浅谈电动汽车充电站箱变电气安全系统设计与应用

安科瑞 陈聪

摘要:基于物联网技术架构提出了一种适用于电动汽车充电站箱变的电气安全物联监测系统设计方案。该系统由电气安全智能感知设备、通信网关、电气安全物联网监测平台等构成,可支持充电站箱变充电桩出线回路电流、电缆温度、剩余电流、故障电弧、短路电流等数据采集监测,并通过4G网络上送数据到电气安全物联网在线监测平台。根据此设计方案开发了电气安全智能感知设备、通信网关和系统软件。工程实践情况表明,系统可有效识别电动汽车充电站箱变低压线路电气火灾安全隐患,能为运维部门快速检修提供决策依据,避免火灾事故发生。

关键词:电动汽车充电站;电气火灾;故障电弧;物联网

0引言

随着新能源汽车产业的发展,电网公司建设并运营了大量的电动汽车充电站。电动汽车充电站箱变作为充电桩的电源供应点,其运行可靠性至关重要。目前,大多电动汽车充电站箱变低压开关出线回路未采取任何监测手段,存在管理盲点和安全隐患。充电站处于24h不停机运行状态,低压充电桩线路一直持续带电运行,线路老化、接头松动、绝缘受损等都会造成电气回路打火、短路等故障,极易引发电气火灾。电缆温度、剩余电流、故障电弧探测是目前电气火灾和电气安全监测的主要手段。我国对电气火灾监测告警建立了标准[1G3],与之对应的主要产品技术形态为组合式电气火灾探测器和故障电弧探测器。当故障电弧产生时,其温度高达3000~4000℃,甚至超过5000℃,并伴有金属熔化物喷溅,极易引燃线路绝缘层而导致线路起火。如果在故障点附近存在可燃物,也极易引燃而导致火灾。故障电弧探测是电气火灾监测的重要组成部分,越来越受到业界的关注[4G7]。目前市面上的组合式电气火灾探测器和故障电弧探测器是两个不同的产品,在实际工程实践中存在安装不便、占用空间大、组网困难、施工麻烦等情况。

近年来,随着智慧消防平台的建设,对电气火灾和电气安全监测设备也提出了物联化要求[8]。为此,本文提出了一种适用于电动汽车充电站箱变电气安全物联监测系统设计方案,开发新型电气安全智能感知设备,通过单一设备实现低压电气回路电气火灾多要素监测,包括电压、电流、电缆温度、剩余电流、故障电弧、短路电流等。监测设备接入通信网关,并通过4G通信网络上送数据到电气安全物联网在线监测平台。

1系统构成

如图1所示,系统由边缘感知层、网络层、平台层和应用层组成。其中边缘感知层包括电气安全智能感知设

备、通信网关。电气安全智能感知设备安装在箱变低压配电回路上,通过RSG485总线和通信网关连接。通信网关支持4G通信,经数据加密后接入电气安全物联网监测平台。平台层实现电气安全监测数据实时采集、存储和处理。应用层实现了电气安全运行监测、告警、统计、工单等功能,展现方式包括大屏幕、Web应用、微信小程序等。

图1电气安全物联监测系统构成图

2边缘感知层设备

2.1电气安全智能感知设备

2.1.1工作原理

如图2所示,电气安全智能感知设备接入充电站箱变低压充电桩回路的三相电压、三相电流、剩余电流、ABCN四线温度。本文开发的电气安全智能感知设备基于高频电流采样数据,建立电弧故障时电流暂态物理模型,结合机

器学习方法对电流时序采样数据进行模式识别,判别故障电弧事件。和市面上现有故障电弧探测器产品相比,该装

置通过常规的外置电流互感器电流采样实现故障电弧识别,和一次电流规格无关;支持三相故障电弧判别,提供故障电弧波形记录功能;通过对短路波形的特征判断,提供短路故障电流判断与告警功能,同时也提供短路电流动作波形记录,为事故分析提供依据,为责任认定提供证据;还提供常规的组合式电气火灾探测器功能,包括回路电流、温度、剩余电流监测预警。

图2电气安全智能感知设备工作原理图

2.1.2组合式结构设计

实际运行环境中往往需对电动汽车充电站箱变多个三相低压配电回路实现电气安全监测。采取常规方案时一个监测设备对应一个回路,每个设备都需要连接供电电源、备体积大,开关柜安装空间受*时安装不便。如图3和图4所示,本文设计的电气安全智能感知设备采取组合式结构设计。感知设备由一个供电模块、多个监测模块构成。一个监测模块可实现一个三相回路或三个单相回路电气安全多要素监测,模块与模块之间通过插件式总线连接,总线提供了设备之间的供电和通信连接。设备通过一个集中的供电通信模块接入外部电源,并对外提供通信接口,设备之间无需再连接电源线和通信线。电气安全智能感知模块仅有1P空气开关大小,宽度为18mm,采取35mm标准导轨式结构,安装简单、方便。

