基于鴻蒙系統(tǒng)的光儲(chǔ)充電站綜合管理平臺(tái)

摘要：大量充電設(shè)施接入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了顯著挑戰(zhàn)。文章利用鴻蒙操作系統(tǒng)的分布式、高性能、高可靠、可擴(kuò)展和可裁剪等特性，設(shè)計(jì)了一種新型的光儲(chǔ)充電站綜合管理平臺(tái)。該平臺(tái)在能量管理、安全管理和收益管理三個(gè)層面，采用“左右大腦”分工協(xié)作模式，通過傳輸與傳感感知實(shí)現(xiàn)充電站的智能化管理。此外，平臺(tái)適配不同算力的鴻蒙系統(tǒng)硬件，并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性與可靠性。這一管理平臺(tái)為新能源汽車充電站的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：鴻蒙系統(tǒng)；光儲(chǔ)充電站；能量管理系統(tǒng)；數(shù)字孿生；機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）35-0101-03開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

0引言

近年來，能源危機(jī)與氣候變化帶來了巨大的壓力，迫使交通工具向低碳化升級(jí)轉(zhuǎn)型，電動(dòng)車因其環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢(shì)得到迅速發(fā)展。工信部發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》預(yù)測(cè)，到2030年，我國(guó)新能源汽車保有量將達(dá)到6420萬輛，位居世界前列[1]。然而，電動(dòng)車的發(fā)展離不開充電設(shè)施的廣泛建設(shè)，這些充電設(shè)施的大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了顯著挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)線路走廊容量不足、城市電力管網(wǎng)擴(kuò)容困難及末端供電容量受限等問題，新型光儲(chǔ)充電站應(yīng)運(yùn)而生，成為解決上述痛點(diǎn)的有效手段[2-4]。

光儲(chǔ)充電站的管理系統(tǒng)主要包括能量管理、安全管理和收益管理等模塊。能量管理涵蓋光伏組件、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁及電網(wǎng)的能量調(diào)控；安全管理涉及光伏組件、電池、充電樁及電氣裝置的安全監(jiān)控；收益管理則包括用戶收費(fèi)、車輛計(jì)費(fèi)及電網(wǎng)電費(fèi)管理等。充電站管理的核心在于經(jīng)濟(jì)效益，通過實(shí)時(shí)的充放電數(shù)據(jù)計(jì)算收益，并結(jié)合安全管理的運(yùn)維方案，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。然而，充電站通常涉及多個(gè)設(shè)備廠商，信息交互壁壘高，設(shè)備運(yùn)行相對(duì)割裂，各管理模塊協(xié)同互聯(lián)性差，造成管理上的困難。

鴻蒙操作系統(tǒng)（HarmonyOS）作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)新型操作系統(tǒng)，憑借分布式、高性能、高可靠、可擴(kuò)展及可裁剪等特性，成為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)[5]。鴻蒙系統(tǒng)能夠根據(jù)不同算力需求裁剪或擴(kuò)展，適應(yīng)從傳感器到計(jì)算機(jī)級(jí)別的各類硬件。此外，鴻蒙系統(tǒng)提供統(tǒng)一規(guī)范的通信框架，適配多種量測(cè)傳感儀表，為充電站的能量管理與安全評(píng)估提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。其高效實(shí)時(shí)的系統(tǒng)架構(gòu)及內(nèi)嵌的人工智能能力，使其能夠運(yùn)行各類輕量級(jí)仿真和算法推演，實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策與評(píng)估。

本文旨在設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于鴻蒙系統(tǒng)的光儲(chǔ)充電站綜合管理平臺(tái)，通過引入分層分級(jí)架構(gòu)和“左右大腦”協(xié)同模式，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提升充電站的經(jīng)濟(jì)性、安全性與可靠性，從而為新能源汽車充電站的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

1系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于鴻蒙系統(tǒng)適應(yīng)不同算力規(guī)模硬件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了從感知到?jīng)Q策的分層分級(jí)架構(gòu)。類比于人體神經(jīng)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括小型、中型和大型鴻蒙系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)神經(jīng)元、中樞神經(jīng)和大腦的功能。

1）小型鴻蒙系統(tǒng)（神經(jīng)元）：負(fù)責(zé)感知執(zhí)行，通過嵌入各類量測(cè)儀表，實(shí)現(xiàn)即插即用及準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)采集。

