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电动汽车充电站和电池更换站监控系统设计方案研究

出处:未知  作者:admin  发布:2018-05-02 11:09  阅读:
摘要:发展电动汽车是我国的重要产业政策。电动汽车能源供给方式目前有常规交流充电、快速直流充电、电池更换三种。电动汽车充换电设施主要包括充电站、电池更换站、电池配送中心、
 发展电动汽车是我国的重要产业政策。电动汽车能源供给方式目前有常规交流充电、快速直流充电、电池更换三种。电动汽车充换电设施主要包括充电站、电池更换站、电池配送中心、集中或分散布置的交流充电柱等。
  为推动电动汽车产业的发展,在确保电动汽车充电设施能提供安全、方便的充电服务的基础上,还应用信息、网络及通信技术,对电动汽车充电站和电池更换站(简称充换电站)内设备运行状态和环境等进行监控和管理。
  电动汽车充换电站监控系统能将站内充电设备、电池箱更换设备、配电设备、视频及环境监控设备等智能设备的状态信息、参数配置信息、充换电过程实时信息等进行集成,实现对其的监控和管理;具备与上级监控管理系统通信的功能,进而实现对充换电设施管理、控制的自动化,构建完善、高效的充换电设施监控系统;另外,与配电自动化等系统相结合,采用合适的调控策略,对区域内的充换电设施进行调控,可达到有效利用电网资源,减少对电网影响的目的。
  1系统特点电动汽车充换电站监控系统涉及到配电保护测控、电力电子、计量、通信等专业,与常规的电力监控系统有明显的区别。
  1.1环境条件特殊电动汽车充换电设施所处环境具有特殊性,在充换电站内电磁干扰很大;另外,换电设备、非车载充电机、充电桩直接安装在室外,环境湿度大、灰尘大、温差大。
  1.2设备种类复杂电动汽车充换电站监控系统所监控的设备种类繁多,包括各类充电机、充电桩、智能电表、配变、开关、保护测控装置、有源滤波及无功补偿装置、视频摄像头、传感器、门禁装置等,另外不同厂家的产品指标、性能也不尽相同,给监控系统的实现增加了难度。
  1.3相关接口多被控设备的多样性以及所属专业的相对独立,形成了如供电监控、充电监控、安全防护监控、换电监控、设备管理等多个不同的子系统,因此需要考虑将它们整合起来实现协同综合监控。系统体系接口标准、通信协议参照IEC及其它国际标准,以便能实现与第三方智能设备的互操作,能与采用标准或开放协议的设备或系统进行集成。
  1.4功能要求特殊电动汽车充换电站监控系统侧重于安全充电管理、便捷的电池更换服务、相关设备在各种情况下的有效运行等,因此相比常规变电站,其监控系统有以下特殊性。
  充换电设施监控通信方式有CAN总线、RS~485总线、以太网、无线等。
  需要实时监视电池更换设备当前状态,并据此实时控制完成电池更换任务。
  存储充电过程历史数据、充电记录数据、电池维护记录数据。
  实现多个监控、管理子系统在同一操作平台上的融合。
  实现安全防护子系统与充电设施、配电设施监控等子系统的实时联动。
  以上特殊性对监控系统的系统构成、通信结构、系统运行可靠性等都提出了特殊的要求。
  2系统功能电动汽车充换电站监控系统主要完成对充电设备、配电设备、电池更换设备、视频及环境设备的实时监控与管理,以确保充换电设施的安全、可靠、高效运行。
  2.1充电监控单元充电监控单元主要完成采集、处理、存储充电设备的实时运行信息。
  采集并上送直流充电机、交流充电桩的工作状态、告警信号、故障信号、电压、电流、电量等实时数据;采集并上传电池箱的温度、荷电状态SOC、电压、电流、故障信号等实时数据。
  完成对充电设备的控制调节,包括遥控启停、校时、紧急停机、远方设定充电参数等。
  将空置、就位、正在充电和充满等状态指示信息送至充电架。
  完成充电事件记录,如操作、系统故障、参数异常等记录。
  完成对设备状态异常、故障、数据越限、突变,及监控系统软硬件、通信接口网络故障进行报警处理,为充换电站安全、可靠、经济运行提供保障。
  2.2电池更换监控单元电池更换监控单元主要完成对电池更换设备、电池箱、充电架的实时监控。
  根据电池箱的参数指标和充电情况,为需要更换电池的电动汽车动态选择电池成组配置方案,进而实时监控电池更换设备对每个电池箱的更换操作,以确保安全完成电池更换。
