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用于电动汽车充电的先进计量基础设施
摘 要
电动汽车的广泛应用被认为是智能电网未来发展的一大挑战。不断增加的电动汽车充电进一步增加了能源需求。本文报告了一种先进的计量基础设施(AMI)的开发，作为一种有效的工具，通过采用适当的需求侧管理策略来重塑电动汽车充电的负荷分布。提出了一种基于电力线和互联网通信的电动汽车充电服务平台的整体解决方案。必须强调的是，在本次调查中，第三方客户服务平台的开发有助于向电动汽车车主发放单一账单。因 此，电动车拥有者了解他们的能源使用情况，从而可以有效地执行节能活动。实验和评估表明，在 10 毫秒的端到端时延下，电力线通信的吞吐量约为 5 M bps。通过引入二维动态定价和收费计划，所提出的 EVAMI 成功地减少了 36%的高峰用电，增加了 54%的非高峰用电。因此，EVAMI 不仅降低了峰值消耗，而且有效地重新定位了能量需求。
关键词 电动汽车充电、高级计量基础设施、电力线通信、需求响应
1 介绍
电动汽车的发展已成为近年来的热门话题。全球电动汽车市场将达到2015 年 260 万台。电动汽车充电释放的碳引起了严重的环境问题。除了环境和经济原因，电动汽车市场最重要的驱动力是强有力的政策，包括立法，各种政府的福利和回扣。无论采取何种举措，电动汽车的快速增长肯定会增加能源需求。据报道，电动汽车的额外能源需求可能会进一步增加峰值需求，并导致配电线路堵塞[1-5]。更重要的是，指出如果采用适当的需求侧管理(DSM)策略，电动汽车的推广可以减少 CO2 的排放。在[1]中，强调了美国电力基础设施的设计是为了满足最高的预期电力需求，这种需求一年只出现几百个小时(最多 5%的时间)。在 95%的时间里，电网严重利用不足，因此规模巨大产生了大量不必要的绿色气体。不幸的是，美国电网并不是特例。大多数发达地区都采取了类似的方法来稳定电力供应。为了充分利用电力基础设施，研究人员提出了许多电动汽车充电的DSM 策略[6，7]。众所周知，通过采用集中控制的充电方式，可以更准确地估计峰值需求，从而使电力公司受益匪浅[8-10]。可通过实现动态需求响应、负载曲线平坦化和改进的发电资源利用来实现集中控制的 EV 充电。另一方面， 针对智能电网应用的预付费智能计量方案基于使用WiMAX 预付费计费模型的集中认证和计费而开发[11]。然而，这种智能计量方案仅设计用于支付和重要服务，如需求监控、客户服务、仪表管理服务等。被忽略了。虽然[12]中讨论了电动汽车提前计量基础设施(AMI)的作用和建议功能，但的实际设计整个系统都不见了。因此，我们注意到，电动汽车充电服务迫切需要一个完整的功能模块。与典型的 AMI 系统类似，电动汽车 AMI 通过通信链路定期测量、收集和分析电动汽车充电站的能耗。“ AMI 的基础设施”是指将测量设备连接到公用事业服务器的网络， 允许收集数据并将信息分发给客户、供应商、公用事业公司和服务提供商。交互式通信具有独特的 AMI 意义，因为它记录了实时能耗对用户收费行为的影响。有了及时的信息，电力公司可以轻松地根据时间和地点监控能源需求。本文介绍了一种用于电动汽车充电的 AMI 平台(EVAMI ),实现了车主、公用事业信息系统(如MDMS、计费)和电动汽车充电站之间的数据交换。由于对高可用性的要求，建议的解决方案采用电力线通信(PLC)作为现场收费系统的网络，通过电力线传输数据。因此，不需要额外的努力来重新布线， 并且实现了高可扩展性。因此，电动汽车充电可以在很多地方进行，比如多层停车场。本文组织如下:第二节讨论需求响应电动汽车 AMI 系统。第 3 节讨论了系统架构、协议设计和实现。性能评估将在第 4 节中讨论。最后，在第五部分得出结论。
2 EVAMI 概述
本节介绍了 EVAMI 的系统概况。EVAMI 是一个整体解决方案，服务于公用事业公司员工和电动车车主。应当注意的是，电动汽车拥有者具有从普通能源消费者到高能耗用户的不同特征，然而，电动汽车拥有者可以在不同的地点为他们的汽车充电。因此，PLC 似乎是潜在的候选人之一。PLC 系统的多功能性在于，通过与常规互联网接入技术(如WiMAX、LTE、光纤等) 协作，现场收费系统可以连接到公用事业管理系统。以提供 TCP/IP 通信。
1)采用 EVAMI 的优势
