一種電動汽車充電站有序用電智能配電系統

邱智勇，陳 賀，高勝國，李云祥

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一種電動汽車充電站有序用電智能配電系統

邱智勇，陳 賀，高勝國，李云祥

(石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050222)

根據目前電動汽車充電站運行中區域配電網存在的負荷過載、諧波污染、三相不平衡、故障不能準確定位等問題，提出一種電動汽車充電站有序用電智能配電系統。系統劃分為設備層、網絡層和應用層，設備層主要負責配電網的信息采集和控制，網絡層主要負責配電網的信息傳輸，應用層主要負責數據分析和應用。電動汽車充電站各種設備間通過數據交互、協調控制，實現充電站運營中的有序用電控制，電能質量監測與改善，設備故障報警與定位，最終實現充電站的智能運維管理。系統投入運營后顯著提高充電站的用電效率，減少運維工作量，降低充電站的經營成本。

電動汽車充電站；有序用電；智能運維；智能配電；互操作數據交換協議

0 引言

電動汽車作為一種新興的交通工具，具有零排放，噪音小、續航能力較強等特點，日益受到世界范圍內的廣泛關注。尤其是近年來，隨著電力電子技術、電子信息技術、通訊技術、儲能技術等發展，電動汽車及相關充電設施的發展取得了重要進步，已經具備全面推廣的條件。我國政府多次發文鼓勵發展新能源汽車，加快新能源汽車推廣應用，加快電動汽車充電基礎設施建設。目前各大汽車制造企業都有推出電動汽車新品，已經初具市場規模，但是電動汽車充電基礎設施，尤其是電動汽車充電站建設相對滯后，成為制約電動汽車全面推廣的一個瓶頸[1-10]。可以預見，在未來幾年電動汽車充電基礎設施的投資建設將加速。

電動汽車充電站作為重要的充電基礎設施，對推動電動汽車的普及具有重要作用。但是電動汽車充電站是一種特殊的電力設施，與城鄉的配電網密不可分，大量電動汽車投入運營，將對電力系統產生很大影響。因此有必要建設適用電動汽車充電站的智能配電系統，監測分析配電負荷和用戶充電行為的變化，合理引導用戶充電方式，實現有序充電控制，減小沖擊負荷對配電網的影響，為配電網規劃、有序充電控制、充電服務運營和用戶用電行為優化引導提供數據和策略的支持。

1 電動汽車充電站

電動汽車充電站(EV Charging Station)是采用整車充電模式為電動汽車提供電能的場所，應包括3臺及以上電動汽車充電設備(至少有1臺非車載充電機)以及相關供電設備、監控設備等配套設備[7]。下面對電動汽車、充電設備、供電設備、監控設備等在充電站運行中的特性和功能進行簡要分析。

1.1 電動汽車

電動汽車(EV) 作為一種特殊的用電設備，其靠電動機驅動，動力來源于可充電電池或其他易攜帶能量存儲的設備[11]。電動汽車儲能裝置充電過程，對配電網而言就是一個持續用電的過程，但是由于儲能裝置固有的充電特性，用電特性并非線性。同時用戶給電動汽車充電在時間和空間上也具有一定的隨機性，雖然充電站配電系統設計時可以在理論上做到三相負載平衡分配，但是由于電動汽車負載接入的隨機性，如果不加引導，極有可能會導致配電網三相不平衡。如果配電系統設計不合理，用電高峰期時大量電動汽車負載接入會使系統過載，將使峰谷差近一步拉大、增加配網備用容量、降低電網的利用率、增加配電網損。

