Research on Intelligent Power Distribution System of Residential Electric Vehicle Charging Facilities

李光曦

(中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

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Research on Intelligent Power Distribution System of Residential Electric Vehicle Charging Facilities

小區電動汽車充電設施智能配電系統研究

李光曦

(中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

Analysis of the load characteristics of the residential district, proposed a scheme of automatic distribution of charging power and distribution trunk time division multiplexing, which can be used in the residential electric vehicle charging distribution system. The scheme can not only reduce the engineering cost of charging facilities, at the same time can realize the low voltage power grid shift peak fill valley, and save electric energy.

electric vehicle, intelligent power distribution system, automatic power distribution, distribution trunk time division multiplexing

0 引言

根據建規[2015]199號《住房城鄉建設部關于加強城市電動汽車充電設施規劃建設工作的通知》可知，自2016年起，城鄉規劃主管部門提出的新建居住(小)區配建停車位應100%預留充電設施建設安裝條件。同時切實加強老舊居住(小)區充電設施建設，全力解決充電難問題。

在當前條件下，如果小區按傳統配電方式100%配置充電設施，勢必會大幅增加配電造價。且由于電動汽車所占比例較小，小區業主對配置充電設施的要求不迫切。因此，在配電設計時通常是按照“預留充電設施建設安裝條件”的方式進行。與此同時，由于沒有現成的充電設施，反向又制約了電動汽車的推廣和普及。因此，采用經濟、合理的充電設施配電方案對普及電動汽車具有重大意義。

1 小區電動汽車充電設施的傳統配電方案

1.1 機動車庫負荷等級的相關規定

JGJ 100-2015《車庫建筑設計規范》規定，機動車庫的停車位大于1 000時為特大型車庫，301～1 000時為大型車庫，51～300時為中型車庫，50及以下時為小型車庫。特大型和大型車庫應按一級負荷供電，中型車庫應按不低于二級負荷供電，小型車庫可按三級負荷供電[1]。

1.2 小區充電裝置的功率選擇

電動汽車充電可分為直流充電和交流充電，直流充電的優點是充電電流大、充電時間短，一般30min可充至80%電量；缺點是需要專用直流充電設備、電站建設費用高、充電過程對電池有損害。交流充電一般指單相交流充電，其優點是充電電流小、方便取電(可由家居電力提供電源)、充電過程對電池損害小；缺點是充電時間長，一般需要5～8h才可完成。

由于直流充電的負荷較大(直流充電樁功率約為20～50kW)，充電電壓可達DC700V，電流可達400A[2]，且充電設備較昂貴(某國產直流充電樁不同型號報價為4.5～10萬不等)，需要公用的充電場所。因此，直流充電宜以公共充電站為主，小區內可根據自身條件考慮是否設置直流充電樁。單相交流充電是由車載充電器實施交直流轉換，類似于家用電器，易于操作，符合家居用電習慣，且電擊防護措施相對成熟，無需配置充電樁，僅需在停車位附近提供帶保護的專用插座即可。因此，本文以單相交流充電作為住宅小區主要充電方式進行探討。

根據對家用小轎車車載充電器的市場調研可知，車載充電器功率由早期約1.6kW逐漸過渡到目前約3.2kW，這一階段的充電器主要是為了適應家居電力的供電能力。新一代可調功率充電器(如1.6kW、3.3kW、3.3kW、6.6kW)能適應更多的充電環境，充電能力也逐漸提高。由GB 50966-2014《電動汽車充電站設計規范》可知，交流充電樁應采用220V交流電壓，額定電流不應大于32A[2]。因此，在小區車庫配電設計中考慮單個充電裝置的裝機容量為7kW是可行的。

1.3 傳統配電方案的經濟性

本文以武漢市市區某小區一期工程為例，介紹小區充電樁的傳統配電設計方案。該工程地上為5棟高層住宅塔樓，住宅套數共966戶；地下2層(局部1層)。地下室為車庫及設備用房，設3個地下車庫汽車出入口。地下室總建筑面積38 641m2，總機動車停車位1 010個。經計算可知，平均每戶分配1.045個機動車位，該計算數據符合《城市停車設施規劃導則》中關于武漢市一環線以內普通商品住宅每戶至少一個機動車位的要求。

