架按照业务进行分层化、分类化设计，同时程序也按模块化、接口化进行设计。减小不同功能间不必要业务的程序耦合性。有利于软件各个功能模块进行独立开发、独立测试、功能扩展，适合多人协作同时进行业务程序实现。

功能分类包括：蓝牙通讯及与app业务交互处理模块、载波通信及与能源控制器业务交互处理模块、Can通讯及与充电桩控制板业务交互处理模块、485通讯及抄表业务交互处理模块、安全芯片通讯及业务处理模块、有序充电核心业务处理模块、其他业务处理模块。

根据与有序充电控制模组进行通信交互的对象，总结通信方式包括：通过蓝牙与用户APP通信，通过CAN总线与充电桩通信，通过HPLC、LoRa等与有序充电边缘聚合控制器通信连接，通过HPLC与台区融合终端通信连接。

二、智慧家庭用能应用场景

智慧家庭用能单元包括若干个智慧用能边缘聚合控制器，所述智慧用能边缘聚合控制器通过上行通讯接口分别与台区融合终端或主站通信连接，通过下行通信接口与若干个智能插座和配置在家用电器上的随器计量模块通信连接。

整体方案：通过客户侧泛在电力物联网的相关通信和技术手段，构建家庭智慧用户服务物联体系，可以实现家用电器的优化控制。当电网公司面临负荷高峰期供用电形势紧张的状况时，可以依托台区能源控制系统挖掘居民侧可调负荷潜力，实现居民家庭用电负荷的柔性调节和控制，以平抑电力系统峰谷差，提高设备利用率及供电可靠性，减少电网投资。智慧家庭用能整体通信架构如图4所示。

智慧用能边缘聚合控制器：1)就地布置于居民侧(以居民楼栋为单位)，实现本地区域自治功能，负责一栋居民楼区域内的数据汇集转发、计算处理及解析转发；具备一定边缘计算功能，负责区域内家用电器的负荷控制、调节、策略生成。2)智慧用能边缘聚合控制器可加速本地策略执行，减少智能家电和其他设备与融合终端直接连接的实时通信量，提高系统响应速度和控制能力，便于现场实施安装调试。智慧用能边缘聚合控制器上行通信接口有HPLC和4G(预留接口)，特定场景下可不经过台区融合终端直接接入主站系统。3)智慧用能边缘聚合控制器通过对居民楼区域内的居民多个空调(通信智能化)的用电负荷进行聚合，形成虚拟电厂。同时智慧用能边缘聚合控制器可对该虚拟电厂负荷进行管控，以支撑台区能源控制系统对该虚拟电厂进行协调控制。

智能插座：用于普通家用电器，接收来自智慧用能边缘聚合控制器的控制任务，并在指定时间点内向空调等家电设备发送启动、停止、功率调节或工作模式切换等控制指令。同时，智能插座采集空调等家电设备的电压、电流、功率等数据，通过LoRa、HPLC、塑料光纤等通讯方式上送至智慧用能边缘聚合控制器。智慧用能边缘聚合控制器负责收集和汇聚一定数量的智能插座的数据，并进行一定的处理和解析后再通过HPLC等通讯方式上传至台区融合终端，由台区融合终端接入主站。

随器计量模块：随器计量模块是对家用电器用能监控和控制的设备，安装于家用电器外部或置于电器中，通过手机APP端进行人机交互控制，采集电器用能信息，基于居民家庭智慧用能服务系统实现家用电器用能效率的优化。

随器计量模块用于定制家用电器，家电内置或外置的随器计量模块接收来自智慧用能边缘聚合控制器的控制任务，并在指定时间点内向家电设备发送启动、停止、功率调节或工作模式切换等控制指令。同时，随器计量模块将特定家电设备的电压、电流、功率、电量等数据，通过LoRa、HPLC、塑料光纤等通讯方式上送至智慧用能边缘聚合控制器。智慧用能边缘聚合控制器负责收集和汇聚一定数量随器计量模块的数据，并进行一定的处理和解析后再通过HPLC等通讯方式上传至台区融合终端，由台区融合终端接入主站。

