一種電動(dòng)汽車充電站有序用電智能配電系統(tǒng)

邱智勇，陳 賀，高勝國(guó)，李云祥

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一種電動(dòng)汽車充電站有序用電智能配電系統(tǒng)

邱智勇，陳 賀，高勝國(guó)，李云祥

(石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050222)

根據(jù)目前電動(dòng)汽車充電站運(yùn)行中區(qū)域配電網(wǎng)存在的負(fù)荷過載、諧波污染、三相不平衡、故障不能準(zhǔn)確定位等問題，提出一種電動(dòng)汽車充電站有序用電智能配電系統(tǒng)。系統(tǒng)劃分為設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，設(shè)備層主要負(fù)責(zé)配電網(wǎng)的信息采集和控制，網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)配電網(wǎng)的信息傳輸，應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。電動(dòng)汽車充電站各種設(shè)備間通過數(shù)據(jù)交互、協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)充電站運(yùn)營(yíng)中的有序用電控制，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與改善，設(shè)備故障報(bào)警與定位，最終實(shí)現(xiàn)充電站的智能運(yùn)維管理。系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)后顯著提高充電站的用電效率，減少運(yùn)維工作量，降低充電站的經(jīng)營(yíng)成本。

電動(dòng)汽車充電站；有序用電；智能運(yùn)維；智能配電；互操作數(shù)據(jù)交換協(xié)議

0 引言

電動(dòng)汽車作為一種新興的交通工具，具有零排放，噪音小、續(xù)航能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，日益受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。尤其是近年來，隨著電力電子技術(shù)、電子信息技術(shù)、通訊技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)等發(fā)展，電動(dòng)汽車及相關(guān)充電設(shè)施的發(fā)展取得了重要進(jìn)步，已經(jīng)具備全面推廣的條件。我國(guó)政府多次發(fā)文鼓勵(lì)發(fā)展新能源汽車，加快新能源汽車推廣應(yīng)用，加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。目前各大汽車制造企業(yè)都有推出電動(dòng)汽車新品，已經(jīng)初具市場(chǎng)規(guī)模，但是電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是電動(dòng)汽車充電站建設(shè)相對(duì)滯后，成為制約電動(dòng)汽車全面推廣的一個(gè)瓶頸[1-10]。可以預(yù)見，在未來幾年電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)將加速。

電動(dòng)汽車充電站作為重要的充電基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)推動(dòng)電動(dòng)汽車的普及具有重要作用。但是電動(dòng)汽車充電站是一種特殊的電力設(shè)施，與城鄉(xiāng)的配電網(wǎng)密不可分，大量電動(dòng)汽車投入運(yùn)營(yíng)，將對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。因此有必要建設(shè)適用電動(dòng)汽車充電站的智能配電系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)分析配電負(fù)荷和用戶充電行為的變化，合理引導(dǎo)用戶充電方式，實(shí)現(xiàn)有序充電控制，減小沖擊負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)的影響，為配電網(wǎng)規(guī)劃、有序充電控制、充電服務(wù)運(yùn)營(yíng)和用戶用電行為優(yōu)化引導(dǎo)提供數(shù)據(jù)和策略的支持。

1 電動(dòng)汽車充電站

電動(dòng)汽車充電站(EV Charging Station)是采用整車充電模式為電動(dòng)汽車提供電能的場(chǎng)所，應(yīng)包括3臺(tái)及以上電動(dòng)汽車充電設(shè)備(至少有1臺(tái)非車載充電機(jī))以及相關(guān)供電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等配套設(shè)備[7]。下面對(duì)電動(dòng)汽車、充電設(shè)備、供電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等在充電站運(yùn)行中的特性和功能進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1.1 電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車(EV) 作為一種特殊的用電設(shè)備，其靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力來源于可充電電池或其他易攜帶能量存儲(chǔ)的設(shè)備[11]。電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置充電過程，對(duì)配電網(wǎng)而言就是一個(gè)持續(xù)用電的過程，但是由于儲(chǔ)能裝置固有的充電特性，用電特性并非線性。同時(shí)用戶給電動(dòng)汽車充電在時(shí)間和空間上也具有一定的隨機(jī)性，雖然充電站配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以在理論上做到三相負(fù)載平衡分配，但是由于電動(dòng)汽車負(fù)載接入的隨機(jī)性，如果不加引導(dǎo)，極有可能會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)三相不平衡。如果配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，用電高峰期時(shí)大量電動(dòng)汽車負(fù)載接入會(huì)使系統(tǒng)過載，將使峰谷差近一步拉大、增加配網(wǎng)備用容量、降低電網(wǎng)的利用率、增加配電網(wǎng)損。

