安科瑞 劉邁

　　摘要：提出光儲充一體化充電設施設計方案，該充電設施具備光伏發電、儲能、電動汽車充電等功能，對其系統主接線方案、主要設備及平面布置方案進行研究和設計。一體化充電設施采用模塊化設計，將充電樁、光伏、儲能、雨棚等主要設備設施進行整合，實現空間較大化利用；每個模塊具有完備的電能配置、視頻監控等輔助功能，既可單獨使用，也可作為較小單元進行拼接擴展，滿足不同場地建設需求。

　　關鍵詞：電動汽車；充電設施；光伏發電；儲能

　　0引言

　　作為電動汽車的主要配套設施，充電設施在滿足泊車需求的同時為電動汽車提供充電服務，廣泛應用于電動汽車充電站、公共停車場中，并逐步推廣應用于商業辦公區、居住區等人口密集、汽車保有量大的區域。作為基礎配套設施，充電設施直接影響著電動汽車推廣應用效果，其設計方案的合理性及*進性有助于提高充電效率、降低電動汽車使用成本、推動汽車產業綠色可持續發展，已成為電動汽車行業內的研究*點。

　　電動汽車充電設施以充電樁作為核心設備，起到控制充電電流、實現電動汽車充電的功能。充電樁是可固定安裝于地面或墻壁，為電動汽車提供電能，并具備相應測控保護功能的裝置。電動汽車充電設施中，一般將充電樁布置于車位后方或側邊，充電樁與車位、雨棚等設施分屬不同系統，沒有統一建設、生產方案。

　　隨著新能源技術的不斷發展，電動汽車充電設施在設計中可考慮結合太陽能光伏發電系統、儲能系統以降低設施用電成本，提高系統工作效率與供電可靠性。本文采用模塊化設計方案，將光儲系統、雨棚、充電樁、車位等關鍵要素結合成一個整體，作為具備停車、充電、發電、儲能功能的電動汽車充電設施。該充電設施整體作為一個模塊，覆蓋2個標準車位，可同時為2輛小型乘用電動汽車充電，并具備橫向、縱向擴展方式，可滿足不同場地的建設需求。

　　1傳統方案分析

　　傳統電動汽車充電設施主要由停車位、充電樁構成，部分充電設施帶有雨棚以便于雨天充電。傳統充電設施功能繁簡不一，沒有統一的設計或建設方案，主要存在以下不足。

　　（1）各設施獨立建設，兼容性較差。傳統戶外充電設施設計一般僅包含充電樁，布置在車位的后方或側邊，遇雨雪天氣充電接口會打濕，導致電器故障。為此，部分地區增設了擋雨棚，但各設施相對獨立，建設周期不一，會受原有場地和建筑限制，不能規劃雨棚優化尺寸，兼容性較差。

　　（2）設施間缺少電氣聯系。充電樁之間、充電樁與輔助設備之間是分散連接到上級配電房低壓母線側的，不能進行統一的電氣操作，且沒有集中控制設備，因此無法監控其工作狀態和采集相應信息。

　　（3）未考慮新能源和儲能建設需求。充電樁由上級配電房母線供電，用電高峰期電網承受的負荷壓力大且峰值時使用成本高。為解決此問題，部分地區考慮擴建光伏、儲能系統，但擴建過程中往往遇到改造成本大、擴建光伏容量無法滿足充電需求、需拆除或重建雨棚等問題。

　　本文提出的設計方案充分考慮了以上問題，同步考慮充電、光伏發電、儲能等建設需求，將各類設備緊密結合，構成一體化充電設施。

　　2系統配置與運行方式

　　一體化充電設施所含主要設備包括戶外匯流箱1面、7kw充電樁2個、光儲并網逆變器1臺、雨棚1座。雨棚頂鋪設光伏電池板，結合充電樁容量需求與雨棚面積，布置光伏組件容量共計7.3kwp，配套建設蓄電池14kwh。雨棚內安裝視頻攝像頭1只，用于充電設施安防監控。

　　以一體化充電設施與上級電源能量交換較小為運行控制原則。夜間，電網處于負荷低谷，電價較為便宜，蓄電池處于充電狀態；日間，電網電價較高，蓄電池處于放電狀態，作為光伏組串的補充，共同為電動汽車充電。同時，光伏組串和蓄電池也可視為備用電源。當外部電源退出運行時，可利用光伏組件所發電量為充電樁提供電能；當光照條件不佳時，蓄電池可繼續為充電樁提供2ｈ電能，滿足車輛應急充電的需求。

　　3電氣主接線

　　一體化充電設施低壓母線設置于戶外匯流箱內，低壓母線采用一進四出的接線形式，自上級配電房取電，為監控攝像頭、充電樁、光儲并網系統提供電能。電氣主接線方案如圖1所示。

　　光儲并網逆變器保護測控回路、充電樁保護測控回路、監控攝像頭信號回路等二次回路接入上級配電房監控系統總線，實現上級配電房對一體化充電設施的實時監控。

　　4主要設備

　　戶外匯流箱起到電能匯聚、分配及保護的作用，為一體化充電設施內各電氣設備供電。戶外匯流箱采用一進四出的接線形式，進出線均配備塑殼斷路器以切斷故障電流。戶外匯流箱進線端接入上級配電房低壓母線，出線端分別接入監控攝像頭、充電樁及光儲并網逆變器。匯流箱在匯流防雷基礎上設置各類傳感器，可監控每一路的電流電壓，檢測箱體溫度和濕度，當故障發生時，能快速切除故障，盡量不對配電房低壓母線側產生影響，增加了保護的完備度。光儲并網逆變器接入匯流箱低壓母線，便于就地消納產生的電能。

