淺談電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變電氣安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)提出了一種適用于電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變的電氣安全物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)由電氣安全智能感知設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)、電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)等構(gòu)成,可支持充電站箱變充電樁出線(xiàn)回路電流、電纜溫度、剩余電流、故障電弧、短路電流等數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè),并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。根據(jù)此設(shè)計(jì)方案開(kāi)發(fā)了電氣安全智能感知設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)軟件。工程實(shí)踐情況表明,系統(tǒng)可有效識(shí)別電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變低壓線(xiàn)路電氣火災(zāi)安全隱患,能為運(yùn)維部門(mén)快速檢修提供決策依據(jù),避免火災(zāi)事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車(chē)充電站;電氣火災(zāi);故障電弧;物聯(lián)網(wǎng)

0引言

隨著新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,電網(wǎng)公司建設(shè)并運(yùn)營(yíng)了大量的電動(dòng)汽車(chē)充電站。電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變作為充電樁的電源供應(yīng)點(diǎn),其運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。目前,大多電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變低壓開(kāi)關(guān)出線(xiàn)回路未采取任何監(jiān)測(cè)手段,存在管理盲點(diǎn)和安全隱患。充電站處于24h不停機(jī)運(yùn)行狀態(tài),低壓充電樁線(xiàn)路一直持續(xù)帶電運(yùn)行,線(xiàn)路老化、接頭松動(dòng)、絕緣受損等都會(huì)造成電氣回路打火、短路等故障,極易引發(fā)電氣火災(zāi)。電纜溫度、剩余電流、故障電弧探測(cè)是目前電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測(cè)的主要手段。我國(guó)對(duì)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)告警建立了標(biāo)準(zhǔn)[1G3],與之對(duì)應(yīng)的主要產(chǎn)品技術(shù)形態(tài)為組合式電氣火災(zāi)探測(cè)器和故障電弧探測(cè)器。當(dāng)故障電弧產(chǎn)生時(shí),其溫度高達(dá)3000~4000℃,甚至超過(guò)5000℃,并伴有金屬熔化物噴濺,極易引燃線(xiàn)路絕緣層而導(dǎo)致線(xiàn)路起火。如果在故障點(diǎn)附近存在可燃物,也極易引燃而導(dǎo)致火災(zāi)。故障電弧探測(cè)是電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)的重要組成部分,越來(lái)越受到業(yè)界的關(guān)注[4G7]。目前市面上的組合式電氣火災(zāi)探測(cè)器和故障電弧探測(cè)器是兩個(gè)不同的產(chǎn)品,在實(shí)際工程實(shí)踐中存在安裝不便、占用空間大、組網(wǎng)困難、施工麻煩等情況。

近年來(lái),隨著智慧消防平臺(tái)的建設(shè),對(duì)電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測(cè)設(shè)備也提出了物聯(lián)化要求[8]。為此,本文提出了一種適用于電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變電氣安全物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,開(kāi)發(fā)新型電氣安全智能感知設(shè)備,通過(guò)單一設(shè)備實(shí)現(xiàn)低壓電氣回路電氣火災(zāi)多要素監(jiān)測(cè),包括電壓、電流、電纜溫度、剩余電流、故障電弧、短路電流等。監(jiān)測(cè)設(shè)備接入通信網(wǎng)關(guān),并通過(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

1系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示,系統(tǒng)由邊緣感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成。其中邊緣感知層包括電氣安全智能感知設(shè)

備、通信網(wǎng)關(guān)。電氣安全智能感知設(shè)備安裝在箱變低壓配電回路上,通過(guò)RSG485總線(xiàn)和通信網(wǎng)關(guān)連接。通信網(wǎng)關(guān)支持4G通信,經(jīng)數(shù)據(jù)加密后接入電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)電氣安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和處理。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了電氣安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)、告警、統(tǒng)計(jì)、工單等功能,展現(xiàn)方式包括大屏幕、Web應(yīng)用、微信小程序等。

圖1電氣安全物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖

2邊緣感知層設(shè)備

2.1電氣安全智能感知設(shè)備

2.1.1工作原理

如圖2所示,電氣安全智能感知設(shè)備接入充電站箱變低壓充電樁回路的三相電壓、三相電流、剩余電流、ABCN四線(xiàn)溫度。本文開(kāi)發(fā)的電氣安全智能感知設(shè)備基于高頻電流采樣數(shù)據(jù),建立電弧故障時(shí)電流暫態(tài)物理模型,結(jié)合機(jī)

