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

程瑜 187 0211 2087

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4G網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)。根據(jù)此設(shè)計(jì)方案開發(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)汽車充電站箱變低壓線路電氣火災(zāi)安全隱患,能為運(yùn)維部門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)汽車充電站。電動(dòng)汽車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)汽車充電站箱變低壓開關(guān)出線回路未采取任何監(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),低壓充電樁線路一直持續(xù)帶電運(yùn)行,線路老化、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5000℃,并伴有金屬熔化物噴濺,極易引燃線路絕緣層而導(dǎo)致線路起火。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,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,開發(fā)新型電氣安全智能感知設(shè)備,通過單一設(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RSG485總線和通信網(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四線溫度。本文開發(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,開關(guān)柜安裝空間受限時(shí)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插件式總線連接,總線提供了設(shè)備之間的供電和通信連接。設(shè)備通過一個(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)備之間無需再連接電源線和通信線。電氣安全智能感知模塊僅有1P空氣開關(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插接式通信總線

接入供電通信模塊,通信總線為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啟式電流互感器和開啟式剩余電流互感器作為電流輸入元件。施工時(shí)無需開斷主回路,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、開關(guān)量輸入、液晶、鍵盤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,可通過無線方式接入采集設(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,開關(guān)量輸入部分提供三路開關(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)通過統(tǒng)一的接口封裝對(duì)外的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)訪問服務(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)訪問接口。開發(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,通過豐富的圖表、看板等方式查詢歷史數(shù)據(jù)信息。

3.2軟件系統(tǒng)功能

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

(2)安全預(yù)警:過流、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)在線監(jiān)測(cè)?，F(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—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）適配車型：滿足國(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，適應(yīng)不同車型的不同功率。

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)用電線路電流，當(dāng)線路發(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）過載保護(hù)：當(dāng)線路電流過載且持續(xù)時(shí)間超過動(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50%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開始充電的充電樁的功率，降為50%，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過80%時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，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

故障查詢中記錄了登錄用戶相關(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，可查看指定時(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

在收益查詢中，可查看總的收益統(tǒng)計(jì)、收益變化曲線圖、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)和開發(fā)的電動(dòng)汽車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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[2]GB14287.3—2005電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)3部分:測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器[S]。

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審核編輯 黃宇