一种电动汽车充电站有序用电智能配电系统

邱智勇，陈 贺，高胜国，李云祥



一种电动汽车充电站有序用电智能配电系统

邱智勇，陈 贺，高胜国，李云祥

(石家庄科林电气股份有限公司，河北 石家庄 050222)

根据目前电动汽车充电站运行中区域配电网存在的负荷过载、谐波污染、三相不平衡、故障不能准确定位等问题，提出一种电动汽车充电站有序用电智能配电系统。系统划分为设备层、网络层和应用层，设备层主要负责配电网的信息采集和控制，网络层主要负责配电网的信息传输，应用层主要负责数据分析和应用。电动汽车充电站各种设备间通过数据交互、协调控制，实现充电站运营中的有序用电控制，电能质量监测与改善，设备故障报警与定位，最终实现充电站的智能运维管理。系统投入运营后显著提高充电站的用电效率，减少运维工作量，降低充电站的经营成本。

电动汽车充电站；有序用电；智能运维；智能配电；互操作数据交换协议

0 引言

电动汽车作为一种新兴的交通工具，具有零排放，噪音小、续航能力较强等特点，日益受到世界范围内的广泛关注。尤其是近年来，随着电力电子技术、电子信息技术、通讯技术、储能技术等发展，电动汽车及相关充电设施的发展取得了重要进步，已经具备全面推广的条件。我国政府多次发文鼓励发展新能源汽车，加快新能源汽车推广应用，加快电动汽车充电基础设施建设。目前各大汽车制造企业都有推出电动汽车新品，已经初具市场规模，但是电动汽车充电基础设施，尤其是电动汽车充电站建设相对滞后，成为制约电动汽车全面推广的一个瓶颈[1-10]。可以预见，在未来几年电动汽车充电基础设施的投资建设将加速。

电动汽车充电站作为重要的充电基础设施，对推动电动汽车的普及具有重要作用。但是电动汽车充电站是一种特殊的电力设施，与城乡的配电网密不可分，大量电动汽车投入运营，将对电力系统产生很大影响。因此有必要建设适用电动汽车充电站的智能配电系统，监测分析配电负荷和用户充电行为的变化，合理引导用户充电方式，实现有序充电控制，减小冲击负荷对配电网的影响，为配电网规划、有序充电控制、充电服务运营和用户用电行为优化引导提供数据和策略的支持。

1 电动汽车充电站

电动汽车充电站(EV Charging Station)是采用整车充电模式为电动汽车提供电能的场所，应包括3台及以上电动汽车充电设备(至少有1台非车载充电机)以及相关供电设备、监控设备等配套设备[7]。下面对电动汽车、充电设备、供电设备、监控设备等在充电站运行中的特性和功能进行简要分析。

1.1 电动汽车

电动汽车(EV) 作为一种特殊的用电设备，其靠电动机驱动，动力来源于可充电电池或其他易携带能量存储的设备[11]。电动汽车储能装置充电过程，对配电网而言就是一个持续用电的过程，但是由于储能装置固有的充电特性，用电特性并非线性。同时用户给电动汽车充电在时间和空间上也具有一定的随机性，虽然充电站配电系统设计时可以在理论上做到三相负载平衡分配，但是由于电动汽车负载接入的随机性，如果不加引导，极有可能会导致配电网三相不平衡。如果配电系统设计不合理，用电高峰期时大量电动汽车负载接入会使系统过载，将使峰谷差近一步拉大、增加配网备用容量、降低电网的利用率、增加配电网损。

1.2 充电设备

充电设备与电动汽车或动力蓄电池相连，并为其提供电能，包括车载充电机、非车载充电机、交流充电桩等[11]。充电设备实质就是把电网交流电能转换成可供电动汽车使用的直流电能。充电设备可以看成一种特殊的配电设备，通过大功率整流装置实现交直流转换，这样不可避免会引起电压和电流畸变，给配电网注入谐波，影响局部配电网的电能质量[12-14]。由于电动汽车充电站通常情况下多台充电设备同时工作，接入的设备越多谐波畸变越严重。电能质量恶化会引起线路、变压器等设备持续发热、使用寿命缩短、损耗增加，甚至有可能造成电网中局部的电感、电容发生谐振，使谐波进一步放大。

1.3 供电设备

供电设备主要为充电站的充电设备，监控设备，生活照明设施等提供持续的电力供应[11]。包括配电变压器、电力互感器、中低压断路器、漏电保护器、电能表、配电柜、计量箱、无功补偿装置、有载调压调容装置、换向开关等。这些供电设备一起构成充电站的配电网络，任何一种设备出现故障都会对充电站运行造成影响。因此发生供电设备运行故障时，需要第一时间定位和切除故障，迅速组织抢修和更换，以免影响充电站的正常运营。

1.4 监控设备

监控设备对充电站的供电设备、充电设备运行状态、环境监测等信息进行采集，通过计算机及网络通信技术实现与充电站监控系统主站的信息交互，实现对站内设备的监视、控制和管理[11]。如配变监测计量终端、负荷管理终端、电力能效监测终端等就属于监控设备。各种监控设备配合可以对整个充电站的运行情况进行全面跟踪，充电站监控系统主站根据监控设备上传的数据分析当前电网运行情况，实现对充电负荷有序管理，无功补偿投切控制，谐波抑制，故障定位，充电结算等功能。

2 充电站智能配电系统

通过对电动汽车充电站各部分功能和特性进行分析，提出一种电动汽车充电站有序用电智能配电系统解决方案。系统结构如图1所示，为充电站智能配电系统结构图。

图1 充电站智能配电系统

简要来说系统可分为三个层次，第一个层次是设备层，主要由各种配用电设备、监控设备等组成，这些设备实时自动采集和存储充电站各个节点的工况信息。第二个层次是网络层，各个设备节点通过自身的通信通道构成一个配电通信网络，设备节点之间可以通过面向对象的用电信息数据交换协议交换数据[15]。第三个层次是应用层，各设备节点根据自身及其关联设备的工况信息，通过内部算法调节自身及其关联设备的输出。