器學(xué)習(xí)方法對(duì)電流時(shí)序采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別,判別故障電弧事件。和市面上現(xiàn)有故障電弧探測(cè)器產(chǎn)品相比,該裝

置通過(guò)常規(guī)的外置電流互感器電流采樣實(shí)現(xiàn)故障電弧識(shí)別,和一次電流規(guī)格無(wú)關(guān);支持三相故障電弧判別,提供故障電弧波形記錄功能;通過(guò)對(duì)短路波形的特征判斷,提供短路故障電流判斷與告警功能,同時(shí)也提供短路電流動(dòng)作波形記錄,為事故分析提供依據(jù),為責(zé)任認(rèn)定提供證據(jù);還提供常規(guī)的組合式電氣火災(zāi)探測(cè)器功能,包括回路電流、溫度、剩余電流監(jiān)測(cè)預(yù)警。

圖2電氣安全智能感知設(shè)備工作原理圖

2.1.2組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中往往需對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變多個(gè)三相低壓配電回路實(shí)現(xiàn)電氣安全監(jiān)測(cè)。采取常規(guī)方案時(shí)一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)回路,每個(gè)設(shè)備都需要連接供電電源、備體積大,開(kāi)關(guān)柜安裝空間受限shi安裝不便。如圖3和圖4所示,本文設(shè)計(jì)的電氣安全智能感知設(shè)備采取組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。感知設(shè)備由一個(gè)供電模塊、多個(gè)監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成。一個(gè)監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)一個(gè)三相回路或三個(gè)單相回路電氣安全多要素監(jiān)測(cè),模塊與模塊之間通過(guò)插件式總線(xiàn)連接,總線(xiàn)提供了設(shè)備之間的供電和通信連接。設(shè)備通過(guò)一個(gè)集中的供電通信模塊接入外部電源,并對(duì)外提供通信接口,設(shè)備之間無(wú)需再連接電源線(xiàn)和通信線(xiàn)。電氣安全智能感知模塊僅有1P空氣開(kāi)關(guān)大小,寬度為18mm,采取35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu),安裝簡(jiǎn)單、方便。

圖3電氣安全智能感知設(shè)備組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖4電氣安全智能感知設(shè)備實(shí)物圖

2.1.3通信組網(wǎng)

如圖5所示,電氣安全感知模塊通過(guò)插接式通信總線(xiàn)

接入供電通信模塊,通信總線(xiàn)為RSG485。供電通信模塊匯關(guān)可提供多個(gè)串口,接入多組智能感知設(shè)備。通信網(wǎng)關(guān)對(duì)外提供4G通信接口,通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

圖5通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.4帶電安裝

為了方便施工,本文設(shè)計(jì)的電氣安全智能感知模塊采用了開(kāi)啟式電流互感器和開(kāi)啟式剩余電流互感器作為電流輸入元件。施工時(shí)無(wú)需開(kāi)斷主回路,可帶電安裝,從而大大減輕了現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量,縮短安裝時(shí)間,且對(duì)主回路沒(méi)有任何影響,確保充電站系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性。

2.2通信網(wǎng)關(guān)

通信網(wǎng)關(guān)由處理器模塊、模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、液晶、鍵盤(pán)及多種通信接口模塊組成,如圖6所示。

模塊,支持96個(gè)模塊。裝置支持LoRa通信接口,可通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式接入采集設(shè)備。裝置提供4GCat。1通信接口,向監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。裝置模擬量輸入部分提供一路溫濕度采集和一路4~20mA模擬量采集,開(kāi)關(guān)量輸入部分提供三路開(kāi)關(guān)量采集。

圖6通信網(wǎng)關(guān)硬件邏輯架構(gòu)圖

3電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

3.1軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

軟件平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖7所示。軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)采集基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。通信網(wǎng)關(guān)代理各電氣安全智能感知模塊接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),接入通信協(xié)議為MQTT。基于效率考慮,通信網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信時(shí)采用了原始二進(jìn)制(RAWDATA)數(shù)據(jù)上傳模式,在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的協(xié)議腳本做數(shù)據(jù)解析,解析結(jié)果為json格式的阿里云連接(Aliyunlink,Alink)協(xié)議。在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中通過(guò)AMQP訂閱方式獲取阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)推送的數(shù)據(jù)和事件,