經計算可知，充電設備總裝機容量為7 070kW。考慮供電半徑和節約低壓電纜，在地下室設2個充電專用變配電房，則平均每個配電房負責505個車位，對應的設備裝機容量為3 535kW。參考DBJ 50-218-2015《民用建筑電動汽車充電設備配套設施設計規范》可知[3]，采用三相電源對505個充電設備供電時，需要系數可取0.35。因此，每個變配電房對應的充電負載總計算功率為1 237.25kW，補償后功率因數取0.9[4]，對應的變壓器容量為1 375kVA。

由JGJ 100-2015《車庫建筑設計規范》可知[1]，本工程地下車庫為特大型機動車庫，因此車庫負荷為一級負荷，設計時考慮從小區10kV開閉所引入雙重10kV電源。因此，應考慮在每處充電專用變配電房設置2臺1 600kVA干式變壓器，互為備用，則總共需要4臺1 600kVA干式變壓器。由此可知，對于新建小區電動汽車充電設施的配電而言，僅增加的變壓器造價就比較可觀，還有相應的土建等其他造價；而對于舊小區，新增配電項目的開支和變配電房的用地都是一個較為突出的問題。較高的成本和當前較少的使用需求，使得電動汽車充電裝置的配電難以落實。因此，在設計時通常僅在專變配電房預留相應的擴容空間。基于此，本文提出一種利用已有電力設施的配電方案，在盡可能降低造價的同時，滿足小區電動汽車的充電需求。

2 住宅小區負荷特性及公用變壓器剩余可用容量

2.1 典型住宅小區的負荷特性

文獻[5]對哈爾濱、北京、上海、深圳4個不同地域大型城市的成熟住宅小區配電干線電流進行監測，監測數據顯示日負荷一般包括2個高峰期(1個小高峰期和1個大高峰期)和1個低谷期，一般大高峰集中在傍晚時段，低谷期平均電力負荷約為高峰期平均電力負荷的0.25～0.33倍。冬、夏兩季的用電高峰和用電低谷時間區域如表1所示。

表1 用電高峰和用電低谷時間區域

文獻[6]對上海市6個進入成熟期的小區(含有普通小區和安居小區)不同季節的日負荷進行監測，監測數據顯示夏季負荷明顯高于其他季節的用電負荷，夏季17:00～24:00為居民用電大高峰期，10:00～16:00為用電小高峰期，2:00～10:00處于用電低谷期。四個季節中，日負荷的最大峰值差異較小，但低谷期用電負荷差異較大，夏季低谷期平均負荷約為大高峰期平均負荷的0.55倍，其他季節低谷期平均負荷約為大高峰期平均負荷的0.33倍。

文獻[7]對成都市典型小區公用變壓器進行監測，結論顯示：1:00～6:30為用電低谷期，通常6:00～9:00為用電小高峰；18:00～23:00為用電大高峰；低谷期平均負荷約為高峰期平均負荷的0.25～0.33倍。

綜上可知，大部分情況下低谷期平均電力負荷不大于高峰期平均電力負荷的0.33倍，但上海地區夏季低谷期平均負荷約為高峰期平均負荷的0.55倍，深圳地區夏季負荷與上海相似[5]。

2.2 公用變壓器的實際負載率

文獻[5]表明，對于哈爾濱、北京的典型住宅用電負荷，實測峰值負荷對應的需要系數不大于JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設計規范》推薦值[8]的0.33倍；文獻[5]和文獻[6]表明，對于上海、深圳的典型住宅用電負荷，實測峰值負荷對應的需要系數一般不大于JGJ 242—2011《住宅建筑電氣設計規范》推薦值的0.55倍。若設計時變壓器負載率按85%考慮，則高峰期變壓器實際負載率一般不大于28.1%(哈爾濱、北京)或46.8%(上海、深圳)。低谷期變壓器實際負載率一般不大于9.3%(哈爾濱、北京)或25.7%(上海、深圳)。