2.1 设备层

设备层是整个系统的基础，主要包括高压组合断路器、配电变压器、专变终端、保护终端、三相电能表、无功补偿控制器、漏电保护控制器、充电桩、充电机、主站服务器及网络设备等。下面对这些设备在系统中的作用进行说明。

1) 充电桩或充电机可通过本地或者远程方式开启充电，充电过程中实时计量充电电量，根据费率电价实时计算充电金额，实时监测充电时电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等数据，按照指定的周期上传负荷曲线数据至主站，充电完成或充电停止后自动进行结算，记录充电记录并上报主站。日常运行过程中定时抄读当前、日、月电能表表底，按照指定的周期上报主站。

2) 无功补偿控制器实时采集线路电压、电流，有功功率、无功功率、功率因素等，根据控制器投切原则，自动投切补偿设备。专变终端通过本地RS485实时抄读无功补偿控制器负荷数据和投切状态，监测到状态变化之后记录状态并上报主站。

3) 漏电保护控制器限制漏电流，使其不超过某一安全范围，一旦超过某一整定值保护器就能自动切断电源，实现接地保护，保护人身和设备安全。保护器接入到用户变压器二次侧，当漏电流超过额定剩余电流动作值，保护器输出跳闸信号，控制低压断路器执行拉闸操作，实现接地保护。发生故障时，只断开用户断路器，不影响线路整体。保护器记录跳闸事件，包括故障原因、故障相别、跳闸发生时间、跳闸前剩余电流值、跳闸前电压、电流等数据。专变终端通过本地RS485实时抄读保护器跳闸事件存储并上报主站。

4) 保护终端，实现三段定时限过流保护、零序电流保护等，电流定值、时间定值可独立整定，分别设置整定控制字，控制保护的投退。当线路电流大于保护定值时，相应定时器启动，若持续时间到整定时间，则出口动作，控制高压组合断路器执行拉闸操作，若在整定时限内电流返回则终止定时器。发生故障时，保护终端生成故障记录，包括故障类型、故障相别、故障电流、故障发生时间等数据。专变终端通过本地RS485实时读取保护终端故障记录存储并上报主站。

5) 高压组合断路器，由计量用电流、电压组合互感器，高压真空断路器组成。可实现一次侧高电压到二次侧低电压的变换，一次大电流到二次小电流的变换，供三相电能表、专变终端、保护终端使用。通过抄录专变终端和保护终端控制信号，可实现断路器的控制，具有自动跳闸和就地遥控合闸功能。

6) 三相多功能电能表为计量结算用电能表，实时形成当前电压、电流、功率、功率因数、电网频率、最大需量、电量等数据。专变终端通过本地RS485实时抄读电能表数据，形成实时数据、曲线数据、日冻结数据、月冻结数据、事件记录等供主站抄读或主动上报主站。

7) 专变终端，本身具备交流采样和计量功能，实时监测线路负荷，抄读电能表、无功补偿控制器、漏电保护控制器等设备的数据，可控制组合断路器切断用户侧负荷。配合三相电能表、高压组合断路器，可以实现预付费、负荷控制等功能。

8) 主站服务器及网络设备，主要实现对上述配电设备信息的采集、存储、管理及应用。主站服务器包括前置服务器、Web服务器、数据库服务器、售电服务器、接口服务器等。

2.2 网络层

网络层是设备层数据交换的基础，系统中关键的网络节点包括专变终端、充电桩或充电机、充电站服务器集群、用电信息采集系统、配电自动化系统、管理工作站等。网络节点应用层采用面向对象的互操作性数据交换协议，节点之间可以相互交换数据，实现数据融合。如图2所示，为系统网络层的抽象结构图。

图2 充电站网络结构图

2.3 应用层

应用层依托设备层和网络层实现电动汽车充电站的动态管理，实现充电站运营中的有序用电控制，改善局部电能质量，实现充电站智能运维管理。包括以下关键技术。

1) 充电站监控主站根据录入的设备档案信息，自动生成设备拓扑结构，设备全景分布图等，供用户日常维护使用。

2) 充电站各监测点(例如，专变终端、充电桩或充电机等)实时监测电能质量(谐波畸变、功率因数等)，根据电能质量自动投切补偿装置进行调节。

3) 充电管理与维护，根据各监测点负荷情况，引导用户充电行为，充电过程中控制充电设备输出功率智能调节。最大限度的减小电压波动，降低三相电压和三相电流不平衡率。

4) 充电站主站与用电信息采集系统、配电自动化系统交换数据，计算变压器和线路损耗，电费计量与外部结算，实现线路保护及故障点定位。

图3 充电站智能运维界面示意图

3 结论

本文通过分析电动汽车充电站各部分的功能和特性，提出一种电动汽车充电站有序用电智能配电系统解决方案，从设备层、网络层、应用层三个维度进行了简要分析。本系统旨在通过电动汽车充电站各种设备间的数据交互、协调控制，实现充电站运营中的有序用电控制，改善局部电能质量，实现充电站智能运维管理。

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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，硕士研究生，研究方向为配用电信息采集技术；E-mail: qiu1455@126.com

陈 贺(1976—)，男，硕士研究生，研究方向为电子、通讯及自动化控制；E-mail: chen_he_@126.com

高胜国(1980—)，男，通信作者，本科，研究方向为电动汽车充电技术。E-mail: 46005381@qq.com