韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：為實(shí)現對電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程的監控以及大量電動(dòng)汽車(chē)充電負荷與電網(wǎng)的友好互動(dòng)，從而發(fā)揮其靈活調節作用，本文提出一種對充電樁進(jìn)行集中監控的平臺設計方案、構架及關(guān)鍵技術(shù)，設計充電樁的監控方案以及與系統之間的通信方案，通過(guò)數據的采集處理實(shí)現與平臺之間的交互。目前該系統已經(jīng)完成平臺和

充電樁交互測試，并嵌入配電自動(dòng)化系統，運行情況表明該集中監控平臺應用于大規模電動(dòng)汽車(chē)充電樁

監控的正確性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：有序充電，串口通信，數據采集，配電自動(dòng)化系統

        面對傳統燃油汽車(chē)尾氣排放造成的污染及其對石油資源的過(guò)度消耗所引發(fā)的環(huán)境與能源問(wèn)題，電動(dòng)

        汽車(chē)(electricvehicle，EV)以其良好的環(huán)保、節能特性，成為當今國際汽車(chē)發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)之一。然而，隨之而來(lái)的大量電動(dòng)汽車(chē)負荷接入電網(wǎng)所帶來(lái)的影響逐漸引起了電網(wǎng)運營(yíng)者和研究人員的關(guān)注，文

獻[2][3][4][5]均表明大規模電動(dòng)汽車(chē)的充電行為會(huì )帶來(lái)系統局部電壓下降、變壓器過(guò)載、負荷峰上加峰等影響?？紤]到電動(dòng)汽車(chē)負荷的需求響應特性，文獻[6][7][8]提出利用電價(jià)對電動(dòng)汽車(chē)充電行為進(jìn)行有序引導，使其能充分發(fā)揮彈性負荷的作用，改善負荷形態(tài)，提高系統運行的經(jīng)濟性。

        由于電動(dòng)汽車(chē)充電負荷的有序控制是建立在電動(dòng)汽車(chē)充電行為監視的基礎上，文獻[9]介紹了電動(dòng)汽車(chē)充電設施監控的特點(diǎn)，以需求確定功能，提出了系統分層體系架構設計方案，并給出通信組網(wǎng)方式及各層的軟件功能實(shí)現。文獻[10]根據電動(dòng)汽車(chē)充電站的需求，充分考慮未來(lái)發(fā)展趨勢，以IEC61970/61850系列標準為技術(shù)基礎，提出汽車(chē)充電站監控系統建模方案，建立電動(dòng)汽車(chē)充電站系統模型、設備信息模型、通信模型，并介紹建模方法，給出了站內智能電子設備(IED)信息集成的實(shí)現以及系統方案的應用前景。除了充電站的監視，大量散落在住宅小區、商場(chǎng)、辦公區域的充電樁的監視也*，對  其進(jìn)行監控既是保證動(dòng)力電池充電安全的需要，也是進(jìn)一步提高大規模電動(dòng)汽車(chē)有序充電管理的必要條件。

        基于以上分析，本文提出一種對充電樁進(jìn)行集中監控的平臺設計，通過(guò)充電樁的采集監控器實(shí)現充電信息的實(shí)時(shí)采集，并與平臺進(jìn)行交互，從而為實(shí)現大規模電動(dòng)汽車(chē)的有序充電提供支撐。借助所設計的系統平臺架構，并將其嵌入到配電自動(dòng)化系統中，從而實(shí)現對電動(dòng)汽車(chē)有序充電的控制，通過(guò)現場(chǎng)測試驗證了所提出監控平臺的合理性。

1、系統架構

        安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警；用戶(hù)通過(guò)微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)程。

        充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數據交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能，具體功能如下：

        資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶(hù)檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。

        交易結算：充電價(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表

        用戶(hù)管理：用戶(hù)注冊，用戶(hù)登錄，用戶(hù)帳戶(hù)管理，消息管理

        充電服務(wù)：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線(xiàn)自助支付充電，充電結算，導航等

        微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

        數據服務(wù)：數據采集，短信提醒，數據存儲和解析

        變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線(xiàn)表，超負荷時(shí)系統自動(dòng)對充電樁的進(jìn)行調度管理，即當負荷超過(guò)百分之五十時(shí)，系統會(huì )限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過(guò)百分之八十時(shí)，系統將不允許新增充電樁開(kāi)始充電，直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

        在瀏覽器打開(kāi)云平臺鏈接、輸入賬戶(hù)名和權限密碼，進(jìn)行登錄，防止未人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺首頁(yè)

        平臺首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，累計的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，以及相應的環(huán)比增長(cháng)和同比增長(cháng)以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實(shí)時(shí)監控

?充電站監控

        充電站監控頁(yè)面監視用戶(hù)充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶(hù)擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時(shí)長(cháng)，進(jìn)行負荷限制、故障查詢(xún)。

?充電槍監控

充電樁監控頁(yè)面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時(shí)長(cháng)和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時(shí)長(cháng)等、充電電壓電流等參數。

2.4微信小程序

?搜索與使用

        微信小程序可以通過(guò)掃描二維碼和微信文字搜索找到，點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

 

 

?登錄界面

        用戶(hù)通過(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí)，會(huì )進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要用戶(hù)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示：

?主功能頁(yè)

        初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)需要定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當前所在區域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導航等。

?充電

        掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁(yè)面，可以查看到當前的充電站名稱(chēng)、充電槍名稱(chēng)，以及當前的賬戶(hù)余額，電價(jià)和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶(hù)的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進(jìn)進(jìn)行評價(jià)。

 

 

?個(gè)人信息

        個(gè)人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱(chēng)和余額，同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢(xún)、賬單查詢(xún)、充電記錄查詢(xún)、設置支付密碼等功能