图3电气安全智能感知设备组合式结构设计图

图4电气安全智能感知设备实物图

2.1.3通信组网

如图5所示,电气安全感知模块通过插接式通信总线

接入供电通信模块,通信总线为RSG485。供电通信模块汇关可提供多个串口,接入多组智能感知设备。通信网关对外提供4G通信接口,通过4G网络上送数据到电气安全物联网监测平台。

图5通信组网结构图

2.1.4带电安装

为了方便施工,本文设计的电气安全智能感知模块采用了开启式电流互感器和开启式剩余电流互感器作为电流输入元件。施工时无需开断主回路,可带电安装,从而大大减轻了现场安装工作量,缩短安装时间,且对主回路没有任何影响,确保充电站系统运行安全可靠性。

2.2通信网关

通信网关由处理器模块、模拟量输入、开关量输入、液晶、键盘及多种通信接口模块组成,如图6所示。

模块,支持96个模块。装置支持LoRa通信接口,可通过无线方式接入采集设备。装置提供4GCat。1通信接口,向监测平台发送采集到的数据。装置模拟量输入部分提供一路温湿度采集和一路4~20mA模拟量采集,开关量输入部分提供三路开关量采集。

图6通信网关硬件逻辑架构图

3电气安全物联网监测平台

3.1软件平台结构

软件平台技术架构如图7所示。软件平台数据采集基于阿里云物联网平台实现。通信网关代理各电气安全智能感知模块接入物联网平台,接入通信协议为MQTT。基于效率考虑,通信网关和物联网平台通信时采用了原始二进制(RAWDATA)数据上传模式,在阿里云物联网平台上开发对应的协议脚本做数据解析,解析结果为json格式的阿里云连接(Aliyunlink,Alink)协议。在业务系统中通过AMQP订阅方式获取阿里云物联网平台推送的数据和事件,

图7电气安全物联网监测平台

实现事件处理、告警处理、数据保存等功能。模型数据库和事件数据库采用关系型数据库实现,系统采用了阿里云提供的MySQLRDS云数据库系统。时序数据库采用了阿里云提供的时序数据库。系统通过统一的接口封装对外的数据和业务访问服务,为大屏幕、Web应用和微信小程序提供统一的数据访问接口。开发了大屏幕、Web应用和微信小程序,实时展示平台运行工况,通过丰富的图表、看板等方式查询历史数据信息。

3.2软件系统功能

(1)运行监视:通过可视化看板、图表、曲线等方式显示监测对象运行工况。

(2)安全预警:过流、超温、剩余电流超限、故障电弧、短路等异常工况预警,推送告警。

(3)故障分析:通过故障录波数据分析故障原因。

(4)工单管理:创建工单,实现运维管理数字化、流程化。

(5)缺陷管理:实现缺陷报告、处理、原因分析的全流程数字化管理。

(6)安全评价:以负载率、温度、剩余电流、故障电弧等多个指标评价监测对象运行电气安全水平。

4工程应用案例

在上海市电力公司青浦供电公司管辖范围内的意邦充电站、会展充电站、长三角水乡会客厅充电站箱变安装了电气安全智能感知设备,实现充电站箱变低压配电回路电气安全实时在线监测。现场实物如图8所示。系统运行期间,多次发现了运行中存在电缆超温、剩余电流越限、故障电弧安全隐患缺陷。运维部门根据系统告警提示及时进行了检修,消除了安全隐患,避免了事故扩大。

图8电气安全智能感知设备和通信网关箱变安装实例

5安科瑞智慧消防云平台

5.1平台概述

安科瑞智慧消防云平台依托物联网、云计算、互联网、大数据、AI等技术，对充电站配电系统的运行、电能消耗、电能质量、充电安全和行为安全进行实时监控和预警，为充电站的可靠、安全、经济运行提供保障，并及时切除安全隐患、避免电气火灾发生，从而保障人员的生命财产安全，打造“安全、高效、舒适、绿色”的“人—车—桩—电网—互联网—多种增值业务”的智慧充电站，提升充电站的社会和经济价值。