智慧家庭用能控制交互场景如图5所示：1)智能插座和随器计量模块将采集到的各家用电器数据通过智慧用能边缘聚合控制器进行统一汇集并上传至台区融合终端，台区融合终端将数据统一处理后上送至主站，主站通过手机APP向用户推送用能详单、用能建议、用能检测预警，发起需求响应邀约等业务；居民用户通过手机APP查询用能情况、报修故障家电、参与需求响应等。2)居民为满足生活需要，通过手机APP及厂商云平台对智能家电进行远程状态查询与控制调节。3)家电厂商云平台与电网智慧能源系统通过接口进行数据交互。电网公司按协议提供设备能效评估、故障统计、品牌占有率等信息，家电厂商按协议定期更新云端开放数据。

智慧用能边缘聚合控制器的主要功能包括：(1)数据采集，包括采集接入控制器当前运行设备总的三相电压、电流、功率等信息，采集各个智能插座、随器计量模块的电压、电流、功率等电气量信息；(2)数据存储，包括日冻结及日统计数据，月冻结及月统计数据，曲线数据；(3)参数设置和查询，包括时钟召测和校时，通信参数(通过主站远程及手持设备本地设置和查询通信地址、通信协议、IP地址、通信路由等内容)，采集参数，控制参数；(4)负荷运行优化管理，包括控制功能(下达控制命令给智能插座、随器计量模块，实现家庭负荷开关的通断)，边缘计算功能(根据台区融合终端下发的用电量计划，通过边缘计算得到家庭负荷的优化控制策略)；(5)事件记录，包括装置事件(根据装置自检生成控制器装置本身异常情况记录)，智能插座异常事件，随器计量模块异常事件；(6)数据传输，包括与台区融合终端通信，与智能插座、随器计量模块通信；(7)本地功能，包括本地状态指示(指示终端运行、告警等工作状态)，本地维护接口(具备USB或以太网等本地维护接口，通过维护接口设置终端参数，进行软件升级等)；(8)设备维护，包括自检功能，设备初始化，软件远程下载；(9)安全防护，包括数据传输具备硬件安全加密功能。

智慧用能边缘聚合控制器的性能指标，如表6所示。

表6

智慧用能边缘聚合控制器硬件功能分解如图14所示，包含5大功能单元，分别为：主控单元、通信单元、加密单元、显示单元、策略处理单元。主控单元负责与台区融合终端、智能插座、随器计量模块的通讯指令控制，接收台区融合终端的控制指令，通过策略处理单元得到优化运行控制策略，向智能插座、随器计量模块下达控制指令。

系统软件逻辑架构分为硬件驱动层、操作系统、业务应用进程三大部分，通过内部各个功能模块协调配合，实现系统功能，如图15所示。

智慧用能边缘聚合控制器通信方式，包括通过载波/无线与台区融合终端通信连接，通过载波/LoRa与智能插座、随器计量模块通信连接，通过4G/5G(备用)与台区能源控制系统通信连接。

智能插座具备无线LoRa等通信方式，通过智慧用能边缘聚合控制器汇集，可实现远程电气量(I、U、F、cos)采集监控、温度监控、红外调控、开关分合、定值管理、电气保护、远程维护、故障录波。

满足250V电器设备供电需求，最大负载电流16A，最大负载功率4000W，可通过后台、主站平台、手机APP调控额定功率小于4000W的空调，同时提供一个环境温度采集传感器，可远程监测设备安装处的温度。内置过零切负荷开关，可实现大功率负载的启停控制，通过定值管理，可实现多种本地负荷区域自治方式。智能插座物理架构如图16所示。智能插座主要功能包括：电气量实时采集、LoRa远程通信、低频减负荷控制功能、负荷自恢复功能、故障录波、远程升级、本地维护。

