簡婷

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)提出了一種適用于電動汽車充電站箱變的電氣安全物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)由電氣安全智能感知設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)、電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺等構(gòu)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(shù)據(jù)采集監(jiān)測,并通過4G網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測平臺。根據(jù)此設(shè)計方案開發(fā)了電氣安全智能感知設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)軟件。工程實踐情況表明,系統(tǒng)可有效識別電動汽車充電站箱變低壓線路電氣火災(zāi)安全隱患,能為運(yùn)維部門快速檢修提供決策依據(jù),避免火災(zāi)事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞:電動汽車充電站;電氣火災(zāi);故障電弧;物聯(lián)網(wǎng)

0引言

  隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,電網(wǎng)公司建設(shè)并運(yùn)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(yīng)點,其運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。目前,大多電動汽車充電站箱變低壓開關(guān)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(jī)運(yùn)行狀態(tài),低壓充電樁線路一直持續(xù)帶電運(yùn)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(zāi)。電纜溫度、剩余電流、故障電弧探測是目前電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測的主要手段。我國對電氣火災(zāi)監(jiān)測告警建立了標(biāo)準(zhǔn)[1G3],與之對應(yīng)的主要產(chǎn)品技術(shù)形態(tài)為組合式電氣火災(zāi)探測器和故障電弧探測器。當(dāng)故障電弧產(chǎn)生時,其溫度高達(dá)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(dǎo)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(dǎo)致火災(zāi)。故障電弧探測是電氣火災(zāi)監(jiān)測的重要組成部分,越來越受到業(yè)界的關(guān)注[4G7]。目前市面上的組合式電氣火災(zāi)探測器和故障電弧探測器是兩個不同的產(chǎn)品,在實際工程實踐中存在安裝不便、占用空間大、組網(wǎng)困難、施工麻煩等情況。

  近年來,隨著智慧消防平臺的建設(shè),對電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測設(shè)備也提出了物聯(lián)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(lián)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案,開發(fā)新型電氣安全智能感知設(shè)備,通過單一設(shè)備實現(xiàn)低壓電氣回路電氣火災(zāi)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(shè)備接入通信網(wǎng)關(guān),并通過4G通信網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測平臺。

1系統(tǒng)構(gòu)成

  如圖1所示,系統(tǒng)由邊緣感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層組成。其中邊緣感知層包括電氣安全智能感知設(shè)

  備、通信網(wǎng)關(guān)。電氣安全智能感知設(shè)備安裝在箱變低壓配電回路上,通過RSG485總線和通信網(wǎng)關(guān)連接。通信網(wǎng)關(guān)支持4G通信,經(jīng)數(shù)據(jù)加密后接入電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺。平臺層實現(xiàn)電氣安全監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集、存儲和處理。應(yīng)用層實現(xiàn)了電氣安全運(yùn)行監(jiān)測、告警、統(tǒng)計、工單等功能,展現(xiàn)方式包括大屏幕、Web應(yīng)用、微信小程序等。

圖1電氣安全物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 邊緣感知層設(shè)備

2.1電氣安全智能感知設(shè)備

2.1.1工作原理

  如圖2所示,電氣安全智能感知設(shè)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(shè)備基于高頻電流采樣數(shù)據(jù),建立電弧故障時電流暫態(tài)物理模型,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法對電流時序采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識別,判別故障電弧事件。和市面上現(xiàn)有故障電弧探測器產(chǎn)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(xiàn)故障電弧識別,和一次電流規(guī)格無關(guān);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(jù),為責(zé)任認(rèn)定提供證據(jù);還提供常規(guī)的組合式電氣火災(zāi)探測器功能,包括回路電流、溫度、剩余電流監(jiān)測預(yù)警。

圖2電氣安全智能感知設(shè)備工作原理圖

3安科瑞智慧消防云平臺

3.1平臺概述

安科瑞智慧消防云平臺依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，對充電站配電系統(tǒng)的運(yùn)行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進(jìn)行實時監(jiān)控和預(yù)警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障，并及時切除安全隱患、避免電氣火災(zāi)發(fā)生，從而保障人員的生命財產(chǎn)安全，打造“安全、高效、舒適、綠色”的“人—車—樁—電網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)—多種增值業(yè)務(wù)”的智慧充電站，提升充電站的社會和經(jīng)濟(jì)價值。

