浅谈电动汽车充电站箱变电气安全物联监测系统设计与应用

摘 要:基于物联网技术架构提出了一种适用于电动汽车充电站箱变的电气安全物联监测系统设计方案。该系统由电气安全智能感知设备、通信网关、电气安全物联网监测平台等构成，可支持充电站箱变充电桩出线回路电流、电缆 温度、剩余电流、故障电弧ª、短路电流等数据采集监测，并通过4G网络上送数据到电气安全物联网在线监测平台。根据此设计方案开发了电气安全智能感知设备、通信网关和系统软件。工程实践情况表明，系统可有效识别电动汽车充电站箱变低压线路电气火灾安全隐患，能为运维部门快速检修提供决策依据，避免火灾事故发生。

关键词:电动汽车充电站;电气火灾;故障电弧;物联网

引言

  随着新能源汽车产业的发展，国家电网公司建设并运营了大量的电动汽车充电站。电动汽车充电站箱变作为充电桩的电源供应点，其运行可靠性至关重要。目前，大多电动汽车充电站箱变低压开关出线回路未采取任何监测手段，存在管理盲点和安全隐患。充电站处于24h不停机运行状态，低压充电桩线路一直持续带电运行，线路老化、接头松动、绝缘受损等都会造成电气回路打火、短路等故 障，极易引发电气火灾。电缆温度、剩余电流、故障电弧 探测是目前电气火灾和电气安全监测的主要手段。我国对 电气火灾监测告警建立了国家标准[1-3]，与之对应的主要产品技术形态为组合式电气火灾探测器和故障电弧探测器。当故障电弧产生时，其中心温度高达3000至4000℃，甚至超过5000℃，并伴有金属熔化物喷溅，极易引燃线 路绝缘层而导致线路起火。如果在故障点附近存在可燃 物，也极易引燃而导致火灾。故障电弧探测是电气火灾监 测的重要组成部分，越来越受到业界的关注[4-7]。目前市 面上的组合式电气火灾探测器和故障电弧探测器是两个不 同的产品，在实际工程实践中存在安装不便、占用空间大、组网困难、施工麻烦等情况。

  近年来，随着智慧消防平台的建设，对电气火灾和电气安全监测设备也提出了物联化要求[8]。为此，本文提出了一种适用于电动汽车充电站箱变电气安全物联监测系统 设计方案，开发新型电气安全智能感知设备，通过单一设备实现低压电气回路电气火灾多要素监测，包括电压、电 流、电缆温度、剩余电流、故障电弧、短路电流等。监测 设备接入通信网关，并通过4G通信网络上送数据到电气安全物联网在线检测平台。

系统构成

如图1所示，系统由边缘感知层、网络层、平台层和 应用层组成。其中边缘感知层包括电气安全智能感知设备、通信网关。电气安全智能感知设备安装在箱变低压配 电回路上，通过RS-485总线和通信网关连接。通信网关支持4G通信，经数据加密后接入电气安全物联网监测平台。平台层实现电气安全监测数据实时采集、存储和处理。应用层实现了电气安全运行监测、告警、统计、工单等功能，展现方式包括大屏幕、Web应用、微信小程序等。

边缘感知层设备

1电气安全智能感知设备 

1.1工作原理

  如图2所示，电气安全智能感知设备接入充电站箱变 低压充电桩回路的三相电压、三相电流、剩余电流、ABCN四线温度。本文开发的电气安全智能感知设备基于 高频电流采样数据，建立电弧故障时电流暂态物理模型,结合机器学习方法对电流时序采样数据进行模式识别，判别故障电弧事件。和市面上现有故障电弧探测器产品相比，该装置通过常规的外置电流互感器电流采样实现故障电弧识别，和一次电流规格无关；支持三相故障电弧判别，提供故障电弧波形记录功能；通过对短路波形的特征判断，提供短路故障电流判断与告警功能，同时也提供短 路电流动作波形记录，为事故分析提供依据，为责任认定提供证据；还提供常规的组合式电气火灾探测器功能，包括回路电流、温度、剩余电流监测预警。

1.2组合式结构设计

  实际运行环境中往往需对电动汽车充电站箱变多个三相低压配电回路实现电气安全监测。采取常规方案时一个监测设备对应一个回路，每个设备都需要连接供电电源、RS-485通信线等，接线量多，容易出错。同时，监测设备体积大，开关柜安装空间受限时安装不便。如图3和图4所示，本文设计的电气安全智能感知设备采取组合式结 构设计。感知设备由一个供电模块、多个监测模块构成。一个监测模块可实现一个三相回路或三个单相回路电气安全多要素监测，模块与模块之间通过插件式总线连接，总线提供了设备之间的供电和通信连接。设备通过一个集中 的供电通信模块接入外部电源，并对外提供通信接口，设备之间无需再连接电源线和通信线。电气安全智能感知模块仅有1P空气开关大小，宽为18mm，采取35mm标准导轨式结构，安装简单、方便。

