淺談電動汽車充電站箱變電氣安全系統設計與應用

安科瑞 陳聰

摘要:基于物聯網技術架構提出了一種適用于電動汽車充電站箱變的電氣安全物聯監(jiān)測系統設計方案。該系統由電氣安全智能感知設備、通信網關、電氣安全物聯網監(jiān)測平臺等構成,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、短路電流等數據采集監(jiān)測,并通過4G網絡上送數據到電氣安全物聯網在線監(jiān)測平臺。根據此設計方案開發(fā)了電氣安全智能感知設備、通信網關和系統軟件。工程實踐情況表明,系統可有效識別電動汽車充電站箱變低壓線路電氣火災安全隱患,能為運維部門快速檢修提供決策依據,避免火災事故發(fā)生。

關鍵詞:電動汽車充電站;電氣火災;故障電弧;物聯網

0引言

隨著新能源汽車產業(yè)的發(fā)展,電網公司建設并運營了大量的電動汽車充電站。電動汽車充電站箱變作為充電樁的電源供應點,其運行可靠性至關重要。目前,大多電動汽車充電站箱變低壓開關出線回路未采取任何監(jiān)測手段,存在管理盲點和安全隱患。充電站處于24h不停機運行狀態(tài),低壓充電樁線路一直持續(xù)帶電運行,線路老化、接頭松動、絕緣受損等都會造成電氣回路打火、短路等故障,極易引發(fā)電氣火災。電纜溫度、剩余電流、故障電弧探測是目前電氣火災和電氣安全監(jiān)測的主要手段。我國對電氣火災監(jiān)測告警建立了標準[1G3],與之對應的主要產品技術形態(tài)為組合式電氣火災探測器和故障電弧探測器。當故障電弧產生時,其溫度高達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致線路起火。如果在故障點附近存在可燃物,也極易引燃而導致火災。故障電弧探測是電氣火災監(jiān)測的重要組成部分,越來越受到業(yè)界的關注[4G7]。目前市面上的組合式電氣火災探測器和故障電弧探測器是兩個不同的產品,在實際工程實踐中存在安裝不便、占用空間大、組網困難、施工麻煩等情況。

近年來,隨著智慧消防平臺的建設,對電氣火災和電氣安全監(jiān)測設備也提出了物聯化要求[8]。為此,本文提出了一種適用于電動汽車充電站箱變電氣安全物聯監(jiān)測系統設計方案,開發(fā)新型電氣安全智能感知設備,通過單一設備實現低壓電氣回路電氣火災多要素監(jiān)測,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)測設備接入通信網關,并通過4G通信網絡上送數據到電氣安全物聯網在線監(jiān)測平臺。

1系統構成

如圖1所示,系統由邊緣感知層、網絡層、平臺層和應用層組成。其中邊緣感知層包括電氣安全智能感知設

備、通信網關。電氣安全智能感知設備安裝在箱變低壓配電回路上,通過RSG485總線和通信網關連接。通信網關支持4G通信,經數據加密后接入電氣安全物聯網監(jiān)測平臺。平臺層實現電氣安全監(jiān)測數據實時采集、存儲和處理。應用層實現了電氣安全運行監(jiān)測、告警、統計、工單等功能,展現方式包括大屏幕、Web應用、微信小程序等。

圖1電氣安全物聯監(jiān)測系統構成圖

2邊緣感知層設備

2.1電氣安全智能感知設備

2.1.1工作原理

如圖2所示,電氣安全智能感知設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備基于高頻電流采樣數據,建立電弧故障時電流暫態(tài)物理模型,結合機

器學習方法對電流時序采樣數據進行模式識別,判別故障電弧事件。和市面上現有故障電弧探測器產品相比,該裝

置通過常規(guī)的外置電流互感器電流采樣實現故障電弧識別,和一次電流規(guī)格無關;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,同時也提供短路電流動作波形記錄,為事故分析提供依據,為責任認定提供證據;還提供常規(guī)的組合式電氣火災探測器功能,包括回路電流、溫度、剩余電流監(jiān)測預警。