  采集并上送电池箱设备的位置、工作状态、故障信息。
  接收监控系统的启动、停止、移动、急停命令及更换电池箱位置等信息。
  完成电池更换事件记录,如操作、系统故障、参数异常等记录。
  2.3配电监控单元配电监控单元主要完成配网自动化数据采集、数据计算处理、控制操作、保护信息处理、事件报警及向上级配电调度系统转发等功能。
  采集并上送配电系统开关状态、保护信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等信控制配电系统开关的分合操作。
  处理配电系统越限报警、事件记录、故障统计等数据。
  实时监控有源滤波及无功补偿装置,设置运行参数;采集其投切前后电网谐波相关数据,了解当前电网的电能质量。
  2.4视频及环境监控单元视频及环境监控单元利用各种功能摄像机、红外对射报警探测器等,与站控层工作站配合,实现对防盗、防火、防人为事故的监控,对充电设备、电池箱、电池箱更换设备、配电设备等的监视;完成对充换电站视频及消防、门禁、周界安全的监控,当充电设备、电池箱、电池箱更换设备、配变系统或其它设备发生预定事件或异常事件时可以实时控制安全防护系统,并把现场情况传回监控室,实现安全防护联动监控,使用户能够及时响应,以确保人员与设备的安全。
  2.5运营管理子系统充换电站监控系统涉及类型众多的相关设备,对这些设备的管理、维护是监控系统不可缺少的功能。运营管理子系统主要完成配电设备、充电设备、充电架、电池、电池更换设备、电池箱、电动汽车等设备的台帐管理、运行记录、维护更换记录等。其中,充电信息管理完成整车与电池组充电记录、充电设备运行数据的存储与统计分析;电池信息管理用于存储统计电池组的型号参数、使用时间、成组记录、更换记录、维护记录等;车辆台帐信息管理用于存储统计车型配置信息、配备电池组型号参数、更换维护电池组的记录等。
  3监控系统架构3.1系统结构电动汽车充换电站监控系统从结构上可分为站控层、间隔层,如所示。
  围1系统结构图站控层由计算机网络连接的主机/操作员工作站和各种功能站构成,提供站内运行的人机界面,实现控制、管理间隔层设备等功能,完成数据的采集、处理、存储,图形化数据展示以及遥控、调控等功能,形成全站的监控、管理中心,并具有与上级监控管理系统通信的功能。
  间隔层由站内充电监控单元、电池更换监控单元、配电监控单元、视频及环境监控单元、网络、通信接口设备等构成,实现面向单元设备的原始数据采集、就地操作执行的功能;同时,还将采集到的设备运行状态及运行数据上传至站控层,并接收和执行来自站控层的控制命令。
  监控系统具备时钟同步功能,时钟同步信号输出接口应能满足系统配置要求。
  3.2网络通信结构由于电动汽车充换电设施所处环境具有特殊性,充换电站内的电磁干扰很大,因此需谨慎选择监控系统的通信方式和通信网络结构。在各设备内部主要采用现场总线或电工术丨2012丨9期丨49工业以太网通信方式,监控后台与充换电设施间采用工业以太网通信方式。
  (1)站控层网络。站控层各主机间推荐采用以太网连接。为确保通信的可靠性,站控层推荐采用双网,也可采用单网。
  站控层和间隔层间可采用星型以太网连接。间隔层推荐采用以太网连接。视频及环境监控系统应单独组网。
  监控系统与上级监控管理系统间宜采用专线或网络通道方式。
  (2)间隔层设备内部网络。充换电站监控对象主要包括保护测控设备、充电机、充电桩、堆垛设备、电池更换设备、充电架和电池箱、视频及环境监控设备等。不同类型设备内部采用的通信方式不同。
  从可知,充电机通过CAN总线与电动汽车上的BMS连接,实现电池信息与充电控制的交互通信;配电保护测控装置通过现场总线或工业以太网直接与站控层交换机连接,完成配电数据的收集、转发;数据集中器与充电桩通过现场总线通信;视频及环境监控服务器与摄像头、传感器等现场设备通过R485总线、以太网、同轴电缆等连接。
  配电监控充电设备监控电池更换监控I 1应I用Web信息发布系统设备管理视频及环境监控'层系统管理图形平台插件管理数据处理1U件服务报表服务1数据服务数据采集服务访问服务控制命令服务数据传输服务实时数据库分布式网络支撑平台支撑服务层系统平台层1主机服务器搡作员站视频及环境工作站。
