基于充电网络与车联网平台的能源互联网生态体系研究

刘永相1,徐华池2,江冰1,程青2,徐庆强3,冯义2  

(1.国网电动汽车服务有限公司,北京市 西城区 100032;2.清华四川能源互联网研究院,四川省 成都市 610200;3.国网江苏省电力有限公司,江苏省 南京市 210000)

摘要

能源互联网生态体系的发展方兴未艾,不断推陈出新,其中电动汽车技术和物联网技术的融合催生了智慧车联网技术,智慧车联网领域可以看作能源互联网概念在传统车联网定义基础上的外延。智慧车联网系统的应用,将有助于减少弃风弃光现象,提高新能源利用率,提升用户体验与收益,促进清洁能源替代和电能替代。车联网技术与能源网、交通网高度融合,将具有巨大的成长空间。针对基于充电网络与车联网平台的能源互联网生态体系进行系统性的梳理,主要包括:多种基础设施网络综合的体系架构、多方参与主体在体系架构下的运行方式、围绕电动汽车业务领域构建的能量信息市场中的交易机制和类型、支撑基于充电网络与车联网平台的生态体系高效运行所需的技术方案。该生态体系中信息和能源的互通与融合,面向多角色的高效便捷的电能调度,面向多场景的能源优化配置和精准控制在文中均有涉及。

关键词 : 车联网;能源互联网生态体系;运行方式;交易机制;技术方案

基金项目:国家电网公司科技项目(SGJS0000YXJS1800187)。 Science and Technology Foundation of SGCC (SGJS0000YXJS1800187).

0 引言

为应对持续增长的能源缺口和环保要求,电动汽车的发展得到世界各国的广泛关注和重视。发展电动汽车产业优势颇多,如促进用电市场需求侧改革,提供电力系统备用调峰调频资源,融合互联网技术、物联网技术创造经济发展新增长、新业态、新机遇,促进经济社会“再电气化”。在这样的背景下,能源互联网应用于电动汽车领域方兴未艾[1-3]。中国在电动汽车产业发展上布局早,目标性强,积极提出“两个替代”战略,将发展电动汽车产业作为推进能源革命的重要举措。中国的电动汽车产业经过十几年的发展,完成了从学习西方经验到自我建立体系的过程,在自主研发、设计制造等多个领域,实现了关键技术的国产化,同时在一部分高精尖技术上到达了世界顶尖设计水平和制造水平,产业发展优势明显。面向电动汽车领域与能源互联网领域融合发展,推动电动汽车领域资源集群,中国国家电网公司已经建成全球规模最大、功能最全的开放式智慧车联网平台,接入充电桩17万个,其中整体接入共享小区845个,注册用户超过80万人[4]

目前已有的车联网架构是以移动互联网架构为基础构建而成的,包括车与车进行通信的网络、车与车内设备通信的网络以及车与其他移动基站进行通信的网络,通过车联网架构,各个移动设备终端(如人、车、路、信号灯、数据中心等)可以按照规定的数据交换协议和通信协议进行信息的传递。以移动互联网架构为基础的车辆网是一个只能进行信息交互和处理的系统,在整体架构上缺少能源服务思维,且未能将能量的转换、存储、传输融入到信息的互动中。本文提出的基于充电网络与车联网平台的能源互联网体系架构,能够通过将充电网络、能源实体和车联网平台在信息层面与能量层面进行深度融合,从而实现创新模式下的能源运营,为充电网络与车联网平台规模化发展和商业模式创新提供基础。

1 基于充电网络与车联网平台的能源互联网生态体系架构

基于能源互联网物理层、信息层和应用层的三层典型架构[1-2,5],结合电动汽车充电网络与车联网平台,设计基于充电网络与车联网平台的能源互联网体系架构,如图1所示。

1.1 物理层:充电网络

电动汽车充电网络通常是指配电网中电压等级在10 kV以下,由充换电站、充电桩等节点以及连接这些节点的电网[6]所组成。充电网络作为能源互联网典型三层架构中的基础层(即物理层),可为未来大规模电动汽车接入提供完善的基础设施条件[7-8]。具体来讲,充电网络节点包含以下几种类型。

图1 基于充电网络与车联网平台的能源互联网体系架构
Fig.1 Energy internet architecture based on charging and vehicular network platforms