1.2 充電設(shè)備

充電設(shè)備與電動(dòng)汽車或動(dòng)力蓄電池相連，并為其提供電能，包括車載充電機(jī)、非車載充電機(jī)、交流充電樁等[11]。充電設(shè)備實(shí)質(zhì)就是把電網(wǎng)交流電能轉(zhuǎn)換成可供電動(dòng)汽車使用的直流電能。充電設(shè)備可以看成一種特殊的配電設(shè)備，通過大功率整流裝置實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，這樣不可避免會(huì)引起電壓和電流畸變，給配電網(wǎng)注入諧波，影響局部配電網(wǎng)的電能質(zhì)量[12-14]。由于電動(dòng)汽車充電站通常情況下多臺(tái)充電設(shè)備同時(shí)工作，接入的設(shè)備越多諧波畸變?cè)絿?yán)重。電能質(zhì)量惡化會(huì)引起線路、變壓器等設(shè)備持續(xù)發(fā)熱、使用壽命縮短、損耗增加，甚至有可能造成電網(wǎng)中局部的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波進(jìn)一步放大。

1.3 供電設(shè)備

供電設(shè)備主要為充電站的充電設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備，生活照明設(shè)施等提供持續(xù)的電力供應(yīng)[11]。包括配電變壓器、電力互感器、中低壓斷路器、漏電保護(hù)器、電能表、配電柜、計(jì)量箱、無功補(bǔ)償裝置、有載調(diào)壓調(diào)容裝置、換向開關(guān)等。這些供電設(shè)備一起構(gòu)成充電站的配電網(wǎng)絡(luò)，任何一種設(shè)備出現(xiàn)故障都會(huì)對(duì)充電站運(yùn)行造成影響。因此發(fā)生供電設(shè)備運(yùn)行故障時(shí)，需要第一時(shí)間定位和切除故障，迅速組織搶修和更換，以免影響充電站的正常運(yùn)營(yíng)。

1.4 監(jiān)控設(shè)備

監(jiān)控設(shè)備對(duì)充電站的供電設(shè)備、充電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等信息進(jìn)行采集，通過計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與充電站監(jiān)控系統(tǒng)主站的信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)視、控制和管理[11]。如配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端、負(fù)荷管理終端、電力能效監(jiān)測(cè)終端等就屬于監(jiān)控設(shè)備。各種監(jiān)控設(shè)備配合可以對(duì)整個(gè)充電站的運(yùn)行情況進(jìn)行全面跟蹤，充電站監(jiān)控系統(tǒng)主站根據(jù)監(jiān)控設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)分析當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電負(fù)荷有序管理，無功補(bǔ)償投切控制，諧波抑制，故障定位，充電結(jié)算等功能。

2 充電站智能配電系統(tǒng)

通過對(duì)電動(dòng)汽車充電站各部分功能和特性進(jìn)行分析，提出一種電動(dòng)汽車充電站有序用電智能配電系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為充電站智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 充電站智能配電系統(tǒng)

簡(jiǎn)要來說系統(tǒng)可分為三個(gè)層次，第一個(gè)層次是設(shè)備層，主要由各種配用電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等組成，這些設(shè)備實(shí)時(shí)自動(dòng)采集和存儲(chǔ)充電站各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工況信息。第二個(gè)層次是網(wǎng)絡(luò)層，各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過自身的通信通道構(gòu)成一個(gè)配電通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間可以通過面向?qū)ο蟮挠秒娦畔?shù)據(jù)交換協(xié)議交換數(shù)據(jù)[15]。第三個(gè)層次是應(yīng)用層，各設(shè)備節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的工況信息，通過內(nèi)部算法調(diào)節(jié)自身及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的輸出。