智能插座参数包括：电源按键的按键寿命＞40000次；输入电压185～265VAC；额定电流10A/16A；负载最大切换电流(纯阻性)16A(额定电流10A)，30A(额定电流16A)；最大负载2200W(额定电流10A)，3520W(额定电流16A)；静态功耗＜0.7W；开关控制采用继电器控制；通信方式为433MHz、WiFi；工作温度-25℃～70℃；工作湿度5％～95％RH；红外控制(16A)范围为25米/发射角度45°；功率保护，当功率超过2640W(额定电流10A)时保护动作/当功率超过4400W(额定电流16A)时保护动作；温度保护，当腔体温度超过85℃时保护动作；CCC认证，中国国家强制性产品认证证书/SRRC认证，无线电发射设备型号核准证。

智能插座硬件方案如图17所示，包括：电源模块、MCU、Lora模块、高频采样电路、红外、输出继电器和存储电路。其中高频交流采样电路负责实时采集用电器电压、电流、频率、功率，功率因数；Lora模块负责将采样数据上送至智慧用能边缘聚合控制器；红外负责对空调等家用电器进行柔性控制；跳闸继电器负责刚性控制回路通断。

软件方案如图18所示，应用软件包括各功能模块的基础功能，包括：(1)Lora跳频技术、白名单机制和私有协议数据量上传，将电气量信息、继电器状态通过私有协议稳定可靠地上传至智慧用能边缘聚合控制器；(2)低频减负荷控制功能，根据就地实时测量的频率，按预定定值进行减载控制；控制方式有两种：对于刚性负荷，直接跳闸控制，切断负荷；对于柔性可调节负荷(如空调)，既可跳闸控制切断负荷，也可通过红外通信进行温度重新设定，间接的调节负荷；(3)高频样和实时录波，继电器跳闸后自动存储跳闸前后数据波形；(4)远程升级功能。

智能插座具有Lora无线通信传输功能：通过这种通信方式，将测量的电气量上传至云平台，可对使用的电器负荷进行远程监视和控制，实时掌握可控的负荷量，在电网调控需要时，可与源网荷控制系统配合，进行负荷预控、秒级控制和电网的需求侧管理，实现多目标、多时间尺度的互动控制。

随器计量模块创新的采用了计量与被计量的用电设备融为一体化的设计，结合系统可支持精准计量、负荷判定、精准补贴、防窃电或防止电量转移等业务应用。

该模块的主要功能包括：数据采集，用于实时电量、电压、电流、功率、功率因数采集；数据存储，用于存储电压、电流、功率的1分钟冻结数据1天；数据传输，用于与能源控制器通信；参数设置，用于设置模块参数(运行、校表、通信)；家电控制，用于具备采集和控制部分电器厂家家电的功能。

随器计量模块主要性能指标包括：准确度等级为有功2级；参比电压为AC220V；电流规格为直接接入式5(16)A；上行通信接口为HPLC；上行通信协议可自定义；下行通信接口为UART；下行通信协议可自定义；工作温度范围为－25℃～+75℃；电源供电为+12V±10％；功耗为静态功耗＜1.5W，峰值功耗<2W；设计寿命为10年。

随器计量模块硬件电路主要由MCU、计量芯片、电压电流采集电路、HPLC通信模组、EEPROM、ESAM安全芯片组成，如图19所示。

考虑到实际应用场景的不同，可设计提供内置式和外置式两种随器计量模块。

(1)内置式随器计量模块，安装在智能家电本体内，具备HPLC通信单元的模块，采集电器的电流、电压、功率、剩余电流等电气量，并获取到家电MCU中家电开关状态、温度等数据，经HPLC送至能源控制器，同时接收主站下发的控制指令。可实现家电随器计量及家电参与需求响应。

(2)外置式随器计量模块，安装在与家电相连的智能插座中，具备HPLC通信单元的模块，并安装有红外遥控部件，实现家电的用能计量，接收并执行主站控制命令。

4)软件方案

系统软件分为应用区软件和BOOT区两部分，采用模块化设计思想。软件架构如图20所示：

居民家庭智慧用能服务系统(CPS)主要采用HPLC或LoRa等通信方式。将内外置随器计量家电与边缘聚合控制器进行通信，完成数据采集与命令下发。随器计量模块下行通信采用串口方式与电器主控单元进行通信，随器计量模块通信方式包括通过LoRa、HPLC等与边缘聚合控制器通信连接，通过串口方式与电器主控单元通信连接。