3.2適用場合

可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、酒店、體育場等公共建筑；商業(yè)廣場、產(chǎn)業(yè)園等綜合園區(qū)；企業(yè)、住宅小區(qū)等場所。

3.3組網(wǎng)架構(gòu)

平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由終端感知設(shè)備、邊緣計算網(wǎng)關(guān)和能效管理平臺層三個部分組成，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

3.5.1 7KW交流充電樁AEV-AC007D

產(chǎn)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(hù)的功能，如運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電計量與計費(fèi)以及充電過程的聯(lián)動控制等。

2）智能計量：輸出配置智能電能表，進(jìn)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(wǎng)絡(luò)運(yùn)營平臺。

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

4）保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能。

5）材質(zhì)可靠：保證長期使用并抵御復(fù)雜天氣環(huán)境。

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

7）資產(chǎn)安全：產(chǎn)品全部由中國平安保險承保，充分保障設(shè)備、車輛、人員的安全。

3.5.2直流充電樁系列

3.5.3電氣火災(zāi)探測器ARCM300-Z

5.5.4限流式保護(hù)器ASCP200

產(chǎn)品功能：

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

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

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

4）組網(wǎng)通訊：保護(hù)器具有1路RS485接口，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)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(tǒng)計充電站的充電數(shù)據(jù)

5.6.3實時監(jiān)控

1）充電站監(jiān)控

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

統(tǒng)計當(dāng)前充電站各充電樁回路的數(shù)據(jù)；通過卡片的形式展現(xiàn)充電樁的數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)；顯示各回路的充電狀態(tài)；可以對充電中的回路進(jìn)行手動終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設(shè)備監(jiān)控

顯示限流式保護(hù)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(guān)聯(lián)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(dāng)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(dāng)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(guān)聯(lián)站點和關(guān)聯(lián)樁的能耗信息并顯示對應(yīng)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(guān)時間內(nèi)的故障數(shù)、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(wù)報表

在財務(wù)報表中，可根據(jù)時間查看關(guān)聯(lián)站點的財務(wù)數(shù)據(jù)。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(tǒng)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

4結(jié)語

  采取有效技術(shù)手段防止電氣火災(zāi)發(fā)生是電動汽車充電站運(yùn)行管理的重要工作內(nèi)容。針對現(xiàn)有電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測設(shè)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(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過電氣安全智能感知設(shè)備實現(xiàn)引發(fā)電氣火災(zāi)的多種要素的統(tǒng)一監(jiān)測感知和告警,且安裝簡單方便,擴(kuò)展性強(qiáng)。應(yīng)用實例表明,應(yīng)用本文設(shè)計和開發(fā)的電動汽車充電站電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),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(zāi)發(fā)生,提升充電站運(yùn)行可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]GB14287.2—2014電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)2部分:剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器[S]。

[2]GB14287.3—2005電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)3部分:測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器[S]。

[3]GB14287.4—2014電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)4部分:故障電弧探測器[S]。

[4]王*,陳進(jìn),李松濃,等．基于時頻域分析和隨機(jī)森林的故障電弧檢測[J]．電子測量與儀器學(xué)報,2021,35(5):62G68。

[5]余瓊芳,胡亞倩,楊藝．低壓交流串聯(lián)故障電弧檢測概述[J]。

[6]張帥,曲娜,鄭天芳．基于KGmeans算法的故障電弧檢測方法[J]．沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報,2022,39(1):61G68。

[7]陳浩,閻俏,張桂青,等．基于模態(tài)分解與特征匹配的串聯(lián)故障電弧識別方法研究[J]．計算機(jī)測量與控制,2021,29(11):53G60。

[8]劉騁宇．智慧消防視域下信息化技術(shù)在火災(zāi)隱患治理中的應(yīng)用[J]．今日消防,2021,6(8):49G51。

[8]盧慧清,何之倬,張衛(wèi)紅,胡大良.電動汽車充電站箱變電氣安全物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用。

[9]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2019.11版。