淺析一種電動汽車充電樁集中監控平臺的設計與實現
發布時間：2022-02-21瀏覽次數：1157返回列表
易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：為實現對電動汽車充電過程的監控以及大量電動汽車充電負荷與電網的友好互動，從而發揮其靈活調節作用，本文提出一種對充電樁進行集中監控的平臺設計方案、構架及關鍵技術，設計充電樁的監控方案以及與系統之間的通信方案，通過數據的采集處理實現與平臺之間的交互。目前該系統已經完成平臺和
充電樁交互測試，并嵌入配電自動化系統，運行情況表明該集中監控平臺應用于大規模電動汽車充電樁
監控的正確性和實用性。
關鍵詞：有序充電，串口通信，數據采集，配電自動化系統
引言
面對傳統燃油汽車尾氣排放造成的污染及其對石油資源的過度消耗所引發的環境與能源問題，電動
汽車(electricvehicle，EV)以其良好的環保、節能特性，成為當今汽車發展的潮流和熱點之一。然而，隨之而來的大量電動汽車負荷接入電網所帶來的影響逐漸引起了電網運營者和研究人員的關注，文
獻[2][3][4][5]均表明大規模電動汽車的充電行為會帶來系統局部電壓下降、變壓器過載、負荷峰上加峰等影響。考慮到電動汽車負荷的需求響應特性，文獻[6][7][8]提出利用電價對電動汽車充電行為進行有序引導，使其能充分發揮彈性負荷的作用，改善負荷形態，提高系統運行的經濟性。
由于電動汽車充電負荷的有序控制是建立在電動汽車充電行為監視的基礎上，文獻[9]介紹了電動汽車充電設施監控的特點，以需求確定功能，提出了系統分層體系架構設計方案，并給出通信組網方式及各層的軟件功能實現。文獻[10]根據電動汽車充電站的需求，充分考慮未來發展趨勢，以IEC61970/61850系列標準為技術基礎，提出汽車充電站監控系統建模方案，建立電動汽車充電站系統模型、設備信息模型、通信模型，并介紹建模方法，給出了站內智能電子設備(IED)信息集成的實現以及系統方案的應用前景。除了充電站的監視，大量散落在住宅小區、商場、辦公區域的充電樁的監視也不可或缺，對 其進行監控既是保證動力電池充電安全的需要，也是進一步提高大規模電動汽車有序充電管理的必要條件。
基于以上分析，本文提出一種對充電樁進行集中監控的平臺設計，通過充電樁的采集監控器實現充電信息的實時采集，并與平臺進行交互，從而為實現大規模電動汽車的有序充電提供支撐。借助所設計的系統平臺架構，并將其嵌入到配電自動化系統中，從而實現對電動汽車有序充電的控制，通過現場測試驗證了所提出監控平臺的合理性。
一、安科瑞充電樁運營管理平臺
1、系統架構
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。
充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網，配合加密技術和秘鑰分發技術，基于TCP/IP的數據交互協議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體功能如下：
資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。
交易結算：充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表
用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理
充電服務：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等
微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能
數據服務：數據采集，短信提醒，數據存儲和解析
變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統自動對充電樁的進行調度管理，即當負荷超過百分之五十時，系統會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過百分之八十時，系統將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。
2、平臺功能
2.1平臺登錄
在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。
2.2平臺首頁
平臺首頁總覽每天的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，累計的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，以及相應的環比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。
2.3實時監控
?充電站監控
充電站監控頁面監視用戶充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時長，進行負荷限制、故障查詢。
?充電槍監控
充電樁監控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時長等、充電電壓電流等參數。
2.4微信小程序
?搜索與使用
微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示
?授權登錄界面
用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面，需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：
?主功能頁
初次進入主功能頁時需要授權定位才可以使用地圖相關功能，在地圖上查看到當前所在區域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導航等。
?充電
掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進進行評價。
?個人信息
個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能
3、硬件配置
3.1平臺服務器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。
推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）
若客戶自己租用阿里云服務器，服務器配置根據充電槍點數的不同，分別如下：
3.2現場推薦硬件配置清單：
二、安科瑞限流式保護器的介紹與選型
1、限流式保護器的設計
電氣防火限流式保護器可有效克服傳統斷路器、空氣開關和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和財產的安全。
安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態開關，不同于傳統家用的空氣開關（微斷）。我們知道，傳統空氣開關的斷開是一種機械運動過程，分斷時間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開時通常伴隨有電弧的產生。而固態開關的斷開則是依靠半導體內部的載流子運動實現，分斷時間微秒級，速度快，無電弧產生。
如圖1所示，當發生短路故障時，傳統空氣開關在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態開關則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。
圖1短路故障前后電流與時間關系圖
從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統空氣開關與固態開關在短路時所釋放的能量差別可以達到數千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發生短路故障時，就可以避免電弧的產生，從而有效降低了電氣火災。
2、ASCP200-1功能特點
ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，較大額定電流為63A。主要功能如下：
A）短路保護功能，線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護；
B）過載保護功能，線路持續過載時，保護器限流保護；
C）表內超溫保護功能，保護器內部器件工作溫度過高時，保護器限流保護；
D）過/欠壓保護功能，線路欠壓或過壓時，保護器告警或限流保護（可設）；
E）電纜溫度監測功能，被測線纜溫度超過報警設定值時，保護器告警或限流保護（可設）；
F）漏電流監測功能，線路漏電超過報警設定值時，保護器告警或限流保護（可設）；
G）通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監控軟件或平臺，從而實現遠程監控。
3、ASCP200-1技術參數
4、應用方案圖示
ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關下端，額定電流值根據入戶開關的具體規格進行設置，典型應用示意圖如圖2所示：
圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖
5、使用注意事項
在選用限流式保護器時，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。
ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質，并注意環境溫度和通風散熱。
為確保可靠連接，接線時應按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實。
保護器內部帶有交流電，嚴禁非專業人士擅自打開產品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處于帶電狀態，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。
當保護器因超溫而發生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環境溫度過高或通風散熱不良等原因導致，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。
三、結束語
本文提出了一種電動汽車充電樁集中監控系統的設計，通過本地采集車輛電池的電流、電壓等參數，
并采用串口及GPRS通信方式實現充電信息的實時采集與監視，結合配電網的運行參數進行有序控制。
通過現場實際的安裝調試表明該平臺具有較好的安全性、可靠性、準確性，能夠保障各充電樁的信息快速、安全地傳輸。目前已經成功應用于某市多個電動汽車充電樁，為電動汽車的推廣與應用提供了借鑒
和使用基礎。
參考文獻
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[10]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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