淺談智能電網(wǎng)背景下電動汽車充電站的繼電保護配置創(chuàng)新

安科瑞 劉秋霞

　　摘要：本文針對電動汽車充電站的繼電保護配置方案展開研究。隨著電動汽車的快速發(fā)展，充電站作為其重要基礎設施，其安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。本文首先分析了充電站的電氣特性和運行特點，探討了充電站面臨的主要故障類型及保護需求。在此基礎上，提出了充電站繼電保護配置方案，包括進線保護、變壓器保護、母線保護和充電樁保護。通過仿真分析和案例研究，驗證了所提出方案的有效性和可靠性。研究結(jié)果表明，合理的繼電保護配置方案能夠有效提高充電站的安全性和穩(wěn)定性，為電動汽車的普及提供有力保障。

　　關(guān)鍵詞 電動汽車；充電站；繼電保護；配置方案；故障分析；保護策略

　　引言

　　隨著全球能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴峻，電動汽車作為清潔能源交通工具得到了快速發(fā)展。作為電動汽車的重要配套設施，充電站的建設規(guī)模和數(shù)量不斷擴大。然而，充電站作為新型電力負荷，其電氣特性和運行特點與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)存在顯著差異，這對繼電保護系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

　　繼電保護是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)，對于充電站而言尤為重要。合理的繼電保護配置方案能夠及時檢測和隔離故障，防止事故擴大，保障充電站和電動汽車的安全。本文旨在研究適用于電動汽車充電站的繼電保護配置方案，以提高充電站的運行可靠性和安全性。

　　國內(nèi)外學者已對充電站繼電保護進行了一些研究。國外研究主要集中在充電站對配電網(wǎng)的影響及保護策略優(yōu)化方面，而國內(nèi)研究則更多關(guān)注充電站內(nèi)部保護配置和整定方法。然而，針對充電站特殊電氣特性的繼電保護配置方案仍需進一步深入研究。本文將從充電站的電氣特性分析入手，探討其保護需求，并提出相應的繼電保護配置方案。

　　1電動汽車充電站電氣特性分析

　　電動汽車充電站主要由配電變壓器、充電樁、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。其典型電氣結(jié)構(gòu)包括高壓進線、變壓器、低壓母線和充電樁回路。充電站的運行特點主要體現(xiàn)在負荷特性、諧波含量和功率因數(shù)等方面。

　　充電站負荷具有隨機性、間歇性和波動性大的特點。電動汽車的充電需求受用戶行為、電價政策等因素影響，導致負荷變化劇烈。此外，充電樁作為非線性負載，會產(chǎn)生大量諧波，可能引發(fā)電網(wǎng)諧波污染。充電站的功率因數(shù)也較低，需要進行無功補償。

　　充電站面臨的主要故障類型包括短路故障、接地故障和過負荷等。短路故障可能發(fā)生在高壓側(cè)或低壓側(cè)，需要快速切除以防止設備損壞。接地故障在低壓系統(tǒng)中較為常見，可能引發(fā)電擊危險。過負荷則可能由多臺充電樁同時工作或單臺充電樁長時間滿負荷運行引起。

　　2充電站繼電保護配置方案

　　針對充電站的電氣特性和保護需求，本文提出以下繼電保護配置方案：

　　進線保護配置主要包括過電流保護、速斷保護和零序電流保護。過電流保護用于檢測和切除進線短路故障，速斷保護可快速切除近區(qū)故障，電流保護則用于檢測接地故障。保護定值應根據(jù)系統(tǒng)短路容量和變壓器參數(shù)進行整定。

　　變壓器保護配置包括差動保護、過流保護和溫度保護。差動保護作為變壓器主保護，可快速切除內(nèi)部故障。過流保護作為后備保護，用于切除外部故障。溫度保護則可防止變壓器過熱損壞。

　　母線保護配置主要采用差動保護，可快速切除母線故障。對于重要充電站，可考慮配置雙重化保護以提高可靠性。充電樁保護配置包括過流保護、漏電保護和過溫保護。過流保護用于檢測充電樁輸出短路，漏電保護可防止電擊事故，過溫保護則可避免充電樁過熱損壞。

　　3方案驗證與案例分析

　　為驗證所提出繼電保護配置方案的有效性，本文采用仿真分析和實際案例研究相結(jié)合的方法。通過建立充電站電氣系統(tǒng)模型，模擬各種故障情況，測試保護裝置的動作行為。仿真結(jié)果表明，所配置的保護方案能夠準確檢測和快速切除各類故障，滿足選擇性、速動性和靈敏性的要求。