1.2 充電設備

充電設備與電動汽車或動力蓄電池相連，并為其提供電能，包括車載充電機、非車載充電機、交流充電樁等[11]。充電設備實質就是把電網交流電能轉換成可供電動汽車使用的直流電能。充電設備可以看成一種特殊的配電設備，通過大功率整流裝置實現交直流轉換，這樣不可避免會引起電壓和電流畸變，給配電網注入諧波，影響局部配電網的電能質量[12-14]。由于電動汽車充電站通常情況下多臺充電設備同時工作，接入的設備越多諧波畸變越嚴重。電能質量惡化會引起線路、變壓器等設備持續發熱、使用壽命縮短、損耗增加，甚至有可能造成電網中局部的電感、電容發生諧振，使諧波進一步放大。

1.3 供電設備

供電設備主要為充電站的充電設備，監控設備，生活照明設施等提供持續的電力供應[11]。包括配電變壓器、電力互感器、中低壓斷路器、漏電保護器、電能表、配電柜、計量箱、無功補償裝置、有載調壓調容裝置、換向開關等。這些供電設備一起構成充電站的配電網絡，任何一種設備出現故障都會對充電站運行造成影響。因此發生供電設備運行故障時，需要第一時間定位和切除故障，迅速組織搶修和更換，以免影響充電站的正常運營。

1.4 監控設備

監控設備對充電站的供電設備、充電設備運行狀態、環境監測等信息進行采集，通過計算機及網絡通信技術實現與充電站監控系統主站的信息交互，實現對站內設備的監視、控制和管理[11]。如配變監測計量終端、負荷管理終端、電力能效監測終端等就屬于監控設備。各種監控設備配合可以對整個充電站的運行情況進行全面跟蹤，充電站監控系統主站根據監控設備上傳的數據分析當前電網運行情況，實現對充電負荷有序管理，無功補償投切控制，諧波抑制，故障定位，充電結算等功能。

2 充電站智能配電系統

通過對電動汽車充電站各部分功能和特性進行分析，提出一種電動汽車充電站有序用電智能配電系統解決方案。系統結構如圖1所示，為充電站智能配電系統結構圖。

圖1 充電站智能配電系統

簡要來說系統可分為三個層次，第一個層次是設備層，主要由各種配用電設備、監控設備等組成，這些設備實時自動采集和存儲充電站各個節點的工況信息。第二個層次是網絡層，各個設備節點通過自身的通信通道構成一個配電通信網絡，設備節點之間可以通過面向對象的用電信息數據交換協議交換數據[15]。第三個層次是應用層，各設備節點根據自身及其關聯設備的工況信息，通過內部算法調節自身及其關聯設備的輸出。

2.1 設備層

設備層是整個系統的基礎，主要包括高壓組合斷路器、配電變壓器、專變終端、保護終端、三相電能表、無功補償控制器、漏電保護控制器、充電樁、充電機、主站服務器及網絡設備等。下面對這些設備在系統中的作用進行說明。

1) 充電樁或充電機可通過本地或者遠程方式開啟充電，充電過程中實時計量充電電量，根據費率電價實時計算充電金額，實時監測充電時電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等數據，按照指定的周期上傳負荷曲線數據至主站，充電完成或充電停止后自動進行結算，記錄充電記錄并上報主站。日常運行過程中定時抄讀當前、日、月電能表表底，按照指定的周期上報主站。

2) 無功補償控制器實時采集線路電壓、電流，有功功率、無功功率、功率因素等，根據控制器投切原則，自動投切補償設備。專變終端通過本地RS485實時抄讀無功補償控制器負荷數據和投切狀態，監測到狀態變化之后記錄狀態并上報主站。

3) 漏電保護控制器限制漏電流，使其不超過某一安全范圍，一旦超過某一整定值保護器就能自動切斷電源，實現接地保護，保護人身和設備安全。保護器接入到用戶變壓器二次側，當漏電流超過額定剩余電流動作值，保護器輸出跳閘信號，控制低壓斷路器執行拉閘操作，實現接地保護。發生故障時，只斷開用戶斷路器，不影響線路整體。保護器記錄跳閘事件，包括故障原因、故障相別、跳閘發生時間、跳閘前剩余電流值、跳閘前電壓、電流等數據。專變終端通過本地RS485實時抄讀保護器跳閘事件存儲并上報主站。

