安科瑞 陳聰

摘要:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構提出了一種適用于電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變的電氣安全物聯(lián)監測系統設計方案。該系統由電氣安全智能感知設備、通信網(wǎng)關(guān)、電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監測平臺等構成,可支持充電站箱變充電樁出線(xiàn)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測,并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )上送數據到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)監測平臺。根據此設計方案開(kāi)發(fā)了電氣安全智能感知設備、通信網(wǎng)關(guān)和系統軟件。工程實(shí)踐情況表明,系統可有效識別電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變低壓線(xiàn)路電氣火災安全隱患,能為運維部門(mén)快速檢修提供決策依據,避免火災事故發(fā)生。

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

0引言

隨著(zhù)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,電網(wǎng)公司建設并運營(yíng)了大量的電動(dòng)汽車(chē)充電站。電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變作為充電樁的電源供應點(diǎn),其運行可靠性至關(guān)重要。目前,大多電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變低壓開(kāi)關(guān)出線(xiàn)回路未采取任何監測手段,存在管理盲點(diǎn)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(xiàn)路一直持續帶電運行,線(xiàn)路老化、接頭松動(dòng)、絕緣受損等都會(huì )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測的主要手段。我國對電氣火災監測告警建立了標準[1G3],與之對應的主要產(chǎn)品技術(shù)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(chǎn)生時(shí),其溫度高達3000~4000℃,甚至超過(guò)5000℃,并伴有金屬熔化物噴濺,極易引燃線(xiàn)路絕緣層而導致線(xiàn)路起火。如果在故障點(diǎn)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測的重要組成部分,越來(lái)越受到業(yè)界的關(guān)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(gè)不同的產(chǎn)品,在實(shí)際工程實(shí)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(lái),隨著(zhù)智慧消防平臺的建設,對電氣火災和電氣安全監測設備也提出了物聯(lián)化要求[8]。為此,本文提出了一種適用于電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變電氣安全物聯(lián)監測系統設計方案,開(kāi)發(fā)新型電氣安全智能感知設備,通過(guò)單一設備實(shí)現低壓電氣回路電氣火災多要素監測,包括電壓、電流、電纜溫度、剩余電流、故障電弧、短路電流等。監測設備接入通信網(wǎng)關(guān),并通過(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò )上送數據到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)監測平臺。

1系統構成

如圖1所示,系統由邊緣感知層、網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)關(guān)。電氣安全智能感知設備安裝在箱變低壓配電回路上,通過(guò)RSG485總線(xiàn)和通信網(wǎng)關(guān)連接。通信網(wǎng)關(guān)支持4G通信,經(jīng)數據加密后接入電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監測平臺。平臺層實(shí)現電氣安全監測數據實(shí)時(shí)采集、存儲和處理。應用層實(shí)現了電氣安全運行監測、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(lián)監測系統構成圖

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(xiàn)溫度。本文開(kāi)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(shí)電流暫態(tài)物理模型,結合機

器學(xué)習方法對電流時(shí)序采樣數據進(jìn)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(chǎn)品相比,該裝

置通過(guò)常規的外置電流互感器電流采樣實(shí)現故障電弧識別,和一次電流規格無(wú)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(guò)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(shí)也提供短路電流動(dòng)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(shí)際運行環(huán)境中往往需對電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變多個(gè)三相低壓配電回路實(shí)現電氣安全監測。采取常規方案時(shí)一個(gè)監測設備對應一個(gè)回路,每個(gè)設備都需要連接供電電源、備體積大,開(kāi)關(guān)柜安裝空間受*時(shí)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(gè)供電模塊、多個(gè)監測模塊構成。一個(gè)監測模塊可實(shí)現一個(gè)三相回路或三個(gè)單相回路電氣安全多要素監測,模塊與模塊之間通過(guò)插件式總線(xiàn)連接,總線(xiàn)提供了設備之間的供電和通信連接。設備通過(guò)一個(gè)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(wú)需再連接電源線(xiàn)和通信線(xiàn)。電氣安全智能感知模塊僅有1P空氣開(kāi)關(guān)大小,寬度為18mm,采取35mm標準導軌式結構,安裝簡(jiǎn)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(shí)物圖