三、台区分布式能源应用场景

整体方案：通过对储能与分布式能源的协同优化运行，可以实现削峰填谷起到降低配电容量的作用，还可以弥补分布式出力随机性对配网安全和经济运行的负面影响。同时，通过多点分布式光伏与储能协同运行服务，形成汇聚效应，能够更好的参与电网的调峰、调频和调压，提高电网运行效率，为台区源网荷储互动提供支撑。台区分布式能源整体通信架构如图6所示，台区分布式能源单元包括能源路由器，能源路由器通过上行通讯接口与台区融合终端通信连接，通过下行通信接口与光伏控制器、储能控制器或蓄冷蓄热控制器通信连接。

能源路由器：1)连接公变台区光伏、储能、蓄冷蓄热等设备，实时采集设备的电压、电流、功率、温湿度、运行状态等数据。通过HPLC、RS485、微功率无线等通讯方式将数据上传至台区融合终端，由台区融合终端接入主站。同时能源路由器接收来自台区融合终端下发的定时及周期控制任务计划，并根据计划在指定时间点向光伏储能等设备发送启动、停止、功率调节或充放电模式切换等控制指令；接收实时及紧急任务计划调度，并立刻向光伏储能等设备发送相关控制指令，实现光储协同等应用。2)能源路由器实时采集区域内光伏、分布式能源、储能设备的电压、电流、功率等数据，并上送至台区融合终端，台区融合终端通过对区域内的储荷进行聚合，形成虚拟电厂。同时融合终端可对该虚拟电厂的储荷进行管控，以支撑台区能源控制系统对该虚拟电厂进行协调控制。

台区分布式能源控制交互场景如图7所示：1)主站根据台区负荷情况及调度控制相关支撑数据生成调度控制策略下发到台区融合终端，由台区融合终端通过本地信道统一下发至能源路由器。2)能源路由器接收到平台的控制策略后，将指令下达至光伏、储能、蓄冷蓄热等设备的控制器，按计划完成对光伏、储能、蓄冷蓄热等设备的控制。3)能源路由器将光伏、储能、蓄冷蓄热等设备的状态通过台区融合终端统一上送至主站，并同步推送至用户手机APP供查询和展示。

能源路由器的功能，包括：(1)数据采集，包括采集电压、电流、功率、发电电能示值、充放电电能示值计量模块数据，采集开关位置状态和其他状态信息；(2)数据存储，包括存储实时和当前数据、历史电能数据、分布式能源设备运行状况数据；(3)参数设置和查询，包括时钟召测和校时、通信参数、采集参数、控制参数；(4)负荷运行优化管理，包括根据台区融合终端生成的控制策略指令及时向分布式能源设备下达控制指令；(5)事件记录，包括装置事件(根据装置自检生成控制器装置本身异常情况记录)、计量模块异常事件、分布式能源设备故障事件；(6)数据传输，包括与台区融合终端通信、与分布式能源设备通信、与计量单元通信；(7)本地功能，包括本地状态指示(指示终端运行、告警等工作状态)；本地维护接口(具备USB或以太网等本地维护接口，通过维护接口设置终端参数，进行软件升级等)；(8)设备维护，包括自检功能、设备初始化、软件远程下载；(9)安全防护，数据传输具备硬件安全加密功能。

能源路由器的性能指标如表7所示。

表7

能源路由器功能分解如图21所示，包含5大功能单元，分别为：主控单元、加密单元、计量单元、显示单元、通信单元。主控单元负责与台区融合终端、分布式能源设备、计量单元的通讯指令控制，接收台区融合终端下发的运行优化控制指令，对分布式能源设备下达启动、停止及功率调节指令，监测计量单元的电量数据等功能。