4) 保護終端，實現三段定時限過流保護、零序電流保護等，電流定值、時間定值可獨立整定，分別設置整定控制字，控制保護的投退。當線路電流大于保護定值時，相應定時器啟動，若持續時間到整定時間，則出口動作，控制高壓組合斷路器執行拉閘操作，若在整定時限內電流返回則終止定時器。發生故障時，保護終端生成故障記錄，包括故障類型、故障相別、故障電流、故障發生時間等數據。專變終端通過本地RS485實時讀取保護終端故障記錄存儲并上報主站。

5) 高壓組合斷路器，由計量用電流、電壓組合互感器，高壓真空斷路器組成。可實現一次側高電壓到二次側低電壓的變換，一次大電流到二次小電流的變換，供三相電能表、專變終端、保護終端使用。通過抄錄專變終端和保護終端控制信號，可實現斷路器的控制，具有自動跳閘和就地遙控合閘功能。

6) 三相多功能電能表為計量結算用電能表，實時形成當前電壓、電流、功率、功率因數、電網頻率、最大需量、電量等數據。專變終端通過本地RS485實時抄讀電能表數據，形成實時數據、曲線數據、日凍結數據、月凍結數據、事件記錄等供主站抄讀或主動上報主站。

7) 專變終端，本身具備交流采樣和計量功能，實時監測線路負荷，抄讀電能表、無功補償控制器、漏電保護控制器等設備的數據，可控制組合斷路器切斷用戶側負荷。配合三相電能表、高壓組合斷路器，可以實現預付費、負荷控制等功能。

8) 主站服務器及網絡設備，主要實現對上述配電設備信息的采集、存儲、管理及應用。主站服務器包括前置服務器、Web服務器、數據庫服務器、售電服務器、接口服務器等。

2.2 網絡層

網絡層是設備層數據交換的基礎，系統中關鍵的網絡節點包括專變終端、充電樁或充電機、充電站服務器集群、用電信息采集系統、配電自動化系統、管理工作站等。網絡節點應用層采用面向對象的互操作性數據交換協議，節點之間可以相互交換數據，實現數據融合。如圖2所示，為系統網絡層的抽象結構圖。

圖2 充電站網絡結構圖

2.3 應用層

應用層依托設備層和網絡層實現電動汽車充電站的動態管理，實現充電站運營中的有序用電控制，改善局部電能質量，實現充電站智能運維管理。包括以下關鍵技術。

1) 充電站監控主站根據錄入的設備檔案信息，自動生成設備拓撲結構，設備全景分布圖等，供用戶日常維護使用。

2) 充電站各監測點(例如，專變終端、充電樁或充電機等)實時監測電能質量(諧波畸變、功率因數等)，根據電能質量自動投切補償裝置進行調節。

3) 充電管理與維護，根據各監測點負荷情況，引導用戶充電行為，充電過程中控制充電設備輸出功率智能調節。最大限度的減小電壓波動，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、配電自動化系統交換數據，計算變壓器和線路損耗，電費計量與外部結算，實現線路保護及故障點定位。

圖3 充電站智能運維界面示意圖

3 結論

本文通過分析電動汽車充電站各部分的功能和特性，提出一種電動汽車充電站有序用電智能配電系統解決方案，從設備層、網絡層、應用層三個維度進行了簡要分析。本系統旨在通過電動汽車充電站各種設備間的數據交互、協調控制，實現充電站運營中的有序用電控制，改善局部電能質量，實現充電站智能運維管理。

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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，研究方向為配用電信息采集技術；E-mail: qiu1455@126.com

陳 賀(1976—)，男，碩士研究生，研究方向為電子、通訊及自動化控制；E-mail: chen_he_@126.com

高勝國(1980—)，男，通信作者，本科，研究方向為電動汽車充電技術。E-mail: 46005381@qq.com