一般来说，电动汽车充电用户将收到来自多个公用事业公司的电费账单。在这种情况下，很难从单个公用事业获得个人的个人消费概况。已开发的 EVAMI 的一个显著特点是实施了第三方客户信息平台(中立平台),以服务于各种公用事业。本文的主要贡献是提出的 EVAMI 设施声明拥有者获得包括整个计费简档的单个计费账单。EVAMI(图 1)分为三个部分:现场收费系统、第三方客户服务平台和公用事业信息管理系统。
2)信号传输平台的选择
由于信号通常在很长的距离上传输，因此必须采用便宜而可靠的传输介质。无线传输可能是一个不错的选择，但所需的技能可能很复杂。另一方面，有线传输需要预先安装，这可能是乏味的，有时因为需要更新而不可能。或者，可以使用PLC，因为它便于部署和修改的灵活性。电力线的成本和重量也相对较低[13]。对于信号不需要改变相位也不需要通过变压器的中短距离，PLC 是局域网(LAN)的潜在候选技术。通常情况下， PLC 局域网应不超过 10 公里。由HomePlug 1.0/1.1 标准[14] 指定的 PLC 提供 14/85 Mb/s 的原始数据速率。这对于大多数电子设备通信来说是足够的。PLC 系统通过向电力线施加调制载波信号来工作。根据所用电力线的信号传输特性，PLC 可以在不同的频带中工作。在本工程中，采用 PLC 为EVAMI 提供标题特征。PLC 模块如图 2 所示，PLC 模块的规格如表 1 所示。
2.1 现场收费系统
现场充电系统(OCS)由电动汽车充电站(EVCS)和数据集中单元(DCU)组成。CS 的功能是为电动汽车服务。
图 1 EVAMI 概述
图 2 PLC 模块框图
表 1 PLC 模块的规格
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用过的波段 |
2-32 MHz |
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调制 |
正交频分多路 |
|
数据率 |
高达 200 Mbps |
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加密 |
三重 DES |
停车场的业主。通常，它处理计费会话的初始化和终止。在充电期间，OCS 监控充电状态并更新仪表读数。它还监控CS 的健康状态。DCU 是一个PLC 互联网网关，支持 TCP/IP 通信，并将 OCS 连接到UIMS。在本工程中，采用 PLC 为 EVCS 和 DCU 提供上述功能。
EVCS(参见图 1)由电源插头和智能电表组成。基本上，无论电动汽车是否插电，EVCS 都会告知 DCU。充电过程不会在插入电源后立即开始。为了避免服务的未授权使用，EVCS 仅在接收到来自 DCU 的激活命令后才开始计费会话。然后，它授权充电并监控整个充电过程，并提供充电过程的详细报告。此外，当检测到故障或错误时，EVCS 具有自愈能力并向 DCU 报告。图3 总结了 EVCS 的操作流程。
2.2 公用事业信息管理系统
公用事业信息管理系统(UIMS)连接 OCS、第三方客户服务平台和其他智能电网应用，以提供计费服务和执行需求响应操作。基于 TCP/IP 协议，UIMS 从众多停车场收集实时收费服务数据。因此，UIMS 不仅向客户提供实时的个人消费概况，还向公用事业公司提供及时的基于位置的能源需求。通过整合此类信息，可以轻松定义灾难恢复策略。UIMS 将定义的策略转发给 OCS和TPCSP。除了 DR，UIMS 还向MDMS 提供公用事业账单的信息。通过更新TPCSP 的服务记录，可以向客户发出单个账单。为了便于数据处理，为 UIMS 设计了一个管理门户网站。门户网站向公用事业公司员工提供电动汽车能源需求报告，并管理客户数据。
图 3 EVCS 的操作流程
2.3 第三方客户服务平台
第三方客户服务平台(TPCSP)是一个与多个 UIMS 交互的中立平台。与 UIMS 不同，TPCSP 通过一个充电服务门户网站为电动汽车车主提供服务。TPCSP 从众多公用事业公司收集服务记录，并将它们组合成一份账单，披露个人的总体消费情况。因此， EV 所有者可以记录由于 EV 充电而导致的总体消费习惯。更重要的是，TPCSP 支持电动汽车车主和公用事业公司之间的通信，以便公用事业公司可以随时向电动汽车发送信息。因此，TPCSP 不仅有利于电动汽车所有者，也有利于公共事业公司，因为它培育了一个高效的灾难恢复平台。
3 系统架构、协议设计和实现