圖2電氣安全智能感知設備工作原理圖

2.1.2組合式結構設計

實際運行環(huán)境中往往需對電動汽車充電站箱變多個三相低壓配電回路實現電氣安全監(jiān)測。采取常規(guī)方案時一個監(jiān)測設備對應一個回路,每個設備都需要連接供電電源、備體積大,開關柜安裝空間受*時安裝不便。如圖3和圖4所示,本文設計的電氣安全智能感知設備采取組合式結構設計。感知設備由一個供電模塊、多個監(jiān)測模塊構成。一個監(jiān)測模塊可實現一個三相回路或三個單相回路電氣安全多要素監(jiān)測,模塊與模塊之間通過插件式總線連接,總線提供了設備之間的供電和通信連接。設備通過一個集中的供電通信模塊接入外部電源,并對外提供通信接口,設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空氣開關大小,寬度為18mm,采取35mm標準導軌式結構,安裝簡單、方便。

圖3電氣安全智能感知設備組合式結構設計圖

圖4電氣安全智能感知設備實物圖

2.1.3通信組網

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。供電通信模塊匯關可提供多個串口,接入多組智能感知設備。通信網關對外提供4G通信接口,通過4G網絡上送數據到電氣安全物聯網監(jiān)測平臺。

圖5通信組網結構圖

2.1.4帶電安裝

為了方便施工,本文設計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。施工時無需開斷主回路,可帶電安裝,從而大大減輕了現場安裝工作量,縮短安裝時間,且對主回路沒有任何影響,確保充電站系統運行安全可靠性。

2.2通信網關

通信網關由處理器模塊、模擬量輸入、開關量輸入、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個模塊。裝置支持LoRa通信接口,可通過無線方式接入采集設備。裝置提供4GCat。1通信接口,向監(jiān)測平臺發(fā)送采集到的數據。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,開關量輸入部分提供三路開關量采集。

圖6通信網關硬件邏輯架構圖

3電氣安全物聯網監(jiān)測平臺

3.1軟件平臺結構

軟件平臺技術架構如圖7所示。軟件平臺數據采集基于阿里云物聯網平臺實現。通信網關代理各電氣安全智能感知模塊接入物聯網平臺,接入通信協議為MQTT?；谛士紤],通信網關和物聯網平臺通信時采用了原始二進制(RAWDATA)數據上傳模式,在阿里云物聯網平臺上開發(fā)對應的協議腳本做數據解析,解析結果為json格式的阿里云連接(Aliyunlink,Alink)協議。在業(yè)務系統中通過AMQP訂閱方式獲取阿里云物聯網平臺推送的數據和事件,

圖7電氣安全物聯網監(jiān)測平臺

實現事件處理、告警處理、數據保存等功能。模型數據庫和事件數據庫采用關系型數據庫實現,系統采用了阿里云提供的MySQLRDS云數據庫系統。時序數據庫采用了阿里云提供的時序數據庫。系統通過統一的接口封裝對外的數據和業(yè)務訪問服務,為大屏幕、Web應用和微信小程序提供統一的數據訪問接口。開發(fā)了大屏幕、Web應用和微信小程序,實時展示平臺運行工況,通過豐富的圖表、看板等方式查詢歷史數據信息。

3.2軟件系統功能

(1)運行監(jiān)視:通過可視化看板、圖表、曲線等方式顯示監(jiān)測對象運行工況。

(2)安全預警:過流、超溫、剩余電流超限、故障電弧、短路等異常工況預警,推送告警。

(3)故障分析:通過故障錄波數據分析故障原因。

(4)工單管理:創(chuàng)建工單,實現運維管理數字化、流程化。

(5)缺陷管理:實現缺陷報告、處理、原因分析的全流程數字化管理。

(6)安全評價:以負載率、溫度、剩余電流、故障電弧等多個指標評價監(jiān)測對象運行電氣安全水平。

4工程應用案例

在上海市電力公司青浦供電公司管轄范圍內的意邦充電站、會展充電站、長三角水鄉(xiāng)會客廳充電站箱變安裝了電氣安全智能感知設備,實現充電站箱變低壓配電回路電氣安全實時在線監(jiān)測?，F場實物如圖8所示。系統運行期間,多次發(fā)現了運行中存在電纜超溫、剩余電流越限、故障電弧安全隱患缺陷。運維部門根據系統告警提示及時進行了檢修,消除了安全隱患,避免了事故擴大。