  电动汽车充换电站监控系统的硬件设备有以下几部(1)站控层设备:包括主机/操作员工作站、电能计费工作站(选配)、运营管理工作站(选配)、视频及环境监控工作站及其它各项接口设备。
  (2)间隔层设备:包括充电监控单元、电池更换监控单元、配电监控单元、视频及环境监控单元等。
  络接口设备、网络连线及网络安全设备等。
  电动汽车充换电站监控系统软件按内容分为系统软件、支持软件和应用软件,按结构分为系统平台层、支撑服务层、公共服务层、应用层,如所示。
  软件体系结构围(1)系统平台层。为了适应不同地区、不同用户的要求,电动汽车充换电站监控系统需兼容Unix、Linux、Windows等多种主流操作系统,支持跨平台和混合平台操作。
  (2)支撑服务层。支撑服务层主要为系统提供实时、历史数据库服务和通用的网络通信支撑平台。网络通信支撑平台应基于标准的网络互联协议TCP/IP,以提高网络通信及异种操作系统平台数据交换的可靠性;在此基础上,提供统一的数据传输接口、数据库访问接口以及控制命令接口等,使上层的应用服务开发可以专注于业务功能S层的通信和交互细节。
  公共服务层在支撑服务层的基础上处理、事件服务、插件管理、报表E管理、权限服务等。它把各类行业E,以提高代码复用性,也为公用服I主要通过公共服务层提供的各类功网互联。间隔层包括充监控单元、视频及环境(1)运营管理系统=台气车充换电站初步方案为:由10kV:台1OOOkVA干式变压器,可满足i车的充换电需求以及2个非车载充E的直流快充和交流慢充需求。配电!、间隔层组成。站控层包括2台主电能计量计费工作站、1台视频及运营管理系统子站,它们通过以太:电监控单元、换电监控单元、配电监控单元、火灾报警系统等。,运营管理系统管理对象为电动汽IOkV进线电源I I0kV进线电源2车车载终端、电池更换设备、充电区电池箱、交流充电桩、非车载充电机等设备。此外,运营管理系统还作为体验中心内的综合管理系统,具有电池状态智能检测功能,能在充电过程中实时检测动力电池的充电参数,并给出故障电池告警,提醒用户对电池进行检测与维护,必要时进行重新配组;具备建立电池数据用户档案的功能,为电动汽车客户提供使用建议。
  运营管理系统信息通过一路光纤通道传送至电动汽车运营管理系统主站。
  电能计量计费工作站。电能计量计费工作站具备体验中心内交流充电桩、非车载充电机、电池更换服务的电能计量计费功能。它能接收交流充电桩、非车载充电机的电能计量表计及电池更换服务的电能计量模块的相关信息,并完成体验中心所需的计量计费功能。
  使用电池更换服务时,在电能计量计费工作站可按需要选择“按放电电量”或“按行驶里程”方式进行计量计费。放电电量单价(元八kWh))和车辆行驶里程单价(元/km)应以充电过程中的电价为基础,并综合考虑体验中心设施投资和运维成本。
  充电监控单元。充电监控单元提供集中充电监控人机交互界面,完成对充电机的监控和数据收集、询等工作。充电机将自身运行数据和动力电池充电数据实时传送给充电监控单元。同时,充电监控单元也可以对充电机下发启停控制及充电策略,还可将采集到的电池数据、电池充电架数据、自身运行数据上送至监控系统。
  电池更换监控单元。电池更换监控单元主要完成换电过程中的数据采集、处理、存储,提供图形化人机界面及语音报警,完成系统的数据展示及下发换电控制指令。电池更换监控单元相对独立,但需要电池存储架/电池充电架的信息支持,同时也为后台监控系统提供必要的控制和状态信息。
  系统模块。电池更换监控单元包括换电前导模块、换电业务处理模块、监控通信模块等,与监控系统交互的信息包括车辆的上次行驶里程、车辆的电子车牌、车辆装载的电池箱信息、车辆需要更换的目标电池箱信息、进站车辆、换电车辆、换电结束状态。
  数据采集。电池更换监控单元采集换电设备工作状态、故障信号、位置信息等,换电车辆上电池箱ID号和相应位置编号,电池存储架/充电架上电池箱ID号和相应位置编号,进站换电车辆车牌信息、车上装载电池箱信息,车辆上次行驶里程、剩余里程、所包总里程,电池存储架/充电架上电池箱的有无信息,一次换电过程的服务结果信息。