1)智能充放电桩:能够智能调节充放电功率、充放电时间,优化配置充电资源,合理调度电动汽车有序充电,在满足电动汽车用户电能需求的基础上,通过有序充放电的调控,实现电动汽车与电网的友好互动[9-10]

2)含储能的快速充电站:满足电动汽车的紧急快速充电需求,通过站内的储能系统平抑电动汽车快速充电的间歇性高功率负荷,能够有效降低电动汽车快速充电对接入局部电网的冲击[11-13]

3)含光伏等分布式发电的充电站:利用电动汽车充电负荷的可调性,消纳白天光伏出力高峰时期的电力,平抑分布式光伏的出力波动,促进清洁能源消纳,降低电动汽车的用电成本[11,14-16]

4)灵活性充换电站:可用于公交车、物流车等具有相对固定行驶路线。耗用电量较大的电动汽车,可以采用换电站进行电能补充[7]

5)电动汽车无线充电设施:采用电磁感应技术,主要设施埋在地下,不仅节约充电设施用地,且不需要人工插拔充电枪,充电将更加方便[17]

1.2 信息层:车联网平台

基于充电网络与车联网平台的能源互联网体系架构中[18-19],车联网平台作为信息层是连接物理层、支撑应用层的重要环节,起着承上启下的关键作用[20]。车联网平台实现了不同系统间的信息共享,将信息和能量通过信息物理融合系统紧密耦合,信息流将贯穿于能源互联网的全生命周期[6,20-21],包括规划、设计、建设、运营、监控、维护、资产管理和资产评估与交易等。信息层包含如下主要实体。

1)数据中心:基于数据信息的增值能够提供创新性的服务。包括按照容量、用户数量、采集周期频度等进行分类,在标准化的车联网平台上进行数据共享。

2)监控中心:中国国家电网公司现已通过车联网平台,建立起一套覆盖全国的监控体系,从上到下分层为“全国—省—地市—站—桩”,该体系可以实时监控各级网络的运行状态。

3)交易结算中心:伴随电力市场的逐渐完善,各类电动汽车与电网互动的技术和商业模式将逐渐成熟,电动汽车将友好的与电网进行信息与能量互动,参与电力集中交易和电力市场辅助服务。

4)手机APP:在移动互联网时代,为用户提供方便快捷的信息服务和能源服务窗口,既为用户提供便携的功能需求,同时增加了用户粘性。

1.3 应用层:云服务

基于充电网络与车联网平台的能源互联网体系架构中[22],应用层主要是为电动汽车的发展提供各类云服务。主要包括充电服务云、汽车服务云、能源服务云和增值服务云于一体的综合云平台[23],可实现充电服务、充电设施运营、运维、设备接入、用户支付、清分结算、电动汽车租售、出行服务、增值拓展、行业用户综合服务全环节智能化等功能[24-25],为用户提供更为丰富的应用价值[8,10]

中国国家电网公司充分利用“大云物智移”技术,建设智慧车联网云平台,可接入超过100万个充电桩,同时服务300万客户[26-27]。通过与多家运营商互联互通,接入充电桩近17万个,占全国公共充电桩的90%,成为全球充电桩接入数量最多、充电功率最大的运营平台,如图2所示。

2 生态体系中多参与主体的运行方式

2.1 参与主体

总体来看,基于充电网络与车联网平台的能源互联网架构通过数据通信、能量传输、交通控制等方式,以信息网络、交通路网和充电网络有机融合为基础的系统性网络[20,24],其目标是实现“车—桩—路—网—人”等能源互联网关键运行主体的连通,从而构建多元一体化的综合服务体系。除了信息的收发,还包括交通网络的运行[28]以及能量的连接和交互[29],这赋予了能源互联网更为广阔的内涵和外延。生态体系中所包含的关键要素如下。