EVAMI 采用三层架构，包括 web 层、应用层和企业信息层。web 层处理表示和通信功能，而应用层支持商业智能和企业信息层， 以便可以系统地组织数据。EVAMI 的系统架构如图 4 所示。
根据系统功能，EVAMI 可分为五个子系统:停车场、管理子系统系统、电表管理子系统、用户管理子系统、需求响应服务子系统和计费服务子系统。每个子系统为不同目的的客户服务。
图 4 系统架构
停车场管理子系统
停车场管理子系统(CPMS)记录、处理和加工停车场的数据。CPMS 由两个主要部分组成:停车场管理服务模块(CPMSM)和停车场信息数据库(CPIDB)。CPMSM 帮助公用事业的服务经理管理停车场信息，因此电动汽车车主可以通过门户网站获得最新信息。
仪表管理子系统
电表管理子系统(MMS) 记录、处理和加工电表数据。MMS 由两个主要部分组成: 电表管理服务模块(MMSM)和电表信息数据库(MIDB)。MMS 从 OCS 收集仪表读数和状态，使服务经理和业主能够通过门户网站获得能耗数据。此外，MMS 监控仪表的状态，并在检测到操作故障时自动生成仪表错误报告。该报告将通过电子邮件发送给服务经理，警告消息也将显示在门户网站上。
用户管理子系统
用户管理子系统(UMS)记录、处理和加工用户的数据。UMS 由两个主要部分组成: 用户管理服务模块(UMSM)和用户信息数据库(UIDB)。UMSM 确定用户的角色，并帮助服务经理管理以下信息：电动车车主、UIDB 存储电动车车主的个人信息。
需求响应子系统
需求响应子系统(DRS)记录、处理和加工用户的数据。DRS 由两个主要部分组成: 需求响应服务模块(DRSM)和需求响应策略数据库(DRPDB)。在正常情况下，UIMS 会定期更新灾难恢复策略，以满足能源需求。最新的策略存储在 DRPDB 中。DRSM 产生 DR 信号，并将它们发送到 DCU 和 TPCSP。然后，TPCSP 通过在门户网站的“欢迎页面”或充电服务订阅期间显示消息来通知电动汽车车主。
计费服务子系统
计费服务子系统(BSS) 记录、处理和处理计费数据。BSS 由两个主要部分组成:计费服务模块(BSM)和计费信息数据库(BIDB)。BSS 与 MMS 和UMS 合作生成最新的支付记录。
3.1 通信协议
为了支持上述子系统的运行，定义了一系列通信协议，以满足计费服务会话管理、需求响应和设备管理的需要。
3.1.1 计费服务会话管理
计费业务会话管理(CSSM)由两部分组成:计费业务会话初始化和计费业务会话终止。
1)计费服务会话初始化
计费业务会话初始化(CSSI) 过程涉及移动用户、TPCSP、UIMS 和 OCS。图 5 和图 6 总结了详细的过程。图 5 描述了在计费服务初始化期间 EVCS 和 DCU 之间的交互。插入智能 EVCS 后，它会使用更新的命令将其当前状态更新到 DCU。DCU 将启动计时器，并等待来自应用服务器的服务激活。在超时周期之后或者当接收到服务激活时，DCU 向 EVCS 发送“决定”服务命令。EVCS 将启动和停止与该决定相对应的服务。然后，EVCS 向 DCU 发送服务命令和更新的命令。服务命令包括充电器信息、消费和时间戳，以方便 DCU 将服务记录上传到公用事业服务器。然后，EVCS 使用更新后的命令将其当前状态更新到 DCU 。需要指出的是，DCU 只是交流。
图 5 EVCS 和 DCU 在充电过程中的相互作用
DCU、TPCS 平台、UIMS 和用户之间的通信如图6 所示。当电动汽车开始充电时， DCU 从 EVCS 接收“插入”状态。在允许“服务请求”之前，用户需要完成与第三方服务器的认证过程。第三方服务器然后接收包括用户信息、目标充电器信息和服务内容的服务请求。然后，第三方服务器将建立与实用服务器的连接。需要在两个服务器和第三方之间进行身份验证向实用服务器发送包含目标充电器信息和服务内容的服务请求。应用服务器建立与 DCU 的连接，并执行身份验证过程。认证完成后，DCU 将收到包括目标充电器信息和服务内容在内的服务激活。然后，EVCS 开始充电，DCU 将向公用事业服务器发送带有目标充电器信息和状态的服务确认。应用服务器和 DCU 之间的连接将被关闭。然后，实用服务器将服务确认转发给第三方服务器，第三方服务器将关闭与实用服务器的连接。最后，用户然后从第三方服务器接收状态。
2)计费服务会话终止<!--
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