2.1 設(shè)備層

設(shè)備層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括高壓組合斷路器、配電變壓器、專變終端、保護(hù)終端、三相電能表、無功補(bǔ)償控制器、漏電保護(hù)控制器、充電樁、充電機(jī)、主站服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。下面對(duì)這些設(shè)備在系統(tǒng)中的作用進(jìn)行說明。

1) 充電樁或充電機(jī)可通過本地或者遠(yuǎn)程方式開啟充電，充電過程中實(shí)時(shí)計(jì)量充電電量，根據(jù)費(fèi)率電價(jià)實(shí)時(shí)計(jì)算充電金額，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電時(shí)電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，按照指定的周期上傳負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)至主站，充電完成或充電停止后自動(dòng)進(jìn)行結(jié)算，記錄充電記錄并上報(bào)主站。日常運(yùn)行過程中定時(shí)抄讀當(dāng)前、日、月電能表表底，按照指定的周期上報(bào)主站。

2) 無功補(bǔ)償控制器實(shí)時(shí)采集線路電壓、電流，有功功率、無功功率、功率因素等，根據(jù)控制器投切原則，自動(dòng)投切補(bǔ)償設(shè)備。專變終端通過本地RS485實(shí)時(shí)抄讀無功補(bǔ)償控制器負(fù)荷數(shù)據(jù)和投切狀態(tài)，監(jiān)測(cè)到狀態(tài)變化之后記錄狀態(tài)并上報(bào)主站。

3) 漏電保護(hù)控制器限制漏電流，使其不超過某一安全范圍，一旦超過某一整定值保護(hù)器就能自動(dòng)切斷電源，實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)，保護(hù)人身和設(shè)備安全。保護(hù)器接入到用戶變壓器二次側(cè)，當(dāng)漏電流超過額定剩余電流動(dòng)作值，保護(hù)器輸出跳閘信號(hào)，控制低壓斷路器執(zhí)行拉閘操作，實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)。發(fā)生故障時(shí)，只斷開用戶斷路器，不影響線路整體。保護(hù)器記錄跳閘事件，包括故障原因、故障相別、跳閘發(fā)生時(shí)間、跳閘前剩余電流值、跳閘前電壓、電流等數(shù)據(jù)。專變終端通過本地RS485實(shí)時(shí)抄讀保護(hù)器跳閘事件存儲(chǔ)并上報(bào)主站。

4) 保護(hù)終端，實(shí)現(xiàn)三段定時(shí)限過流保護(hù)、零序電流保護(hù)等，電流定值、時(shí)間定值可獨(dú)立整定，分別設(shè)置整定控制字，控制保護(hù)的投退。當(dāng)線路電流大于保護(hù)定值時(shí)，相應(yīng)定時(shí)器啟動(dòng)，若持續(xù)時(shí)間到整定時(shí)間，則出口動(dòng)作，控制高壓組合斷路器執(zhí)行拉閘操作，若在整定時(shí)限內(nèi)電流返回則終止定時(shí)器。發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)終端生成故障記錄，包括故障類型、故障相別、故障電流、故障發(fā)生時(shí)間等數(shù)據(jù)。專變終端通過本地RS485實(shí)時(shí)讀取保護(hù)終端故障記錄存儲(chǔ)并上報(bào)主站。

5) 高壓組合斷路器，由計(jì)量用電流、電壓組合互感器，高壓真空斷路器組成。可實(shí)現(xiàn)一次側(cè)高電壓到二次側(cè)低電壓的變換，一次大電流到二次小電流的變換，供三相電能表、專變終端、保護(hù)終端使用。通過抄錄專變終端和保護(hù)終端控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)斷路器的控制，具有自動(dòng)跳閘和就地遙控合閘功能。

6) 三相多功能電能表為計(jì)量結(jié)算用電能表，實(shí)時(shí)形成當(dāng)前電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、最大需量、電量等數(shù)據(jù)。專變終端通過本地RS485實(shí)時(shí)抄讀電能表數(shù)據(jù)，形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、曲線數(shù)據(jù)、日凍結(jié)數(shù)據(jù)、月凍結(jié)數(shù)據(jù)、事件記錄等供主站抄讀或主動(dòng)上報(bào)主站。