1)车:车联网的智能终端,主要涉及整车商及电池等核心部件供应商。

2)桩:车联网的服务重要入口,主要包括充电运营商和充电设备制造商。

3)路:交通网的重要组成部分,对应交通设施供应商。

4)网:智能电网是车联网的能量源泉,主要包括以中国国家电网、南方电网为代表的能源企业。

5)人:行人(道路环境参与者)和驾驶员(智慧车联网服务使用者)。

6)通信:通信是智慧车联网交互的纽带,主要涉及服务商和设备供应商。

7)服务平台:实现智慧车联网服务能力的业务和数据载体,向用户提供生态服务,主要涉及互联网公司。


图2 智慧车联网平台展示界面
Fig.2 Smart vehicular network platform

2.2 运行方式

基于充电网络与车联网平台的能源互联网运行方式,本质是由物理层(充电网络)与信息层(车联网平台)深度参与的电动汽车调度运行方式。该方式将可调度的电动汽车视为一个整体实施能量管理,而不关注其内部的控制和调节过程。该方式按照可调度电动汽车数量的多少,分为初级模式和高级模式。

在初级模式中,由车联网平台将电能调度指令发送至电动汽车,而电动汽车如何实现指令则是由电动汽车车主根据价格、需求等因素实时自我判断与调节的,或按照预先协定的充放电计划调整出力[25]。由于整体规模较小,电动汽车无论如何进行出力调整,均不会超过电网所允许的范围,也不会造成区域性的电力过剩或短缺。在不损失控制稳定性和准确性的前提下,初级模式降低了整体控制的难度,是电动汽车小规模接入时的一种有效运行方式。

当接入充电网络的电动汽车数量达到一定规模后,需要采用具备多级协调管理功能的高级模式。在高级模式中,电动汽车集群控制架构从下至上分为本地响应层、协调层和调度控制层,通过层与层之间的信息传递[30-32]和能量交互,实现多级协调的运行调度,具体过程如下。

电动汽车的状态将“由下至上”从本地响应层上传至调度控制层,包括电池的荷电状态、电动汽车车主的充电需求、电动汽车的充电时段、电动汽车的充电时间等,除了以上的固定信息,也可以附加上传可调整的充电时间、可调整的充电需求等在价格激励下的充放电行为调整信息,这些信息由本地响应层进行上传,在协调层进行汇总,最终上报到部署在车联网平台的调度控制层。

经过前述电动汽车状态“由下至上”汇总,调度控制层已全面掌握了包括调用能量、充电高峰时间段与负荷、放电高峰时间段与负荷等基本信息,通过能量管理优化算法生成调度指令,协调层根据调度控制层下发的功率分配指令进行本地响应层的充放电控制,保障区域内充放电功率在高峰期不超出现有设备的安全范围。

2.3 光储充一体化电站

光储充一体化电站作为基于充电网络与车联网平台的能源互联网的典型运行场景,集成光伏、储能(电动汽车电池梯次利用)、充电桩等多种类型综合能源设施,是智能电网的重要组成部分,也是车联网生态圈的重要参与形式。光储充一体化电站中的光伏为储能、电动汽车和电网提供清洁能源,促进可再生能源的就地消纳。通过本地光伏发电与充电站负荷的平衡,减少了充电站建设所需的电力系统扩容投资,同时与储能结合可有效减缓电动汽车集中充电对电网的冲击。随着光伏发电成本的快速下降,光储充一体化电站可有效降低充电站的购电成本,提高电动汽车充电站的整体效益。

光储充一体化电站运行方式主要考虑系统的经济性、安全性和环保性三个指标。其中,经济性指运营者实现电站运行成本最小,并通过综合优化的手段减少储能设备的配置容量从而降低初始投资成本;安全性指满足使用者充电需求的前提下,实现为每辆电动汽车提供过充过放保护;环保性要求系统运行时等效排放温室气体折合成的碳税总额最小。光储充一体化电站以经济性、安全性、环保性为目标函数,以光伏、储能等分布式设备的运行特性及电站的功率平衡为约束条件,最终实现电站的优化运行。

目前,光储充一体化电站已经实现了整站的智能监控和能量管理,许多高速公路服务区及交通出行的绿色能源项目已经有光储充一体化电站的示范应用。

3 基于生态体系的交易机制

3.1 交易主体

从能量流和资金流的角度看,基于充电网络与车联网平台参与电能及服务交易的主体包括:电动汽车公司、电动汽车用户、电力用户、投资方、场地业主、政府以及电网公司[33],如图3所示。