2.1.3通信組網(wǎng)

如圖5所示,電氣安全感知模塊通過(guò)插接式通信總線(xiàn)

接入供電通信模塊,通信總線(xiàn)為RSG485。供電通信模塊匯關(guān)可提供多個(gè)串口,接入多組智能感知設備。通信網(wǎng)關(guān)對外提供4G通信接口,通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )上送數據到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監測平臺。

圖5通信組網(wǎng)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(kāi)啟式電流互感器和開(kāi)啟式剩余電流互感器作為電流輸入元件。施工時(shí)無(wú)需開(kāi)斷主回路,可帶電安裝,從而大大減輕了現場(chǎng)安裝工作量,縮短安裝時(shí)間,且對主回路沒(méi)有任何影響,確保充電站系統運行安全可靠性。

2.2通信網(wǎng)關(guān)

通信網(wǎng)關(guān)由處理器模塊、模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、液晶、鍵盤(pán)及多種通信接口模塊組成,如圖6所示。

模塊,支持96個(gè)模塊。裝置支持LoRa通信接口,可通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式接入采集設備。裝置提供4GCat。1通信接口,向監測平臺發(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(kāi)關(guān)量輸入部分提供三路開(kāi)關(guān)量采集。

圖6通信網(wǎng)關(guān)硬件邏輯架構圖

3電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監測平臺

3.1軟件平臺結構

軟件平臺技術(shù)架構如圖7所示。軟件平臺數據采集基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現。通信網(wǎng)關(guān)代理各電氣安全智能感知模塊接入物聯(lián)網(wǎng)平臺,接入通信協(xié)議為MQTT?；谛士紤],通信網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)平臺通信時(shí)采用了原始二進(jìn)制(RAWDATA)數據上傳模式,在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺上開(kāi)發(fā)對應的協(xié)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(xié)議。在業(yè)務(wù)系統中通過(guò)AMQP訂閱方式獲取阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺推送的數據和事件,

圖7電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監測平臺

實(shí)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(guān)系型數據庫實(shí)現,系統采用了阿里云提供的MySQLRDS云數據庫系統。時(shí)序數據庫采用了阿里云提供的時(shí)序數據庫。系統通過(guò)統一的接口封裝對外的數據和業(yè)務(wù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù),為大屏幕、Web應用和微信小程序提供統一的數據訪(fǎng)問(wèn)接口。開(kāi)發(fā)了大屏幕、Web應用和微信小程序,實(shí)時(shí)展示平臺運行工況,通過(guò)豐富的圖表、看板等方式查詢(xún)歷史數據信息。

3.2軟件系統功能

(1)運行監視:通過(guò)可視化看板、圖表、曲線(xiàn)等方式顯示監測對象運行工況。

(2)安全預警:過(guò)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(guò)故障錄波數據分析故障原因。

(4)工單管理:創(chuàng )建工單,實(shí)現運維管理數字化、流程化。

(5)缺陷管理:實(shí)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(jià):以負載率、溫度、剩余電流、故障電弧等多個(gè)指標評價(jià)監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(huì )展充電站、長(cháng)三角水鄉會(huì )客廳充電站箱變安裝了電氣安全智能感知設備,實(shí)現充電站箱變低壓配電回路電氣安全實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測?，F場(chǎng)實(shí)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(mén)根據系統告警提示及時(shí)進(jìn)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(wǎng)關(guān)箱變安裝實(shí)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(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、大數據、AI等技術(shù)，對充電站配電系統的運行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和預警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟運行提供保障，并及時(shí)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(chǎn)安全，打造“安全、高效、舒適、綠色”的“人—車(chē)—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(huì )和經(jīng)濟價(jià)值。

5.2適用場(chǎng)合

可廣泛應用于醫院、學(xué)校、酒店、體育場(chǎng)等公共建筑；商業(yè)廣場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)園等綜合園區；企業(yè)、住宅小區等場(chǎng)所。