2）中型鴻蒙系統(tǒng)（中樞神經(jīng)）：負(fù)責(zé)傳輸通信，支持以太網(wǎng)、Wi-Fi、5G、紅外、藍(lán)牙、電力載波等傳輸協(xié)議，確保數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。

3）大型鴻蒙系統(tǒng)（大腦）：負(fù)責(zé)建模仿真與決策實(shí)施，分為左腦和右腦。左腦側(cè)重機(jī)理驅(qū)動(dòng)，執(zhí)行仿真、推理和控制等功能；右腦側(cè)重?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，用于評(píng)估、預(yù)測(cè)和優(yōu)化等功能?；邙櫭傻膹V泛連接與高效運(yùn)行能力，左右腦能夠互聯(lián)互通，高效協(xié)同工作。整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

左腦利用對(duì)站內(nèi)設(shè)備與電動(dòng)車的精準(zhǔn)建模，依托小型鴻蒙傳感器提供的實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)，通過仿真計(jì)算快速獲取結(jié)果，適用于實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)、電力電子器件控制及突發(fā)性故障告警等高時(shí)效性應(yīng)用。右腦通過數(shù)據(jù)采集、分析、智能推理和反饋控制，構(gòu)建數(shù)字孿生模型。基于統(tǒng)計(jì)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)序分析等智能算法，結(jié)合光伏發(fā)電與電車充放電預(yù)測(cè)曲線，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，優(yōu)化光伏發(fā)電、儲(chǔ)能及汽車的充放電策略，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化。此外，右腦還基于電氣、熱、力、圖像等多類信息，實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和安全評(píng)估。

左右腦協(xié)同方面，左腦能夠通過仿真計(jì)算提供高可信度數(shù)據(jù)，傳入右腦進(jìn)行中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)和控制指令生成。右腦基于這些預(yù)測(cè)結(jié)果反饋給左腦，實(shí)施具體執(zhí)行操作，如設(shè)計(jì)合理的運(yùn)維計(jì)劃以延長(zhǎng)電池壽命，或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)以提升未來收益。

2能量管理

能量管理系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)太陽能光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)與電動(dòng)車充電功能之間的能量流動(dòng)，確保光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)與電動(dòng)車充電的協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)實(shí)施智能調(diào)度與控制等功能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電力供應(yīng)?；邙櫭上到y(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行全景數(shù)據(jù)采集，包括但不限于電網(wǎng)調(diào)度、并網(wǎng)點(diǎn)參數(shù)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、功率變換系統(tǒng)（PCS）、光伏組件及充電樁等設(shè)備的電量數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，構(gòu)建設(shè)備級(jí)的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)和充電樁的統(tǒng)一管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化和智能控制，保障規(guī)劃運(yùn)行、安全分析和健康管理。該模型包括以下幾個(gè)部分：

1）高效的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

利用先進(jìn)的光伏組件和逆變器技術(shù)，結(jié)合最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法，靈活分配不同光照條件下的能量，確保光伏發(fā)電的最大化利用，實(shí)現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換與能量輸出。

2）高效的儲(chǔ)能控制系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)合理的儲(chǔ)能配置，確保在光伏發(fā)電波動(dòng)或電動(dòng)車需求激增時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速提供可靠的能量支持，平衡供需，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的最優(yōu)互動(dòng)。

3）充電需求預(yù)測(cè)。

通過分析電動(dòng)車的歷史數(shù)據(jù)、交通調(diào)度數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)等信息，提前預(yù)測(cè)充電站的用電需求。系統(tǒng)需適應(yīng)氣象條件的波動(dòng)和電動(dòng)車充電需求的不確定性，提前制訂充電站運(yùn)行計(jì)劃，調(diào)整能源分配策略。

4）智能充電樁系統(tǒng)。

利用車聯(lián)網(wǎng)（V2G）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車與電網(wǎng)之間的雙向能量流動(dòng)，優(yōu)化充電和放電過程管理，最大化充電站、用戶與電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性滿意度。

5）電力電子控制策略。

通過直流母線或交流母線，協(xié)調(diào)控制光伏、儲(chǔ)能設(shè)備及充電樁之間的功率流動(dòng)關(guān)系，確保母線電壓穩(wěn)定。

基于以上技術(shù)，能量管理系統(tǒng)有效解決了光伏隨機(jī)性與波動(dòng)性引起的消納能力不足和電網(wǎng)沖擊的問題，實(shí)現(xiàn)了綠色能源的高效友好利用。結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了削峰填谷、需求響應(yīng)及電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，顯著降低了用能成本。