  换电控制。电池更换监控单元支持6种换电操作命令:从某电池存储架/充电架取下某个电池箱更换到当前停车位的指定位置;从当前停车位汽车的某个位置取下电池箱放到电池架某个指定的单元;急停指令,终止当前正在执行的指令,启动人工干涉流程;暂停指令,暂停当前正在执行的指令,直到收到继续指令后继续执行暂停的操作;继续指令,恢复当前暂停的操作;终止指令,停止当前暂停的操作,设备归位。
  配电监控单元。配电监控单元除实现对一次开关、变压器等供电设备的监控以及常规二次保护、测量、控制、信号等功能外,还能采取适当的措施进行安全处理,如当充电机失控不能停止充电时,能自动切断动力电源。其设备配置如下:保护部分。lkV配电变压器配置10kV配电变压器保护测控一体化装置,安装于10kV开关柜内;10kV进线配置10kV线路保护测控一体化装置,安装于10kV进线开关柜内;10kV分段断路器配置10kV备自投装置1台,含分段保护功能;380V配电屏配备智能模块,具有备自投功能;380V开关采用开关自带的过流保护功能。
  测控部分。配电监控单元具备遥测配电系统各间隔电流、电压等电气参数的功能,遥信开关位置、装置状态信息的功能及遥控重要开关(lkV进线开关、10kV配电变压器进线和联络线开关)的功能。
  视频及环境监控单元。视频及环境监控单元主要用于对体验中心主要电气设备、关键设备安装地点及周围环境进行全天候的图像监视,以满足电力系统安全生产需求;同时,还可实现体验中心的安全警卫。
  视频及环境监控系统具有上送远方接口,通过一路综合数据网通道接人主站。
  5结束语本文通过分析电动汽车充换电站监控系统特点,确定了该系统的充电监控单元、电池更换监控单元、配电监控单元、视频及环境监控单元、运营管理系统等部分的功能要求,进而提出了监控系统分层体系架构设计方案。本文的研究成果是在充分调研国内已经建成的杭州古翠路充换电站、薛家岛充换储放一体化示范电站、深圳大运中心电(下转第64页)电工技术1201219期151技术交流号,备自投逻辑完成。
  (4)若3QF和4QF跳闸、切其它设备、备用电源合闸命令发出5s后断路器仍未动作,则终止备自投逻辑,备自投装置放电,发出“备自投失败”信号。
  2备自投装置动作逻辑分析深圳电网一般是1QF、3QF在分位,2QF、4QF、5QF在合位,不满足I母有效进线在分位的备自投装置充电条件,备自投装置无法进行充电,设计存在缺陷。即ISA-358GE型llOkV备自投装置程序固定设置为来自两个不同电源点的进线分挂在不同的母线段,而深圳电网典型变电站为同一个电源的两回进线分挂I、n母的一次接线,因此无法实现进线备投逻辑。
  3备自投装置动作逻辑的改进措施3.1调整二次接线通过调整二次(如所示),使装置的接线形式符合备自滕作逻辑。腿种得二次接线与一次实际接线不对应,造取电压与母线电压对应关系紊乱,分段备自投装置不能正确动作,因此,这种方法行不通。
  深n线深I线圳丨线圳n线人为调怂的一次接线。2主供电源自动识别通过主供电源自动识别实现更为灵活的备投方式,即在主供电源跳开,本站母线失压的情况下,将原处在分位且有压的其它线路全部合上。但这种方法可能造成两个电源电磁环网,如深I线单线供电,在其跳闸失压后,备自投装置将同时合上深线及圳I线、圳线,从而使两个电源合环,因此,这种方法也行不通。
  3.3配置控制字识别主备供电源通过配置运行方式控制字及合闸方式控制字来识别主供电源与备用电源,并控制备自投装置的动作合闸方式。
  控制字列表见表U表1控制字列表运行方式1合闸方式11至少有一个合位时启动该策略,即母线失压,备自投装置满足充电条件前提下,装置将跳开2QF、4QF,并只允许1QF、3QF(圳I线、圳线)合闸。若有旁路,则可增设旁路位置控制字,如置“1行为,并增设旁路位置控制字来保证旁路代路时装置动作正确。
  4结束语这次的产品原理性缺陷是因程序开发人员不熟悉电网一次方式,程序设计逻辑不符合电网真实运行方式造成的。但装置异常在巡站时才发现,这也反映出现场验收时仅按照装置说明书,而没有结合电网的实际运行方式进行调试。所以,对于备自投装置,应在技术协议、设计、整定中尽量将各种可能发生的情况都考虑在内,并加强备自投装置的调试管理工作,模拟现场进行检验,最好能在投运前带开关进行传动试验。
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