 

 

3、硬件配置

3.1平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買(mǎi)，或者客戶(hù)自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

 

若客戶(hù)自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據充電槍點(diǎn)數的不同，分別如下：

3.2現場(chǎng)推薦硬件配置清單：

 

1、限流式保護器的設計

        電氣防火限流式保護器可有效克服傳統斷路器、空氣開(kāi)關(guān)和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長(cháng)、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級速度快速限制短路電流以實(shí)現滅弧保護，從而能顯著(zhù)減少電氣火災事故，保障使用場(chǎng)所人員和財產(chǎn)的安全。

        安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態(tài)開(kāi)關(guān)，不同于傳統家用的空氣開(kāi)關(guān)（微斷）。我們知道，傳統空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機械運動(dòng)過(guò)程，分斷時(shí)間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開(kāi)時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)則是依靠半導體內部的載流子運動(dòng)實(shí)現，分斷時(shí)間微秒級，速度快，無(wú)電弧產(chǎn)生。

        如圖1所示，當發(fā)生短路故障時(shí)，傳統空氣開(kāi)關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作，且無(wú)法瞬時(shí)切斷電流，而固態(tài)開(kāi)關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖

        從流過(guò)電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統空氣開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)關(guān)在短路時(shí)所釋放的能量差別可以達到數千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發(fā)生短路故障時(shí)，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而有效降低了電氣火災。

2、ASCP200-1功能特點(diǎn)

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，較大額定電流為63A。主要功能如下：

A）短路保護功能，線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內實(shí)現快速限流保護；

B）過(guò)載保護功能，線(xiàn)路持續過(guò)載時(shí)，保護器限流保護；

C）表內超溫保護功能，保護器內部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護器限流保護；

D）過(guò)/欠壓保護功能，線(xiàn)路欠壓或過(guò)壓時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

E）電纜溫度監測功能，被測線(xiàn)纜溫度超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

F）漏電流監測功能，線(xiàn)路漏電超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

G）通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無(wú)線(xiàn)通訊，可以將數據發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監控軟件或平臺，從而實(shí)現遠程監控。

3、ASCP200-1技術(shù)參數

4、應用方案圖示

        ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶(hù)開(kāi)關(guān)下端，額定電流值根據入戶(hù)開(kāi)關(guān)的具體規格進(jìn)行設置，典型應用示意圖如圖2所示：

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

5、使用注意事項

        在選用限流式保護器時(shí)，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時(shí)，應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線(xiàn)路中。

        ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以?huà)靿Π惭b，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場(chǎng)所無(wú)滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱。

        為確?？煽窟B接，接線(xiàn)時(shí)應按接線(xiàn)圖進(jìn)行，同時(shí)為了防止接頭處接觸電阻過(guò)大而導致局部過(guò)熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線(xiàn)頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實(shí)。

        保護器內部帶有交流電，嚴禁非專(zhuān)業(yè)人士擅自打開(kāi)產(chǎn)品外殼。保護器在使用期間，若被保護線(xiàn)路發(fā)生短路或過(guò)載故障而被限流保護時(shí)，保護器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線(xiàn)路的金屬部分。待檢查線(xiàn)路，并排除故障后，長(cháng)按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時(shí)。

        當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時(shí)，則可能是因為負載電流過(guò)大，環(huán)境溫度過(guò)高或通風(fēng)散熱不良等原因導致，可通過(guò)加強通風(fēng)等措施，等保護器溫度降下來(lái)后，再長(cháng)按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

        本文提出了一種電動(dòng)汽車(chē)充電樁集中監控系統的設計，通過(guò)本地采集車(chē)輛電池的電流、電壓等參數，

并采用串口及GPRS通信方式實(shí)現充電信息的實(shí)時(shí)采集與監視，結合配電網(wǎng)的運行參數進(jìn)行有序控制。

通過(guò)現場(chǎng)實(shí)際的安裝調試表明該平臺具有較好的安全性、可靠性、準確性，能夠保障各充電樁的信息快速、安全地傳輸。目前已經(jīng)成功應用于某市多個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電樁，為電動(dòng)汽車(chē)的推廣與應用提供了借鑒

和使用基礎。

 

[1]周建英，陳浩琿，方穎穎，張柳菁，莊玉林.一種電動(dòng)汽車(chē)充電樁集中監控平臺的設計與實(shí)現

[2]中華人民共和國國務(wù)院.節能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃(2012-2020年)[R/OL].

http://www.gov。。ｃｎ/zwgk/2012-07/09/content_2179032.htm,2012-06-28.

[3]田立亭,張明霞,汪奐伶.電動(dòng)汽車(chē)對電網(wǎng)影響的評估和解決方案[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(31):43-49.

[4]高賜威,張亮.電動(dòng)汽車(chē)充電對電網(wǎng)影響的綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(2):127-131.

[5]Kristien,C.,Edwin,H.andJohan,D.(2010)TheImpactofChargingPlug-InHybridElectricVehiclesonaResidentialDistributionGrid.IEEETransactionsonPowerSystems,25,371-380.

[6]胡澤春,宋永華,徐智威,等.電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)的影響與利用[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(4):1-10.

[7]王行行,趙晉泉,王珂,等.考慮用戶(hù)滿(mǎn)意度和配網(wǎng)安全的電動(dòng)汽車(chē)多目標雙層充電優(yōu)化[J].電網(wǎng)技術(shù),2017,41(7):2165-2172.

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[9]田園園,廖清芬,徐雨田,等.基于有序充電策略的換電站及分布式電源多場(chǎng)景協(xié)調規劃方法[J].電力自動(dòng)化設備,2017,37(9):62-69

[10]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版

 

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車(chē)充電樁的研發(fā)和應用