3安全管理

充電站通常位于人口密集區(qū)域，并向公眾開放，其安全性至關(guān)重要。安全管理主要涵蓋以下幾個(gè)方面：

1）儲(chǔ)能系統(tǒng)安全。

充電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模龐大，設(shè)計(jì)復(fù)雜，需保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。隨著電池材料在長(zhǎng)周期循環(huán)后穩(wěn)定性降低，安全風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加。基于鴻蒙系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)（BMS）通過持續(xù)、快速、實(shí)時(shí)地采集電芯的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)，全面評(píng)估鋰離子電池的全生命周期安全性，從而降低充電站的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)[6]。

2）電氣系統(tǒng)安全。

鴻蒙系統(tǒng)集成的電流傳感器和電壓傳感器能夠捕捉電參數(shù)波形數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)。通過分析這些電信號(hào)，特別是異常波動(dòng)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障的早期監(jiān)測(cè)和診斷，并采取及時(shí)措施以避免故障發(fā)生[7]。

3）消防系統(tǒng)安全。

對(duì)充電站內(nèi)潛在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和評(píng)估是安全管理的關(guān)鍵。紅外熱成像技術(shù)能夠穿透煙霧和黑暗，檢測(cè)設(shè)備難以察覺的過熱等火災(zāi)前兆，揭示設(shè)備的熱狀態(tài)，為火災(zāi)預(yù)防提供重要的數(shù)據(jù)支持[8]。

4）日常管理安全。

充電站內(nèi)安裝的圖像和視頻傳感器提供的視覺數(shù)據(jù)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備和人員狀態(tài)，還能捕捉可能預(yù)示故障的異常行為或事件。利用鴻蒙系統(tǒng)預(yù)置的基礎(chǔ)AI算法和推理模型，系統(tǒng)可進(jìn)行圖像和語音識(shí)別，實(shí)現(xiàn)設(shè)備由內(nèi)因或外力造成的破壞識(shí)別、異物闖入識(shí)別、車牌識(shí)別及人員異常行為識(shí)別等功能。這種智能化識(shí)別能力不僅提高了充電站的安全性，還優(yōu)化了維護(hù)和運(yùn)營(yíng)流程。通過減少人為監(jiān)控需求，機(jī)器學(xué)習(xí)模型還能夠降低運(yùn)營(yíng)成本并提高故障響應(yīng)效率。

5）數(shù)據(jù)安全。

充電站內(nèi)大量設(shè)備的互聯(lián)協(xié)同工作導(dǎo)致數(shù)據(jù)在多臺(tái)設(shè)備間不斷流轉(zhuǎn)，增加了攻擊面。一旦某設(shè)備遭受攻擊，可能影響到所有連接設(shè)備。鴻蒙系統(tǒng)通過信任管理、訪問控制、數(shù)據(jù)加密、可信計(jì)算、差分隱私及數(shù)據(jù)脫敏等技術(shù)，構(gòu)建了涵蓋數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和訪問等全生命周期管理的數(shù)據(jù)安全體系，充分保障充電站的數(shù)據(jù)安全。

4收益管理

收益管理主要涵蓋電動(dòng)車充電收益管理、電網(wǎng)交互收益管理及碳核算收益管理等方面?；邙櫭上到y(tǒng)的超級(jí)終端能力，通過統(tǒng)一的用戶界面，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了賬號(hào)管理、用戶管理、多設(shè)備支持及數(shù)據(jù)管理等多層面功能，提供了收益最大化的決策能力和提升用戶滿意度的服務(wù)能力。

4.1電動(dòng)車充電收益管理

電動(dòng)車充電收益主要來自合理的定價(jià)策略和計(jì)費(fèi)方式，以最大化充電站的收入。根據(jù)充電時(shí)段、電量及用戶需求等因素制定差異化定價(jià)，既能吸引用戶，又能確保充電站的經(jīng)濟(jì)收益。此外，通過智能調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化充電流程，減少用戶等待時(shí)間，提高用戶滿意度。同時(shí)，提供多樣化的支付方式、優(yōu)惠活動(dòng)及優(yōu)質(zhì)客戶服務(wù)，增強(qiáng)用戶黏性和忠誠(chéng)度。