图3 参与主体关系示意图
Fig.3 Diagram of participation in principal relationship

电动汽车公司:搭建车联网平台,除提供电动汽车运营服务外,依托该平台建立便捷、可靠的能源双向(供给端与需求端)交互模式。电动汽车公司通过从投资方收购自发电力,将电力销售给该区域内的电动汽车用户和电力用户并为这些用户提供综合能源服务,以此来获取相应的收益;运营车联网平台,将参与交易的电力通过平台与电网公司、投资方、电动汽车用户及电力用户进行费用结算[22]

电动汽车用户:可直接通过车联网平台获取充电服务、租车服务等线上线下服务,同时可释放电动汽车储能电量,参与辅助服务,获取相应收益。

电力用户:通过车联网平台向电动汽车公司签署购电合同购买电力,通过使用电动汽车公司提供的电力降低自身用电成本。

投资方:通过与电动汽车公司签订售电协议,向电动汽车公司销售电能获取电费收益,投资方同时还获得各级政府对于分布式能源的补贴收益。对于投资方租赁的屋顶、停车场以及土地,投资方向提供场地的业主支付租金[34]

场地业主:屋顶、停车场以及土地等资源的所有者,通过将符合建设光储充电站、分布式能源站的资源租赁给投资方进行电力生产[35-37],自己获取租金收益,或者场地业主因为参与电力生产,可以获得电动汽车公司提供的优惠电价,降低自身用电成本。

此外,政府应继续对投资绿色电力生产的企业给予一定补贴。电网公司应通过与电动汽车公司签订相关协议收取过网费,不再以购售电的差价获取收益。

3.2 交易类型

3.2.1 能量交易

能量交易是指电动汽车用户借助基于充电网络与车联网平台的能源互联网所提供的接口[38],通过充放电行为、数据信息交互行为或其他技术商业行为,实现的价值交换或服务交换,并与各种能量服务商构成供需平衡的能量服务交易市场[33,39]

开展能量交易可通过能量信息管理分级,建立调度层、协调层和本地响应层的能量管理系统,实现分层的能量平衡管理,通过物联网技术和需求响应交易匹配撮合,实现能源的点对点交易。其中调度层与协调层只需要控制总电量不超过区域内充放电量的阈值限制,本地响应层包含不同的网络节点和电动汽车消费终端,他们根据车联网平台的整合和配对,实现近距离[35,37]、去中心化[40]、效率优化和时间优化的能量交易。本地响应层的决策将会更加透明理性,不再设立大容量的能量调度中心,不再浪费调度市场资源,交易由电动汽车车主和电网之间通过智能化车联网平台撮合,从而实现围绕本地响应者(分布式电源、分布式储能、电动汽车车主、电动汽车充电桩运营商、电动汽车充电站运营商)等多方主体的微型市场,实现小容量能量供应和需求者通过网络大规模接入的去中心化能量交易架构[34]

这样的能量交易方法使不同能量交易主体在价值信号的指导下,通过市场化的供需平衡确定交易的量和方向,实现自身交易的最优结算价格,而不是仅听从于整体调度的统一安排,更具有灵活性。特别是当能源交易主体有一方或多方改变交易数量和交易价格的时候,所有市场化交易主体能够自动实现能量交易的再平衡,从而实现电力系统供需平衡的实时化交易目标。这样的去中心化能量交易模式,不仅可以使市场主体成员有实际的利益,也有助于电力市场售电商朝着能量交易服务商转变,对于规模化、分散化的充电网和车辆网平台发展有重要意义。

3.2.2 服务交易

服务交易是指通过电动汽车充电网络与车联网平台,开展充电服务、汽车服务、增值服务等不同服务,充分挖掘平台价值。

1)充电服务方面,提升用户体验和提升平台充电量,扩大车联网平台充电设施接入规模[41],做好充电设施运营运维、入网检测等服务,提升设备可靠性和运营服务水平,服务电动汽车绿色出行[38];采用同源技术扩展思路,将港口岸电供电设施接入车联网平台,提供统一的充电管理服务,推进其他交通领域的电能替代。

2)汽车服务方面,车联网平台主要利用线上线下服务渠道,为用户提供分时租赁、网约车等智能出行服务,电动汽车资讯、智能导购、维修保养、应急救援、二手车置换等综合服务;在为智慧车联网平台提供更多车辆数据的同时,有效促进充电业务,推动网、桩、车运营一体化。