文獻[7]顯示，成都市典型小區變壓器的全年負載率不大于25%。

文獻[9]中，銀川市用電高峰季節(6～8月)對分布于7個住宅小區的10臺變壓器進行監測。監測數據顯示，變壓器平均負載率為9.79%～16.63%，變壓器的最大負載率為37.29%～59.2%，個別達到73.48%。

由以上分析可知，用電低谷期變壓器負載率一般不大于26%；用電高峰期，變壓器負載率一般不高于60%，個別變壓器超過70%。

2.3 公用變壓器的剩余可用容量

由GB/T 1094.12-2013《電力變壓器 第12部分：干式電力變壓器負載導則》可知[10]，變壓器正常使用壽命不低于180 000h(約20.5年)。由文獻[10]附錄所示數據可知，對于H級絕緣干式變壓器，環境溫度為恒定30°C時，180 000h壽命對應的負載率約為110%；且該文獻數據還顯示，變壓器負載率越低時，壽命越長。由此可知，在控制變配電室的環境溫度不大于30℃的前提下，變壓器工作于負載率不大于110%時，不會影響到變壓器的正常更替周期[11]。因此，對于用電低谷期，公用變壓器尚有大約84%的容量可供利用；對于用電高峰期，公用變壓器尚有大約50%的容量可供利用。

3 電動汽車充電負荷及相應的公變剩余可用容量

3.1 充電負荷的負荷分級

由于JGJ 100-2015《車庫建筑設計規范》對車庫用電設備的負荷等級劃分比較籠統，且由此確定的充電裝置配電方案成本較高。因此，直接套用該規范進行負荷等級劃分顯得不合理。參考企業標準Q/CSG 11516.2-2010《充電站及充電樁設計規范》可知[12]，對于在政治上具有重大影響或中斷供電將對社會公共交通產生較大影響，在一定范圍內造成社會公共次序嚴重混亂、造成較大經濟損失的充電站屬二級電力用戶，而不屬于二級負荷的充電站和充電樁屬于三級負荷。由于小區充電設施主要為居民提供對時間緊迫性要求不高的充電需求，因此可以將小區電動汽車作為三級負荷考慮。3.2 公變剩余可用容量及所分配的充電負荷下文將以前文所述工程為例，分析住宅小區充電裝置裝機容量及相應的公變剩余可用容量的關系。該小區原有配電系統共設1個10kV開閉所，1個專用變配電所，4個公用變配電所。由于專變總容量相對較小，且主要為重要負載提供電源，而公變總容量較大，主要為三級負荷提供電源，且布置均勻，接近各負荷中心，因此，本工程選擇將公變作為電動汽車充電電源考慮。已知小區居民共966戶，地下車庫機動車停車位1 010個，平均每戶分配1.045個車位。按每臺變壓器所帶住戶數分配充電車位數，可知4個公變所的負荷分配情況及與其對應的充電裝置裝機容量如表2所示。

表2 公用變壓器負荷分配圖

注：1、表2中住宅用電需要系數按JGJ 242-2011《住宅建筑電氣設計規范》選取[8]。

2、考慮住宅負載的臨時性波動，表2中接入充電裝置后變壓器正常最大可控負載率按95%考慮。以原系統配電設計時變壓器計算負載率不大于85%為前提條件，高峰期變壓器預計負載率可按不大于60%考慮，低谷期預計負載率可按不大于26%考慮。

3、表2中充電裝置需要系數參考DBJ 50-218-2015《民用建筑電動汽車充電設備配套設施設計規范》選取[3]。

4、參考SZDB/Z 29.4—2010《電動汽車充電系統技術規范 第4部分：車載充電機》可知，車載充電機在50%～100%負載條件下功率因數>0.95，考慮地方標準的特殊性，表2中車載充電機的功率因數按0.9考慮[13]。