4.2電網(wǎng)交互收益管理

每日光伏發(fā)電量與電動(dòng)車充電負(fù)荷隨時(shí)間和區(qū)域變化。在短期內(nèi)，基于歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，應(yīng)用指定預(yù)測(cè)算法對(duì)當(dāng)日負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)預(yù)測(cè)，制定儲(chǔ)能充放及與電網(wǎng)交互電能的計(jì)劃。其管理能力主要體現(xiàn)在精準(zhǔn)預(yù)測(cè)光伏發(fā)電能力與電動(dòng)車充電負(fù)荷，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)交互收益最大化。一方面，準(zhǔn)確的光伏預(yù)測(cè)有助于合理規(guī)劃儲(chǔ)能設(shè)備的充放電策略，優(yōu)化電網(wǎng)供需平衡，提高能源利用效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。影響光伏預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的因素主要包括天氣條件（如太陽輻照強(qiáng)度、云層厚度、氣溫、風(fēng)速等）、光伏電站設(shè)備狀態(tài)（光伏板清潔度、轉(zhuǎn)換效率及逆變器性能等）及歷史數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性。通過引入先進(jìn)的天氣預(yù)報(bào)技術(shù)，采用精細(xì)的歷史數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化算法，提升預(yù)測(cè)精度。另一方面，電動(dòng)車充電負(fù)荷預(yù)測(cè)分為中長(zhǎng)期和短期兩類：中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)基于電動(dòng)車的保有量、增長(zhǎng)率及區(qū)域內(nèi)車流量等宏觀因素，利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)未來充電負(fù)荷變化趨勢(shì)；短期預(yù)測(cè)則綜合考慮用戶使用習(xí)慣、電動(dòng)車行駛路線及天氣等多種因素。

4.3碳核算收益管理

碳核算涉及復(fù)雜的光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)及電網(wǎng)電力的能耗和排放數(shù)據(jù)綜合核算，需準(zhǔn)確選擇和使用光伏發(fā)電減排因子、電網(wǎng)電力排放因子及儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗率等參數(shù)。國(guó)內(nèi)能源碳交易市場(chǎng)采用階梯式碳交易模型[9]，更多碳減排帶來更大經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)碳核算的精準(zhǔn)度要求更高。鑒于此，充電站碳核算管理主要包括以下方面：

1）光照強(qiáng)度概率模型

針對(duì)光伏不確定性，建立光照強(qiáng)度概率模型，預(yù)測(cè)光伏出力，評(píng)估光伏發(fā)電對(duì)碳排放市場(chǎng)基價(jià)的影響。

2）電力售價(jià)與購(gòu)價(jià)制定

基于用電成本與階梯型碳交易機(jī)制，制定電力售價(jià)與購(gòu)價(jià)。綜合考慮電動(dòng)車用電成本和荷電狀態(tài)，預(yù)測(cè)用戶的充放電行為，確定其對(duì)碳排放市場(chǎng)基價(jià)的影響[10]。

3）數(shù)據(jù)采集與整合

由于光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)電力使用數(shù)據(jù)復(fù)雜且難以進(jìn)行碳排放核算，應(yīng)用鴻蒙系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，統(tǒng)一收集和整理各系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及處理系統(tǒng)，將不同來源的數(shù)據(jù)整合分析，生成綜合能耗和排放報(bào)告。

基于以上方法，收益管理系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)收益最大化，優(yōu)化碳排放管理，提升充電站的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

5結(jié)束語

本文提出了一種基于鴻蒙系統(tǒng)的光儲(chǔ)充電站綜合管理平臺(tái)，旨在通過智能化管理系統(tǒng)，提升光儲(chǔ)充電站的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性與安全性。該平臺(tái)采用“左右大腦”協(xié)同分工模式，通過傳輸與傳感感知，實(shí)現(xiàn)充電站的智能化管理。結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)顯著提高了運(yùn)行效率和安全性，為新能源汽車充電站的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用的深入，基于鴻蒙系統(tǒng)的管理平臺(tái)有望在智能電網(wǎng)和新能源汽車充電領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。未來研究可進(jìn)一步優(yōu)化算法，拓展系統(tǒng)功能，提升平臺(tái)的可擴(kuò)展性與適應(yīng)性，以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求和技術(shù)挑戰(zhàn)。

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[10]龐松嶺，趙雨楠，張瑞恩，等.市場(chǎng)環(huán)境下計(jì)及用戶響應(yīng)的電動(dòng)汽車充電站優(yōu)化運(yùn)行策略[J].電力建設(shè)，2024，45（10）：59-68

【通聯(lián)編輯：張薇】