3)在增值服务方面,应用大数据分析技术对车联网平台积累的数据进行全面研究,挖掘数据价值,为政府机关、电动汽车行业上下游企业、互联网企业等提供数据服务,对人工智能、自动驾驶等新技术开展研究和应用,逐步构建完善的产业生态。

3.3 交易机制

3.3.1 充电权交易机制

“充电权”是指持有者能够在某段时间内,通过配电网络中某一规定区域的充电桩充入一定数量的电力。当充电设施总容量受限时,“充电权”在一定电网范围内的用户之间交易,实现充电需求通过市场机制自动调整,在保证电力网络安全性的同时,提高供电设施利用率和电动汽车用户充电满意度。交易机制如图4所示。

采用“充电权”交易的方式实现用户充电需求自发排序并依据优先级进行充电桩集群控制。由接入充电桩的电动汽车用户确定“充电权”售卖价格,报价越高的用户拥有越高的充电优先权。车联网平台根据充电设施总的充电能力,按照充电优先级决定可充电的电动汽车。

图4 充电权交易机制
Fig.4 Trading mechanism for charging right

3.3.2 分布式能源交易机制

现有分布式能源交易机制是将分布式能源的自发电量以统一的上网电价出售给电网公司,电网公司再通过峰谷平电价销售给电力用户。这种模式下投资方获取上网电价与政府补贴,电力用户按常规模式从电网公司购电。

图5 分布式能源交易机制
Fig.5 Trading mechanism for distributed energy

如图5所示,通过引入车联网平台模式,实现车联网平台为电力用户及电动汽车用户提供综合能源服务。车联网平台以高于上网价收购所有注册的投资方的发电电量,并以优惠的价格出售给注册的电力用户与电动汽车用户。当售电量和购电量有差异时,以实际发生的交易电量为准,差异部分可以滚动计入下一个计费周期,当购、售电差异较大时,车联网平台也可以直接向传统发电企业购买电量来平衡购售电量,车联网平台出售给电力用户的电量按约定价格与电网公司结算过网费用。车联网平台整合投资方、电力用户、电动汽车用户以及电网公司,通过完善的交易体系以及合约约束,实现电量交易。

3.3.3 碳积分交易机制

碳积分是指车联网平台依据电动汽车用户消费的可再生能源充电电量颁发的具有唯一代码标识的电子凭证。车联网平台负责核对用户的合规性及充电结算电量,按照1个积分对应1 kWh结算电量标准,在平台上向用户核发相应的碳积分,不足1 kWh结算电量部分,结转至下次充电核发。交易机制如图6所示。

图6 碳积分交易机制
Fig.6 Trading mechanism for carbon points

碳积分生成:以本地清洁能源发电量为约束条件,根据电动汽车用户实际充电电量在本地控制器及云端生成相应额度的碳积分。

碳积分获取:电动汽车用户结束充电服务并完成支付后,自动根据所充电量及不同的充电服务类型,在用户端APP上获取相应的碳积分电子凭证。

碳积分消费:通过碳积分凭证,用户可以兑换充电卡、电子代金券等。

3.4 交易系统

车联网平台交易系统包括用户管理模块、交易管理模块、结算管理模块、合同管理模块、信息发布模块以及交易计划管理模块。交易系统可实现综合能源与服务的评估、交易和结算功能以及交易信息的统计分析功能。供能企业、电力用户通过车联网平台交易系统实现能源交易;政府监管部门、上级交易中心及调度中心与车联网平台交易系统进行信息交互,实现区域间交易与管理功能。各模块具体功能如下。

1)用户管理模块对交易系统内的用户进行智能化管理,可进行用户注册、用户变更、用户注销、代理业务管理以及交易权限管理。

2)交易管理模块对交易系统内的各类交易进行全生命周期管理以及安全校核,可进行双边协商交易、集中竞价交易、挂牌交易、交易效验、交易撮合、交易规则解释、交易流程说明、交易信息记录、安全校核。

3)结算管理模块对交易系统内的各类交易通过智能终端的数据采集进行实时结算,可记录并显示计量点信息、电量信息、结算规则、结算信息。

4)合同管理模块对交易系统内的各类交易合同进行高效管理,可进行合同签订、合同分类、合同跟踪、合同变更、合同解除。

5)信息发布模块对交易系统内的各类用户发布实时信息,不同类别的用户群体对相应的交易信息享有不同的订阅权限,包含公告编写、公告审批、公告发布、政策法规、交易公告、重要通知、交易信息、合同信息、结算信息。