5.2适用场合

可广泛应用于医院、学校、酒店、体育场等公共建筑；商业广场、产业园等综合园区；企业、住宅小区等场所。

5.3组网架构

平台采用分层分布式结构，主要由终端感知设备、边缘计算网关和能效管理平台层三个部分组成，详细拓扑结构如下：

5.4参考选型

5.5相关产品介绍

5.5.1 7KW交流充电桩AEV-AC007D

产品功能

1）智能监测：充电桩智能控制器对充电桩具备测量、控制与保护的功能，如运行状态监测、故障状态监测、充电计量与计费以及充电过程的联动控制等。

2）智能计量：输出配置智能电能表，进行充电计量，具备完善的通信功能，可将计量信息通过RS485分别上传给充电桩智能控制器和网络运营平台。

3）云平台：具备连接云平台的功能，可以实现实时监控，财务报表分析等等。

4）保护功能：具备防雷保护、过载保护、短路保护，漏电保护和接地保护等功能。

5）材质可靠：保证长期使用并抵御复杂天气环境。

6）适配车型：满足国标充电接口，适配所有符合GB/T20234.2-2015国标的电动汽车，适应不同车型的不同功率。

7）资产安全：产品全部由中国平安保险承保，充分保障设备、车辆、人员的安全。

5.5.2直流充电桩系列

5.5.3电气火灾探测器ARCM300-Z

5.5.4限流式保护器ASCP200

产品功能：

1）短路保护：保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号；

2）过载保护：当线路电流过载且持续时间超过动作时间（3~60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号；

3）表内超温保护：当保护器内部器件工作温度过高时，保护器实施超温限流保护，并发出声光报警信号；

4）组网通讯：保护器具有1路RS485接口，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。

5.6平台功能

5.6.1登录

5.6.2首页

平台首页显示充电站的位置及在线情况，统计充电站的充电数据

5.6.3实时监控

1）充电站监控

可以按站点名称进行筛选，显示站点详情、充电枪列表、统计订单信息、故障记录，点击某个充电枪编号后在进入充电枪监控页面实时监测变压器负荷（搭配ACM300T、ADW300），当负荷超过50%时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为50%，当变压器负荷超过80%时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。如图所示

统计当前充电站各充电桩回路的数据；通过卡片的形式展现充电桩的数据；显示故障列表；如图所示：

2）充电桩监控

显示充电桩充电数据；显示各回路的充电状态；可以对充电中的回路进行手动终止；显示订单信息、故障信息；如图所示：

3）设备监控

显示限流式保护器的状态，包括线路中的剩余电流、温度及异常报警，如图所示：

5.6.4故障管理

1）故障查询

故障查询中记录了登录用户相关联的所有故障信息。如图所示：

2）故障派发

故障派发中记录了当前待派发的故障信息。如图所示：

3）故障处理

故障处理中记录了当前待处理的故障信息。如图所示：

5.6.5能耗分析

在能耗分析中，可查看指*时段关联站点和关联桩的能耗信息并显示对应的能耗趋势图。如图所示：

5.6.6故障分析

在故障分析中，可查看相关时间内的故障数、故障状态、故障类型、趋势分析以及故障列表。如图所示：

5.6.7财务报表

在财务报表中，可根据时间查看关联站点的财务数据。如图所示：

5.6.8收益查询

在收益查询中，可查看总的收益统计、收益变化曲线图、支付占比饼图以及实际收益报表。如图所示：

5.7案例实景

6结语

采取有效技术手段防止电气火灾发生是电动汽车充电站运行管理的重要工作内容。针对现有电气火灾和电气安全监测设备存在的功能简单、体积大、安装不便等问题,本文提出了电气安全物联网监测系统。该系统通过电气安全智能感知设备实现引发电气火灾的多种要素的统一监测感知和告警,且安装简单方便,扩展性强。应用实例表明,应用本文设计和开发的电动汽车充电站电气安全物联网监测系统,可有效提升电动汽车充电站电气安全监测水平,避免电气火灾发生,提升充电站运行可靠性。

参考文献

[1]GB14287.2—2014电气火灾监控系统2部分:剩余电流式电气火灾监控探测器[S]。

[2]GB14287.3—2005电气火灾监控系统3部分:测温式电气火灾监控探测器[S]。

[3]GB14287.4—2014电气火灾监控系统4部分:故障电弧探测器[S]。

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[5]余琼芳,胡亚倩,杨艺．低压交流串联故障电弧检测概述[J]。

[6]张帅,曲娜,郑天芳．基于KGmeans算法的故障电弧检测方法[J]．沈阳航空航天大学学报,2022,39(1):61G68。

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[8]卢慧清,何之倬,张卫红,胡大良.电动汽车充电站箱变电气安全物联监测系统设计与应用。

[9]安科瑞企业微电网设计与应用手册2019.11版。