　　以某城市充電站為例，應用本文提出的繼電保護配置方案。該充電站配備2臺1000kVA變壓器，20臺60kW直流充電樁。運行一年來，保護裝置正確動作率達到100%，有效避免了設備損壞和停電事故。特別是在一次外部短路故障中，進線速斷保護在0.1秒內(nèi)動作，將故障影響限制在范圍。

　　通過仿真和案例分析，驗證了本文提出的繼電保護配置方案的可行性和有效性。該方案能夠滿足充電站的保護需求，提高充電站運行的安全性和可靠性。

　　4安科瑞限流式保護器

　　安科瑞ASCP系列電氣防火限流式保護器是一種用于低壓配電線路的智能保護設備，旨在解決傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)等設備在短路、過載等情況下存在的不足，如短路電流大、切斷時間長、電弧火花大等問題。以下是關(guān)于該產(chǎn)品的詳細介紹：

　　4.1功能特點

　　短路保護：當線路發(fā)生短路故障時，保護器能在150微秒內(nèi)快速限制短路電流，實現(xiàn)滅弧保護，并發(fā)出聲光報警信號。

　　過載保護：當線路電流過載且持續(xù)時間超過設定時間（3~60秒可調(diào)）時，保護器啟動限流保護并報警。

　　超溫保護：當保護器內(nèi)部溫度過高時，自動啟動限流保護并報警。

　　過壓/欠壓保護：檢測到線路電壓異常時，發(fā)出報警信號，并可設置是否啟動限流保護。

　　線纜溫度監(jiān)測：實時監(jiān)測線纜溫度，超過設定值時報警。

　　漏電流監(jiān)測：監(jiān)測線路漏電流，超過設定值時報警。

　　通訊功能：支持1路RS485通訊（Modbus-RTU協(xié)議）和1路4G/NB-IoT無線通訊，可將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

　　4.2應用范圍

　　ASCP系列保護器廣泛應用于以下場所的末端干、支路線路保護：

　　學校、醫(yī)院、商場、賓館、娛樂場所、寺廟、文物建筑、會展中心等公共建筑。

　　住宅、倉庫、幼兒園、老年人建筑、集體宿舍等民用建筑。

　　電動車充電站、租賃式商場商鋪、批發(fā)市場、集貿(mào)市場等商業(yè)場所。

　　甲乙丙類危險品庫房等特殊場所。

　　4.3技術(shù)參數(shù)

　　額定電流：0~63A（具體型號如ASCP200-1）。

　　通訊協(xié)議：1路RS485（Modbus-RTU協(xié)議），1路4G無線通訊。

　　輔助電源：AC220V1811。

　　安裝方式：壁掛式或?qū)к壥桨惭b，適用于配電箱內(nèi)或墻面。

　　4.4產(chǎn)品型號

　　ASCP200-1：額定電流0~63A，適用于多種場所。

　　ASCP200-40B：單相限流式保護器，額定電流40A。

　　4.5現(xiàn)場安裝圖片

汽車充電樁集中保護 汽車快充樁保護

　　5安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

　　5.1概述

　　AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

　　5.2應用場所

　　適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

　　5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

　　1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

　　2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

　　3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

　　4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

　　5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

　　小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

　　5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

　　5.4.1智能化大屏

　　智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

　　5.4.2實時監(jiān)控

　　實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

　　平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

　　設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

　　通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

　　在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

5.4.7運維APP

　　面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

　　5.4.8充電小程序

　　面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

　　6結(jié)論

　　本文針對電動汽車充電站的繼電保護配置方案進行了深入研究。通過分析充電站的電氣特性和保護需求，提出了包括進線保護、變壓器保護、母線保護和充電樁保護在內(nèi)的完整繼電保護配置方案。研究結(jié)果表明，合理的繼電保護配置能夠有效提高充電站的安全性和穩(wěn)定性，為電動汽車的普及提供有力保障。

　　未來的研究方向可以集中在以下幾個方面：一是進一步優(yōu)化保護定值整定方法，提高保護的靈敏性和選擇性；二是研究充電站與配電網(wǎng)保護的協(xié)調(diào)配合，減少保護動作對電網(wǎng)的影響；三是探索基于人工智能的保護新方法，提高故障診斷和處理的智能化水平。

　　參考文獻：

　　[1]陳琛，徐志根，劉術(shù)波.電動汽車充電站繼電保護配置方案的研究

　　[2]張明遠, 李華東.電動汽車充電站繼電保護配置研究

　　[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版