5.3組網(wǎng)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(wǎng)關(guān)和能效管理平臺層三個(gè)部分組成，詳細拓撲結構如下：

5.4參考選型

5.5相關(guān)產(chǎn)品介紹

5.5.1 7KW交流充電樁AEV-AC007D

產(chǎn)品功能

1）智能監測：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)監測、故障狀態(tài)監測、充電計量與計費以及充電過(guò)程的聯(lián)動(dòng)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(guò)RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)平臺。

3）云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實(shí)現實(shí)時(shí)監控，財務(wù)報表分析等等。

4）保護功能：具備防雷保護、過(guò)載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能。

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

6）適配車(chē)型：滿(mǎn)足國標充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國標的電動(dòng)汽車(chē)，適應不同車(chē)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，充分保障設備、車(chē)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(chǎn)品功能：

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

2）過(guò)載保護：當線(xiàn)路電流過(guò)載且持續時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3~60秒可設）時(shí)，保護器啟動(dòng)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(guò)高時(shí)，保護器實(shí)施超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

4）組網(wǎng)通訊：保護器具有1路RS485接口，可以將數據發(fā)送到后臺監控系統，實(shí)現遠程監控。

5.6平臺功能

5.6.1登錄

5.6.2首頁(yè)

平臺首頁(yè)顯示充電站的位置及在線(xiàn)情況，統計充電站的充電數據

5.6.3實(shí)時(shí)監控

1）充電站監控

可以按站點(diǎn)名稱(chēng)進(jìn)行篩選，顯示站點(diǎn)詳情、充電槍列表、統計訂單信息、故障記錄，點(diǎn)擊某個(gè)充電槍編號后在進(jìn)入充電槍監控頁(yè)面實(shí)時(shí)監測變壓器負荷（搭配ACM300T、ADW300），當負荷超過(guò)50%時(shí)，系統會(huì )限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為50%，當變壓器負荷超過(guò)80%時(shí)，系統將不允許新增充電樁開(kāi)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(guò)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(jìn)行手動(dòng)終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設備監控

顯示限流式保護器的狀態(tài)，包括線(xiàn)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(xún)

故障查詢(xún)中記錄了登錄用戶(hù)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(shí)段關(guān)聯(lián)站點(diǎn)和關(guān)聯(lián)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(guān)時(shí)間內的故障數、故障狀態(tài)、故障類(lèi)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，可根據時(shí)間查看關(guān)聯(lián)站點(diǎn)的財務(wù)數據。如圖所示：

5.6.8收益查詢(xún)

在收益查詢(xún)中，可查看總的收益統計、收益變化曲線(xiàn)圖、支付占比餅圖以及實(shí)際收益報表。如圖所示：

5.7案例實(shí)景

6結語(yǔ)

采取有效技術(shù)手段防止電氣火災發(fā)生是電動(dòng)汽車(chē)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測設備存在的功能簡(jiǎn)單、體積大、安裝不便等問(wèn)題,本文提出了電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監測系統。該系統通過(guò)電氣安全智能感知設備實(shí)現引發(fā)電氣火災的多種要素的統一監測感知和告警,且安裝簡(jiǎn)單方便,擴展性強。應用實(shí)例表明,應用本文設計和開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)充電站電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監測系統,可有效提升電動(dòng)汽車(chē)充電站電氣安全監測水平,避免電氣火災發(fā)生,提升充電站運行可靠性。

參考文獻

[1]GB14287.2—2014電氣火災監控系統2部分:剩余電流式電氣火災監控探測器[S]。

[2]GB14287.3—2005電氣火災監控系統3部分:測溫式電氣火災監控探測器[S]。

[3]GB14287.4—2014電氣火災監控系統4部分:故障電弧探測器[S]。

[4]王*,陳進(jìn),李松濃,等．基于時(shí)頻域分析和隨機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(yáng)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)在火災隱患治理中的應用[J]．今日消防,2021,6(8):49G51。

[8]盧慧清,何之倬,張衛紅,胡大良.電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變電氣安全物聯(lián)監測系統設計與應用。

[9]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2019.11版。