圖7電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)事件處理、告警處理、數(shù)據(jù)保存等功能。模型數(shù)據(jù)庫(kù)和事件數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)采用了阿里云提供的MySQLRDS云數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)采用了阿里云提供的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一的接口封裝對(duì)外的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù),為大屏幕、Web應(yīng)用和微信小程序提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口。開(kāi)發(fā)了大屏幕、Web應(yīng)用和微信小程序,實(shí)時(shí)展示平臺(tái)運(yùn)行工況,通過(guò)豐富的圖表、看板等方式查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)信息。

3.2軟件系統(tǒng)功能

(1)運(yùn)行監(jiān)視:通過(guò)可視化看板、圖表、曲線(xiàn)等方式顯示監(jiān)測(cè)對(duì)象運(yùn)行工況。

(2)安全預(yù)警:過(guò)流、超溫、剩余電流超限、故障電弧、短路等異常工況預(yù)警,推送告警。

(3)故障分析:通過(guò)故障錄波數(shù)據(jù)分析故障原因。

(4)工單管理:創(chuàng)建工單,實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理數(shù)字化、流程化。

(5)缺陷管理:實(shí)現(xiàn)缺陷報(bào)告、處理、原因分析的全流程數(shù)字化管理。

(6)安全評(píng)價(jià):以負(fù)載率、溫度、剩余電流、故障電弧等多個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)對(duì)象運(yùn)行電氣安全水平。

4工程應(yīng)用案例

在上海市電力公司青浦供電公司管轄范圍內(nèi)的意邦充電站、會(huì)展充電站、長(zhǎng)三角水鄉(xiāng)會(huì)客廳充電站箱變安裝了電氣安全智能感知設(shè)備,實(shí)現(xiàn)充電站箱變低壓配電回路電氣安全實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖8所示。系統(tǒng)運(yùn)行期間,多次發(fā)現(xiàn)了運(yùn)行中存在電纜超溫、剩余電流越限、故障電弧安全隱患缺陷。運(yùn)維部門(mén)根據(jù)系統(tǒng)告警提示及時(shí)進(jìn)行了檢修,消除了安全隱患,避免了事故擴(kuò)大。

圖8電氣安全智能感知設(shè)備和通信網(wǎng)關(guān)箱變安裝實(shí)例

5安科瑞智慧消防云平臺(tái)

5.1平臺(tái)概述

安科瑞智慧消防云平臺(tái)依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，對(duì)充電站配電系統(tǒng)的運(yùn)行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障，并及時(shí)切除安全隱患、避免電氣火災(zāi)發(fā)生，從而保障人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，打造“安全、高效、舒適、綠色"的“人—車(chē)—樁—電網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)—多種增值業(yè)務(wù)"的智慧充電站，提升充電站的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5.2適用場(chǎng)合

可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、酒店、體育場(chǎng)等公共建筑；商業(yè)廣場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)園等綜合園區(qū)；企業(yè)、住宅小區(qū)等場(chǎng)所。

5.3組網(wǎng)架構(gòu)

平臺(tái)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由終端感知設(shè)備、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和能效管理平臺(tái)層三個(gè)部分組成，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

5.4參考選型

5.5相關(guān)產(chǎn)品介紹

5.5.1 7KW交流充電樁AEV-AC007D

產(chǎn)品功能

1）智能監(jiān)測(cè)：充電樁智能控制器對(duì)充電樁具備測(cè)量、控制與保護(hù)的功能，如運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)、充電計(jì)量與計(jì)費(fèi)以及充電過(guò)程的聯(lián)動(dòng)控制等。

2）智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能，可將計(jì)量信息通過(guò)RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。

3）云平臺(tái)：具備連接云平臺(tái)的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等。

4）保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能。

5）材質(zhì)可靠：保證長(zhǎng)期使用并抵御復(fù)雜天氣環(huán)境。

6）適配車(chē)型：滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國(guó)標(biāo)的電動(dòng)汽車(chē)，適應(yīng)不同車(chē)型的不同功率。