表2顯示，對于用電低谷期，公用變壓器基本滿足充電需求；用電高峰期，公用變壓器可滿足大約50%的充電需求。盡管如此，由于采樣樣本有限，且不同地域、不同年代建造的小區可能依據不同的設計標準，因此實際情況可能差別較大；且由于住宅用電大高峰期(18:00～23:00)和電動汽車充電高峰期(下班后到次日凌晨)相互重疊，因此，如果直接采用原有公用變壓器提供充電電源，隨著電動汽車的普及和充電負載的不斷增加，最終勢必影響正常家居用電，甚至導致變壓器保護開關跳閘、變壓器壽命降低、電網頻率下降、供電電壓降低等事故。

4 基于智能配電的充電裝置配電方案

傳統配電方案中，低壓配電系統的電纜、變壓器選擇均以可能出現的30min最大平均負荷為設計依據。由于30min最大平均負荷通常持續時間較短，且為了保證特殊情況下的正常用電和后期可能增加用電負荷，因此，配電設計中變壓器容量和配電干線載流量的選擇還會在最大平均負荷的基礎上進一步預留余量。由此可知，在大部分時間段，配電設備均處于大馬拉小車的狀態，從而造成配電設備的較大浪費。

電動汽車作為一種特殊負載，不僅是負載單元同時也是儲能單元[14]。且由于小區汽車充電負荷屬于對時間要求并不特別嚴格的負載，因此可以用來實現負荷調配。利用電動汽車的儲能特性，通過充電功率的自動分配，當變壓器容量不足時，可以采取排隊等待的充電措施，不但可以降低充電設施的配電造價，增加配電系統的利用率，同時還能起到對電網移峰填谷、平衡電網負荷、節約電能的作用。

基于此，本文提出兩種小區充電設施智能配電方案：基于變壓器容量的充電功率自動分配方案，和基于配電干線的分時復用配電方案。

4.1 基于變壓器容量的充電功率自動分配方案

由上文可知，對于小區原有配電系統，用電低谷時期，原有變壓器容量基本滿足充電設施的正常用電需求，但用電高峰時期，只能滿足部分充電設施的用電需求。因此，需要采用排隊充電的方案，避免對原有電力用戶的用電需求造成影響。由此，本文提出一種基于變壓器容量的充電功率自動分配配電方案(簡稱方案1)，如圖1所示。

方案1，充電電源需要從公用變壓器二次側直接取電，并采集變壓器二次側電流值作為投入充電裝置數量的依據。以表2所示工程中1#公變T1變壓器為例，T1變帶115個充電位，各樁位進行地址編碼，由上位機軟件對小車接入順序進行排序，按變壓器富余容量自動順序接通或者切斷排隊的充電車輛。

圖1中公變容量的95%作為接入充電負荷的參考值，變壓器剩余的容量(約15%，以變壓器負載率為110%作為參考上限)用于住宅常規負荷的短時波動，程序中延時時間不宜太長，應及時對住宅負荷波動做出反應，防止變壓器過載時間太長影響變壓器壽命。該結構優點是可以充分利用變壓器容量，缺點是需要對原有配電房進行改造、增加變壓器出線開關和配電干線。

圖1 方案1流程圖

4.2 基于配電干線分時復用的配電方案

由于小區原有配電系統已形成了比較成熟的配電網路，且配電干線的載流量均比較可觀。表2中A1#樓對應的配電干線共6組400A母線槽，干線回路首端斷路器長延時整定值均為400A。每組干線帶36～38戶，對應于38～39個車位。以干線回路A1GWL1為例，住宅負載裝機容量376kW，需要系數取0.5[8]，功率因數取0.85，計算電流為336A。對于39個車位，每相可接13個車位，充電樁裝機容量為273kW，需要系數取0.58[3]，功率因數取0.9[13]，計算電流為267.3A，小于所對應干線的載流量和保護開關的長延時整定值。因此，原配電干線滿足充電負荷的需求。由此可知，此時采用基于配電干線分時復用的配電方案(簡稱方案2)是可行的。