系统软件逻辑架构分为硬件驱动层、操作系统、业务应用进程三大部分，通过内部各个功能模块协调配合，实现系统功能，如图22所示。

能源路由器的通信方式包括：通过载波/RS485/无线与台区融合终端通信，通过CAN总线与CAN总线通信。

根据网络信息安全要求，结合台区侧能源系统架构及业务特点，按照泛在电力物联网安全防护要求进行安全区域划分，加强边界防护；在融合终端、聚合控制器、路由器集成安全芯片，基于统一CA密钥基础设施构建安全传输通道；主站部署密码机，实现业务应用的安全防护，系统安全防护框架体系如图23所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种台区能源控制系统，其特征在于，包括主站、台区融合终端、电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元；所述主站与台区融合终端通信连接；所述台区融合终端分别与所述电动汽车有序充放电单元、智慧家庭用能单元和台区分布式能源单元通信连接；

所述电动汽车有序充放电单元包括有序充电边缘聚合控制器，所述有序充电边缘聚合控制器通过上行通讯接口分别与台区融合终端或主站通信连接，通过下行通信接口与若干个有序充电模组通信连接；

主站将调度数据下发到台区融合终端，台区融合终端对本地基础负荷进行分配并下发至有序充电边缘聚合控制器；

主站接收充电申请信息并转发到台区融合终端，由台区融合终端下发至有序充电边缘聚合控制器进行本地决策，生成充电计划，下发给有序充电模组；充电结束后由台区融合终端或直接由边缘聚合控制器向主站上传本地订单进行订单归档；

所述智慧家庭用能单元包括若干个智慧用能边缘聚合控制器，所述智慧用能边缘聚合控制器通过上行通讯接口分别与台区融合终端或主站通信连接，通过下行通信接口与若干个智能插座和配置在家用电器上的随器计量模块通信连接；

所述智能插座和/或随器计量模块接收来自智慧用能边缘聚合控制器的控制任务，并在指定时间点向家用电器发送启动、停止、功率调节或工作模式切换指令；

同时，采集家用电器的运行数据，并上送至智慧用能边缘聚合控制器；智慧用能边缘聚合控制器对运行数据进行一定的处理和解析后上传至台区融合终端，由台区融合终端接入主站；

所述台区分布式能源单元包括能源路由器，所述能源路由器通过上行通讯接口与台区融合终端通信连接，通过下行通信接口与光伏控制器、储能控制器或蓄冷蓄热控制器通信连接；

能源路由器采集光伏、储能或蓄冷蓄热设备的运行数据并上传至台区融合终端，由台区融合终端接入主站；同时能源路由器接收来自台区融合终端下发的定时及周期控制任务计划，并根据计划在指定时间点向光伏、储能或蓄冷蓄热设备发送启动、停止、功率调节或充放电模式切换指令；接收实时及紧急任务计划调度，并向光伏、储能或蓄冷蓄热设备转发控制指令。

2.根据权利要求1所述的台区能源控制系统，其特征在于，有序充电模组接收充电申请信息并转发给有序充电边缘聚合控制器，由有序充电边缘聚合控制器进行本地决策，实现有序充电。

3.根据权利要求1所述的台区能源控制系统，其特征在于，所述电动汽车有序充放电单元包括若干个有序充电模组，若干个所述有序充电模组分别与台区融合终端通信连接。

4.根据权利要求3所述的台区能源控制系统，其特征在于，主站将调度数据下发到台区融合终端，主站接收充电申请信息并转发到台区融合终端，台区融合终端进行本地决策，生成充电计划，下发给有序充电模组；充电结束后台区融合终端向主站服务器上传本地订单进行订单归档。

5.根据权利要求3所述的台区能源控制系统，其特征在于，有序充电模组接收充电申请信息并转发给台区融合终端，由台区融合终端进行本地决策，实现有序充电。

6.根据权利要求1所述的台区能源控制系统，其特征在于，智能插座和随器计量模块将采集到的各家用电器数据通过智慧用能边缘聚合控制器进行统一汇集并上传至台区融合终端，台区融合终端将数据统一处理后上送至主站。