7) 專變終端，本身具備交流采樣和計(jì)量功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路負(fù)荷，抄讀電能表、無功補(bǔ)償控制器、漏電保護(hù)控制器等設(shè)備的數(shù)據(jù)，可控制組合斷路器切斷用戶側(cè)負(fù)荷。配合三相電能表、高壓組合斷路器，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)、負(fù)荷控制等功能。

8) 主站服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)上述配電設(shè)備信息的采集、存儲(chǔ)、管理及應(yīng)用。主站服務(wù)器包括前置服務(wù)器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、售電服務(wù)器、接口服務(wù)器等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是設(shè)備層數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)，系統(tǒng)中關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括專變終端、充電樁或充電機(jī)、充電站服務(wù)器集群、用電信息采集系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、管理工作站等。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層采用面向?qū)ο蟮幕ゲ僮餍詳?shù)據(jù)交換協(xié)議，節(jié)點(diǎn)之間可以相互交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。如圖2所示，為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的抽象結(jié)構(gòu)圖。

圖2 充電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層依托設(shè)備層和網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電站的動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)充電站運(yùn)營(yíng)中的有序用電控制，改善局部電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)充電站智能運(yùn)維管理。包括以下關(guān)鍵技術(shù)。

1) 充電站監(jiān)控主站根據(jù)錄入的設(shè)備檔案信息，自動(dòng)生成設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)備全景分布圖等，供用戶日常維護(hù)使用。

2) 充電站各監(jiān)測(cè)點(diǎn)(例如，專變終端、充電樁或充電機(jī)等)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量(諧波畸變、功率因數(shù)等)，根據(jù)電能質(zhì)量自動(dòng)投切補(bǔ)償裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3) 充電管理與維護(hù)，根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)荷情況，引導(dǎo)用戶充電行為，充電過程中控制充電設(shè)備輸出功率智能調(diào)節(jié)。最大限度的減小電壓波動(dòng)，降低三相電壓和三相電流不平衡率。

4) 充電站主站與用電信息采集系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，計(jì)算變壓器和線路損耗，電費(fèi)計(jì)量與外部結(jié)算，實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)及故障點(diǎn)定位。

圖3 充電站智能運(yùn)維界面示意圖

3 結(jié)論

本文通過分析電動(dòng)汽車充電站各部分的功能和特性，提出一種電動(dòng)汽車充電站有序用電智能配電系統(tǒng)解決方案，從設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個(gè)維度進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。本系統(tǒng)旨在通過電動(dòng)汽車充電站各種設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互、協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)充電站運(yùn)營(yíng)中的有序用電控制，改善局部電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)充電站智能運(yùn)維管理。

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CEC.DL/T 698.45-2017 Electric energy data acquire and management system Part4-5: Object oriented interoperability data exchange protocol[S]. Beijing: National Energy Administration, 2017.

An intelligent power distribution system for EV charging station

QIU Zhiyong, CHEN He, GAO Shengguo, LI Yunxiang

(Shijiazhuang KeLin Electric Co.,Ltd, Shijiazhuang 050222, China)

According to the problems of load overload, harmonic pollution, unbalanced three-phase and fault inaccurately located in the distribution network of electric vehicle charging station, an orderly distribution intelligent distribution system for electric vehicle charging station is proposed. The system is divided into equipment layer, network layer and application layer. The equipment layer is mainly responsible for the information collection and control of the distribution network. The network layer is responsible for the information transmission of the distribution network. The application layer is mainly responsible for data analysis and application. Through data exchange, coordination and control between equipments of EV charging station, the order of electricity control, power quality monitoring and improvement, equipment failure alarm and positioning in the operation of the charging station are achieved, realizing the intelligent operation and maintenance of charging station management eventually. After the system is put into operation, it significantly improves the power utilization efficiency of charging stations, and reduces the workload of operation and maintenance and the operating costs of charging stations.

EV charging station; power utility orderly; intelligent maintenance; intelligent power distribution; interoperability data exchange protocol

2017-08-20

邱智勇(1986—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榕溆秒娦畔⒉杉夹g(shù)；E-mail: qiu1455@126.com

陳 賀(1976—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮?、通訊及自?dòng)化控制；E-mail: chen_he_@126.com

高勝國(guó)(1980—)，男，通信作者，本科，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充電技術(shù)。E-mail: 46005381@qq.com