　　光儲發電系統是一體化充電設施的電源，由光伏電池板、光儲并網逆變器構成。雨棚上方鋪設功率為263wp的pd05型多晶硅光伏電池板28塊，采用串聯方式構成一個功率為7.3kwp的光伏組串，接入光儲并網逆變器直流進線端；光儲逆變器額定功率為7.5kw，內置14kwh蓄電池組，具備光伏并網逆變、蓄電池組充放電控制、二次保護測控等功能，其交流出線端接入戶外匯流箱低壓母線，為一體化充電設施內的電氣設備提供電能。一體化充電設施內設置7kw充電樁2臺，接入戶外匯流箱低壓母線，為電動汽車充電。

　　雨棚、監控攝像頭為一體化充電設施的輔助配套設施。雨棚保障充電過程中充電接頭不被雨水打濕，也為車輛和人員遮擋雨水和烈日。在雨棚頂部安裝光伏電池板；匯流箱、攝像頭掛裝于雨棚支架合適位置，減少一體化充電設施整體占地面積。

　　充電樁建設在無人值守的露天場所或小區存在一定的安全隱患，因此在雨棚下方角落處安裝監控攝像頭，視角覆蓋停車位及充電樁，對設備運行情況及車輛情況進行實時監控，提高一體化充電設施的安全性。

　　5布置及安裝方案

　　5.1單套設備

　　每套一體化充電設施包含2個標準車位，雨棚投影占地為6.7ｍ×7.0ｍ。根據電動汽車充電站典型設計方案，將充電樁布置于車位后方。車位側邊建設雨棚立柱，并將匯流箱、光儲一體化逆變器安裝于立柱上。一體化充電設施布置及安裝方案如圖2所示。

　　雨棚的大小可滿足車輛擋雨需求，上方架設的光伏組串容量足以滿足1個充電樁的電量需求。雨棚頂端鋪設光伏時采用槽鋼和檁條架構。槽鋼無需打孔定位，在鋪設光伏前可根據大小位置進行調整。槽鋼的凹槽可用于放置光伏電纜，起到美化外觀和遮擋雨雪的作用。

5.2模塊化擴展

　　一體化充電設施采用模塊化設計，可以較小單元進行任意數量的拼接組合，實現多模塊擴展，從而滿足不同布局的充電站或停車場建設需求。模塊化擴展方案有橫向拼接擴展和縱向拼接擴展。兩種拼接方式如圖３所示。橫向拼接直接采用左右無縫隙相連的形式，縱向拼接采用頭尾無縫隙相連的形式，在保證密封性的同時，充分節省空間，提高土地利用率。兩種方式都使得充電設施集中在一側，方便集中供電和維護。

　　6系統概述

　　6.1概述

　　Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

　　微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

　　6.2技術標準

　　本方案遵循的標準有：

　　本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

　　GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范1部分：通用要求

　　GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺2部分：性能評定方法

　　GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范5部分：場地安全要求

　　GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范6部分：驗收大綱

　　GB/T2887-2011計算機場地通用規范

　　GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

　　GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

　　DL/T634.5101遠動設備及系統5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

　　DL/T634.5104遠動設備及系統5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

　　GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

　　GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范

　　GB/T51341-2018微電網工程設計標準

　　GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

　　DL/T1864-2018型微電網監控系統技術規范

　　T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

　　T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

　　T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

　　T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

　　T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

　　T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

　　T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

　　NB/T10148-2019微電網1部分：微電網規劃設計導則

　　NB/T10149-2019微電網2部分：微電網運行導則

　　6.3適用場合

　　系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

　　6.4型號說明

7系統配置

　　7.1系統架構

　　本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

　　8系統功能

　　8.1實時監測

　　微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

　　系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

　　系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

　　微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

　　子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

　　8.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

　　本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　8.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

　　本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

　　本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

　　本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

　　本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

　　本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

　　本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的較大、較小電壓、溫度值及所對應的位置。

　　8.1.3風電界面

圖13風電系統界面

　　本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　8.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

　　本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

　　8.1.5視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

　　本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

　　8.2發電預測

　　系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

　　8.3策略配置

　　系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

　　8.4運行報表

　　應能查詢各子系統、回路或設備某個時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

　　8.5實時報警

　　應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

　　8.6歷史事件查詢

　　應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

　　8.7電能質量監測

　　應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

　　1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

　　2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

　　3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

　　4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

　　5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

　　6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、較大值、較小值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

　　8.8遙控功能

　　應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

　　8.9曲線查詢

　　應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

　　8.10統計報表

　　具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

　　8.11網絡拓撲圖

　　系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

　　本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

　　8.12通信管理

　　可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

　　8.13用戶權限管理

　　應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

　　8.14故障錄波

　　應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

　　8.15事故追憶

　　可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

　　用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

圖29事故追憶

　　9硬件及其配套產品

       10結語

　　本文提出一種光儲充一體化充電設施設計方案。該方案對光伏組件、雨棚、光儲并網逆變器等輔助設施進行了優化設計，在不增加占地的前提下，將光伏發電、儲能、充電、就地

　　監控等功能融入系統中，實現了清潔能源的充分利用。設計方案中采用模塊化設計思路，可對多套一體化充電設施進行橫向或縱向拼接，滿足不同場站條件下的建設需求。通過合理設置光儲并網逆變器控制策略，可提高光伏發電就地消納率，充分利用電網峰谷價差，有效減少充電設施用電成本，起到削峰填谷、節能減排的作用。

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