6)交易计划管理模块对交易系统内的各类交易计划进行智能管理,可进行交易计划编制、交易计划跟踪、交易执行情况统计。

4 支撑生态体系的技术方案

遵循“大平台+微服务”设计思路,车联网平台构建了多个共享能力中心,为快速构建面向各业务线的应用功能提供通用数据接口[36,38,41-43]。在共享能力中心基础上构建了应用支撑系统,包括统一用户模块和账户模块、统一支付模块、物联网数据采集模块、资金清分结算模块;在共享能力中心和应用支撑系统之上,建设了e充电、e约车、e车城三大业务系统和对外开放平台。面向客户的包括e充电网站、e充电APP、e约车APP、e车城网站、e车城APP,以及对内支撑业务开展的运营管理、客户服务、运行监控、运维检修管理等后台管理系统及充电设施巡检APP和车辆租赁运维APP。总体技术架构如图7所示。

5 结论

能源互联网生态体系基于智能电网,旨在构建一种移动能源体系,通过信息和能源的互通与融合,为用户提供高效便捷的资源接入、存储和分享手段,从而在交通出行、分布式储能等多种应用场景下实现以信息为主导的能源优化配置和精准控制。

能源互联网生态体系的发展将改变人们对电动汽车产业的认识,改变电动汽车的自身属性。电动汽车将不再是单纯的交通出行工具,还将是新商业模式下移动储能终端。

图7 总体技术架构图
Fig.7 The diagram of systematic architecture of software

中国国家电网公司融合车联网、能源网络、信息网络、交通网络和基础设施网络,构建智慧车联网体系,通过采用移动互联网等架构,辅之以大数据、云计算、人工智能、物联网等新技术,建成开放、智能、互动、高效的智慧车联网平台,为电动汽车用户和充电运营商提供信息服务、运维服务和金融服务,实现了全国电动汽车出行和充电网络的统一接入、统一服务。

基于充电网络与车联网平台的能源互联网生态体系研究仍有许多基础性的问题需要进一步梳理,例如商业模式、市场化运作的经济性;一些可行性论述仍有待完善,例如信息物理系统的稳定性和故障保护、软硬件服务的安全架构和风险应对措施;基于对该生态体系梳理而得出的政策建议也具有实际意义,因此有待更多研究者进一步挖掘。

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Energy Internet Ecosystem Based on Charging and Vehicular Network Platforms

LIU Yongxiang1,XU Huachi2,JIANG Bing1,CHENG Qing2,XU Qingqiang3,FENG Yi2
(1.State Grid Electric Vehicle Service Co.,Ltd.,Xicheng District,Beijing 100032,China;2.Sichuan Energy Internet Research Institute,Tsinghua University,Chengdu 610200,Sichuan Province,China; 3.State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.,Nanjing 210000,Jiangsu Province,China)

Abstract:The development of the energy internet ecosystem is ascendant,with constant innovation in the integration of electric vehicle technology and internet of things (IoT) to produce smart vehicular networks.Advancing conventional vehicular and energy network technologies to integrate with smart vehicular networks and systems will improve renewable energy utilization rates for the benefit of consumers and society,and promote the clean energy substitution and electricity substitution.This paper reviews existing literature on the energy internet ecosystem that comprises charging and vehicular network platforms,which mainly includes four points:the integrated architecture of various infrastructure networks,the operation mode of multiparty participants under the system architecture,the trading mechanism and types in the energy-information marketplace established around electric vehicles,and the technical solutions needed to support the efficient operation charging and vehicular network platforms.This paper considers the interoperability and fusion of information and energy in this ecosystem and targets efficient and convenient power dispatching for multiple functions to determine the optimal allocation and precise control of energy across these various networks.

Keywords:vehicular network platform; energy internet ecosystem; operation mode; trading mechanism; technical solution

刘永相

作者简介:

刘永相(1978),男,高级工程师,研究方向为电子科学与技术,电动汽车关键技术,区块链技术应用,E-mail:liuyongxiang@evs.sgcc.com.cn。

徐华池(1988),男,博士,研究方向为新能源汽车技术,E-mail:xuhuachi@tsinghua-eiri.org。

(责任编辑 张鹏)


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