圖8電氣安全智能感知設備和通信網關箱變安裝實例

5安科瑞智慧消防云平臺

5.1平臺概述

安科瑞智慧消防云平臺依托物聯網、云計算、互聯網、大數據、AI等技術，對充電站配電系統的運行、電能消耗、電能質量、充電安全和行為安全進行實時監(jiān)控和預警，為充電站的可靠、安全、經濟運行提供保障，并及時切除安全隱患、避免電氣火災發(fā)生，從而保障人員的生命財產安全，打造“安全、高效、舒適、綠色”的“人—車—樁—電網—互聯網—多種增值業(yè)務”的智慧充電站，提升充電站的社會和經濟價值。

5.2適用場合

可廣泛應用于醫(yī)院、學校、酒店、體育場等公共建筑；商業(yè)廣場、產業(yè)園等綜合園區(qū)；企業(yè)、住宅小區(qū)等場所。

5.3組網架構

平臺采用分層分布式結構，主要由終端感知設備、邊緣計算網關和能效管理平臺層三個部分組成，詳細拓撲結構如下：

5.4參考選型

5.5相關產品介紹

5.5.1 7KW交流充電樁AEV-AC007D

產品功能

1）智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能，如運行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電計量與計費以及充電過程的聯動控制等。

2）智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能，可將計量信息通過RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網絡運營平臺。

3）云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現實時監(jiān)控，財務報表分析等等。

4）保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能。

5）材質可靠：保證長期使用并抵御復雜天氣環(huán)境。

6）適配車型：滿足國標充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國標的電動汽車，適應不同車型的不同功率。

7）資產安全：產品全部由中國平安保險承保，充分保障設備、車輛、人員的安全。

5.5.2直流充電樁系列

5.5.3電氣火災探測器ARCM300-Z

5.5.4限流式保護器ASCP200

產品功能：

1）短路保護：保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

2）過載保護：當線路電流過載且持續(xù)時間超過動作時間（3~60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

3）表內超溫保護：當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

4）組網通訊：保護器具有1路RS485接口，可以將數據發(fā)送到后臺監(jiān)控系統，實現遠程監(jiān)控。

5.6平臺功能

5.6.1登錄

5.6.2首頁

平臺首頁顯示充電站的位置及在線情況，統計充電站的充電數據

5.6.3實時監(jiān)控

1）充電站監(jiān)控

可以按站點名稱進行篩選，顯示站點詳情、充電槍列表、統計訂單信息、故障記錄，點擊某個充電槍編號后在進入充電槍監(jiān)控頁面實時監(jiān)測變壓器負荷（搭配ACM300T、ADW300），當負荷超過50%時，系統會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為50%，當變壓器負荷超過80%時，系統將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。如圖所示

統計當前充電站各充電樁回路的數據；通過卡片的形式展現充電樁的數據；顯示故障列表；如圖所示：

2）充電樁監(jiān)控

顯示充電樁充電數據；顯示各回路的充電狀態(tài)；可以對充電中的回路進行手動終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設備監(jiān)控

顯示限流式保護器的狀態(tài)，包括線路中的剩余電流、溫度及異常報警，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聯的所有故障信息。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*時段關聯站點和關聯樁的能耗信息并顯示對應的能耗趨勢圖。如圖所示：

5.6.6故障分析

在故障分析中，可查看相關時間內的故障數、故障狀態(tài)、故障類型、趨勢分析以及故障列表。如圖所示：

5.6.7財務報表

在財務報表中，可根據時間查看關聯站點的財務數據。如圖所示：

5.6.8收益查詢

在收益查詢中，可查看總的收益統計、收益變化曲線圖、支付占比餅圖以及實際收益報表。如圖所示：

5.7案例實景

6結語

采取有效技術手段防止電氣火災發(fā)生是電動汽車充電站運行管理的重要工作內容。針對現有電氣火災和電氣安全監(jiān)測設備存在的功能簡單、體積大、安裝不便等問題,本文提出了電氣安全物聯網監(jiān)測系統。該系統通過電氣安全智能感知設備實現引發(fā)電氣火災的多種要素的統一監(jiān)測感知和告警,且安裝簡單方便,擴展性強。應用實例表明,應用本文設計和開發(fā)的電動汽車充電站電氣安全物聯網監(jiān)測系統,可有效提升電動汽車充電站電氣安全監(jiān)測水平,避免電氣火災發(fā)生,提升充電站運行可靠性。

參考文獻

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