與方案1相比，方案2不但需要檢測變壓器二次側電流，還需要檢測配電干線首端的電流，以作為判斷接入充電裝置數量的依據。方案2流程圖如圖2所示。

圖2 方案2流程圖

圖2中以干線首端保護開關長延時整定值的95%作為接入充電負荷的參考值，剩余的容量(約10%，以長延時脫扣器整定值的1.05倍為參考上限)用于住宅常規負荷的短時波動，程序中延時時間不宜太長，應及時對住宅負荷波動做出反應，防止原有干線配電開關長延時脫扣器因充電負載接入過多而脫扣。該結構的缺點：由于每條干線的實時負載不一定均勻，因此功率調配只能在小范圍內進行，充電需要排隊等待的時間會較方案1長；優點是節約了干線導體和配電房的出線開關，改造范圍較小，造價更低。

小結：對于以上兩種方案，應通過對小區配電情況進行實測評估后確定，對干線負荷分配不均勻的情況或干線富余較少的情況，采用方案1較為合適。對干線富余較大的配電情況，宜優先采用方案2。對于平時就存在滿載運行的公用變壓器，采用智能配電方案的意義不大，應單獨為充電設施設置變壓器。由于變壓器的更替周期為20年左右[11]，對于已接近更替周期的變壓器(變壓器壽命剩余5年左右)，由于電動汽車的普及也需要一個過程，短期內不至于增加較多負荷，因此也可暫時直接由公變提供電源。

需要注意的問題：第一，對于不成熟小區，變壓器負載率的測試結果可能偏低，因此對于該類小區的評估要有一定的前瞻性。第二，由于增加充電負載后，變壓器的累計發熱量將增加，為了維護其使用壽命，保持正常的更替周期，對原有配電房應根據所在地域的氣候確定增加自動機械通風或空調系統以控制室溫不高于30℃。第三，對于原有配電系統各節點參數應重新復核，應對原有設備質量、老化情況、工作可靠性應進行評估，防止原有可能存在的隱患因增加充電負載而顯露出來，從而進一步發展成為故障。

4.3 基于云平臺的充電設施智能配電思路

利用充電樁智能配電控制器將末端負載數據共享到地區電網調度中心，通過價格將不同充電時間需求的電動汽車負載分為不同的類型。對充電時間需求較小的汽車負載可參加到地區電網的負荷調度中，更加靈活地發揮電動汽車充電設施智能配電的作用。

通過云平臺將每臺充電樁的充電數據及時反饋到用戶的手機上，對用戶顯示車輛的充電情況，以方便提前做好用車準備。對于充電時間需求需要臨時變更的用戶，可通過價格調整來改變排隊序列優先級。

對于變壓器余量較大的小區，宜在當技術成熟時配置具備自動學習總結的智慧型控制器，通過總結小區以往的負荷特性，對未來負荷進行預測并作出規劃[15]，從而可以均衡變壓器各時段負載，延長設備使用壽命，減少回路末端的電壓偏移。

5 結束語

本文提出的通過充電功率自動分配和配電干線分時復用的配電方案，不但可以大幅降低小區電動汽車充電設施的配電造價，增加原有配電系統的利用率，同時還能起到對電網移峰填谷、平衡電網負荷、節約電能的作用。

由于電動汽車充電負載主要由電力電子器件和電池構成，屬于一種新型負載。隨著低壓配電系統中該類負載比例的不斷增加，勢必對低壓配電電網造成一定的影響。由此導致的電能質量、脈動直流電擊、電動汽車金屬外殼接地等問題均需要思考。

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Li Guangxi

分析了住宅小區的負荷特性，提出了在小區電動汽車充電配電系統中采用充電功率自動分配和配電干線分時復用的方案。該方案不但可以降低充電設施的工程造價，同時還能起到對低壓電網移峰填谷、節約電能的作用。

關鍵詞 電動汽車 智能配電 功率自動分配 干線分時復用