7）資產(chǎn)安全：產(chǎn)品全部由中國(guó)平安保險(xiǎn)承保，充分保障設(shè)備、車(chē)輛、人員的安全。

5.5.2直流充電樁系列

5.5.3電氣火災(zāi)探測(cè)器ARCM300-Z

5.5.4限流式保護(hù)器ASCP200

產(chǎn)品功能：

1）短路保護(hù)：保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線(xiàn)路電流，當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

2）過(guò)載保護(hù)：當(dāng)線(xiàn)路電流過(guò)載且持續(xù)時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3~60秒可設(shè)）時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

3）表內(nèi)超溫保護(hù)：當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)器實(shí)施超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

4）組網(wǎng)通訊：保護(hù)器具有1路RS485接口，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5.6平臺(tái)功能

5.6.1登錄

5.6.2首頁(yè)

平臺(tái)首頁(yè)顯示充電站的位置及在線(xiàn)情況，統(tǒng)計(jì)充電站的充電數(shù)據(jù)

5.6.3實(shí)時(shí)監(jiān)控

1）充電站監(jiān)控

可以按站點(diǎn)名稱(chēng)進(jìn)行篩選，顯示站點(diǎn)詳情、充電槍列表、統(tǒng)計(jì)訂單信息、故障記錄，點(diǎn)擊某個(gè)充電槍編號(hào)后在進(jìn)入充電槍監(jiān)控頁(yè)面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器負(fù)荷（搭配ACM300T、ADW300），當(dāng)負(fù)荷超過(guò)50%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為50%，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過(guò)80%時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開(kāi)始充電，直到負(fù)荷下降為止。如圖所示

統(tǒng)計(jì)當(dāng)前充電站各充電樁回路的數(shù)據(jù)；通過(guò)卡片的形式展現(xiàn)充電樁的數(shù)據(jù)；顯示故障列表；如圖所示：

2）充電樁監(jiān)控

顯示充電樁充電數(shù)據(jù)；顯示各回路的充電狀態(tài)；可以對(duì)充電中的回路進(jìn)行手動(dòng)終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設(shè)備監(jiān)控

顯示限流式保護(hù)器的狀態(tài)，包括線(xiàn)路中的剩余電流、溫度及異常報(bào)警，如圖所示：

5.6.4故障管理

1）故障查詢(xún)

故障查詢(xún)中記錄了登錄用戶(hù)相關(guān)聯(lián)的所有故障信息。如圖所示：

2）故障派發(fā)

故障派發(fā)中記錄了當(dāng)前待派發(fā)的故障信息。如圖所示：

3）故障處理

故障處理中記錄了當(dāng)前待處理的故障信息。如圖所示：

5.6.5能耗分析

在能耗分析中，可查看指ding時(shí)段關(guān)聯(lián)站點(diǎn)和關(guān)聯(lián)樁的能耗信息并顯示對(duì)應(yīng)的能耗趨勢(shì)圖。如圖所示：

5.6.6故障分析

在故障分析中，可查看相關(guān)時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)、故障狀態(tài)、故障類(lèi)型、趨勢(shì)分析以及故障列表。如圖所示：

5.6.7財(cái)務(wù)報(bào)表

在財(cái)務(wù)報(bào)表中，可根據(jù)時(shí)間查看關(guān)聯(lián)站點(diǎn)的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)。如圖所示：

5.6.8收益查詢(xún)

在收益查詢(xún)中，可查看總的收益統(tǒng)計(jì)、收益變化曲線(xiàn)圖、支付占比餅圖以及實(shí)際收益報(bào)表。如圖所示：

5.7案例實(shí)景

6結(jié)語(yǔ)

采取有效技術(shù)手段防止電氣火災(zāi)發(fā)生是電動(dòng)汽車(chē)充電站運(yùn)行管理的重要工作內(nèi)容。針對(duì)現(xiàn)有電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測(cè)設(shè)備存在的功能簡(jiǎn)單、體積大、安裝不便等問(wèn)題,本文提出了電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)電氣安全智能感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)引發(fā)電氣火災(zāi)的多種要素的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)感知和告警,且安裝簡(jiǎn)單方便,擴(kuò)展性強(qiáng)。應(yīng)用實(shí)例表明,應(yīng)用本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)充電站電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可有效提升電動(dòng)汽車(chē)充電站電氣安全監(jiān)測(cè)水平,避免電氣火災(zāi)發(fā)生,提升充電站運(yùn)行可靠性。

參考文獻(xiàn)

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作者介紹：
任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。