图3电气安全智能感知设备组合

1.3通信组网

 如图5所示，电气安全感知模块通过插接式通信总线 接入供电通信模块，通信总线为RS-485。供电通信模块汇总数据后，通过RS-485通信接口接入通信网关。通信网关可提供多个串口，接入多组智能感知设备。通信网关对外提供4G通信接口，通过4G网络上送数据到电气安全物联网监测平台。

1.4带电安装

 为了方便施工，本文设计的电气安全智能感知模块采用了开启式电流互感器和开启式剩余电流互感器作为电流输入元件。施工时无需开断主回路，可带电安装，从而大大减轻了现场安装工作量，缩短安装时间，且对主回路没有任何影响，确保充电站系统运行安全可靠性。

通信网关

通信网关由中央处理器模块、模拟量输入、开关量输入、液晶、键盘及多种通信接口模块组成，如图6所示。装置提供三个RS-485接口，用于接入电气安全智能感知 模块，最多支持96个模块。装置支持LoRa通信接口，可通过无线方式接入采集设备。装置提供4G Cat.1通信接口，向监测平台发送采集到的数据。装置模拟量输入部分提供一路温湿度采集和一路4-20mA模拟量采集，开关量输入部分提供三路开关量采集。

安科瑞电气火灾监控系统

1.概述

 Acre1-6000电气火灾监控系统，是根据国家现行规范标准由安科瑞电气股份有限公司研发的全数字化独立运行的系统，已通过国家消防电子产品质量监督检验中心的消防电子产品试验认证，并且均通过严格的EMC电磁兼容试验，保证了该系列产品在低压配电系统中的安全正常运行，现均已批量生产并在全国得到广泛地应用。该系统通过对剩余电流、过电流、过电压、温度和故障电弧等信号的采集与监视，实现对电气火灾的早期预防和报警，当必要时还能联动切除被检测到剩余电流、温度和故障电弧等超标的配电回路;并根据用户的需求，还可以满足与AcreI EMS企业微电网管理云平台或火灾自动报警系统等进行数据交换和共享。

2.应用场合

适用于智能楼宇、高层公寓、宾馆、饭店、商厦、工矿企业、国家重点消防单位以及石油化工、文教卫生、金融、电信等领域。

3.系统结构

4.系统功能

监控设备能接收多台探测器的剩余电流、温度信息，报警时发出声、光报警信号，同时设备上红色“报警”指示灯亮，显示屏指示报警部位及报警类型，记录报警时间，声光报警一直保持，直至按设备的“复位”按钮或触摸屏的“复位”按键远程对探测器实现复位。对于声音报警信号也可以使用触摸屏“消声”按键手动消除。

当被监测回路报警时，控制输出继电器闭合，用于控制被保护电路或其他设备，当报警消除后，控制输出继电器释放。

通讯故障报警：当监控设备与所接的任一台探测器之间发生通讯故障或探测器本身发生故障时，监控画面中相应的探测器显示故障提示，同时设备上的黄色“故障”指示灯亮，并发出故障报警声音。电源故障报警：当主电源或备用电源发生故障时，监控设备也发出声光报警信号并显示故障信息，可进入相应的界面查看详细信息并可解除报警声响。

当发生剩余电流、超温报警或通讯、电源故障时，将报警部位、故障信息、报警时间等信息存储在数据库中，当报警解除、排除故障时，同样予以记录。历史数据提供多种便捷、快速的查询方法。

5.配置方案

工程应用案例

在上海市电力公司青浦供电公司管辖范围内的意邦充 电站、国家会展中心充电站、长三角水乡会客厅充电站箱 变安装了电气安全智能感知设备，实现充电站箱变低压配 电回路电气安全实时在线监测。现场实物如图８所示。系 统运行期间，多次发现了运行中存在电缆超温、剩余电流 越限、故障电弧安全隐患缺陷。运维部门根据系统告警提 示及时进行了检修，消除了安全隐患，避免了事故扩大。

结语

采取有效技术手段防止电气火灾发生是电动汽车充电站运行管理的重要工作内容。针对现有电气火灾和电气安全监测设备存在的功能简单、体积大、安装不便等问题，本文提出了电气安全物联网监测系统。该系统通过电气安全智能感知设备实现引发电气火灾的多种要素的统一监测感知和告警，且安装简单方便，扩展性强。应用实例表明，应用本文设计和开发的电动汽车充电站电气安全物联网监测系统，可有效提升电动汽车充电站电气安全监测水平，避免电气火灾发生，提升充电站运行可靠性。