电动汽车充电变电站设计方案

一.项目概况

太阳能电动汽车快速充电站，是以太阳能发电作为电力来源的一个电源系统，本项目的设计充分考虑了现阶段电动汽车的市场情况以及充电站建设地点和综合功能，计划在原立项报告初步设计方案的基础上增加新的设计内容，力争使项目完成后实用性更强、研究内容更全面。

二. 设计依据

太阳能电动汽车快速充电站所依据的标准

1总体设计概述

    国家发展汽车工业发展规划的电动汽车基本是指能够进行远途运行的电动轿车和电动大巴车。此类电动汽车具有充电后行驶里程长，和具有能够进行快速充电的能力。因此，本方案的设计主要针对这两种车型而进行。根据电动汽车蓄电池的充电特性，本方案在设计充电桩时将按照快充和慢充两种方式进行。考虑到由于现阶段电动汽车的普及速度还不是很快，充电站的负荷率不可能达到最大，而是逐步缓慢上升，为充分利用太阳能资源，减少不必要的能源浪费，在充电站的设计中采用了将太阳能多发的电能并入电网的并网发电方式，同时为系统还设计成在大电网停电时能够继续向局部电网供电，因此，本项目在设计上将体现出一个微网的概念。系统结构设计如下图。

充电站以太阳能电源作为主电源，电网作为备用电源，正常工作时，太阳能电池组件阵列所发的电能通过双向并网逆变装置充入蓄电池组，同时，蓄电池中的电能通过交流/直流电源控制器为充电设备提供电源。正常状态下交流/直流电源控制器将切入蓄电池的直流电为充电设备供电，当蓄电池亏电后切入交流电源为充电设备供电。当蓄电池满充后，太阳能光伏组件方阵所发出的电能通过双向逆变装置并入交流电网低压侧。当电网一旦发生断电后，蓄电池中的电能将通过双向逆变装置逆变后并入电网低压侧。

充电站按照为大巴车和小轿车两和车型的充电作为主要的设计，两种车型和配置大电流快速充电桩一套和低速率充电桩2套，同时为方便自带充电机的电动车充电，系统配置了4套交流充电。

2.系统主电路设计

系统的供电电源有三种：电网、太阳能光伏电池和蓄电池，电网供电回路直接取自10KV配电网，通过变压器降至380V后提供给系统交流工作电源；太阳能电池供电回路主要由太阳能电池组件阵列和双向逆变器构成，蓄电池供电回路直接接至蓄电池。系统主电路如下图所示。

3．交流供电设计

充电站的交流供电电源直接引自10KV配电网，系统设置一台10KV变压器将配电网的10KV高压交流电转换成380V交流电供充电设备使用。10KV设备采用户外部置，也可采用箱变结构设置。初步设计将充电站总用电量计量装置设置在低压侧，最终设置按最终电力部门要求进行设计。交流供电部分主要电气设备配置如下：

4.1变压器

变压器选用S10型双绕组环氧树脂封装干式变压器，其主要参数如下。

直空断路器选用ZW32-12型户外柱上高压真空断路器，该设备主要用于配电网开断、关合电力系统中的负荷电流、过载电流及短路电流。

使用的环境条件

●海拔高度不超过2000米

●周围空气温度：-45℃～+40℃

●风速不大于35m/s

●污秽等级：Ⅳ级

●安装场所：无易燃物、爆炸危险、化学腐蚀的场所

●地震强度不超过8级

主要特点

●断路器采用三相支柱式结构，具有开断性能稳定可靠、无燃烧和爆炸危险、免维护、体积小、重量轻和使用寿命长等特点。

●断路器采用全封闭结构，密封性能好，有助于提高防潮、防凝露性能，适应于高温潮湿地区使用。

●三相支柱及电流互感器采用进口户外环氧树脂固体绝缘，具有耐高低温、耐紫外线、耐老化的特点。

●操作机构采用小型化弹簧操作机构，分合闸能耗低；机构传动采用直动传动方式，分合闸部件小，可靠性高。操作机构置于密封的机构箱中，解决了机构锈蚀的问题，提高了机构的可靠性。

●断路器的分合闸操作可采用手动或电动操作及远方操作。可与控制器配套实现配电自动化，也可与重合器控制器配合组成重合器。

●断路器可以装设二相或三相CT,供过电流自动脱扣保护和智能控制器进行信息分析。

●断路器重量100KG左右。

主要技术参数

GW4-12/200户外高压隔离开关适用于三相交流50Hz、35KV的电力系统中，作为有电压无负荷情况下，分断与闭合电路的开关设备使用。

使用环境条件

◆海拔高度1000～3000m；

◆环境温度不高于+40℃，不低于-30℃（高寒地区不低于-40℃）；

◆风压不超过700Pa（相当于风速34m/s）；

◆地震烈度不超过8度；

◆覆冰厚度不大于10mm； 

◆安装场所应无易燃、易爆危险品、化学腐蚀及剧烈振动；

◆支柱绝缘子污秽等级：普通型为0级、防污型为Ⅱ级。 

技术参数：

5.1设计概述

光伏发电直流供电部分主要包括光伏发电系统、储能系统和电源控制系统，各系统间通过相关的运行状态检测系统进行协调，合理地调配电能，进行各运行方式的转换控制。

光伏发电直流供电系统主要包括光伏电池组件阵列、蓄电池组及双向并网逆变装置，光伏电池组件阵列设计功率为30KW，安装于充电站构筑物顶部。储能系统的容量按照等同于日均发电量进行配置，采用单体容量为300Ah的铅酸蓄电池，系统设计的主供电方式为太阳能供电。为节省直流充电设备的投入，在充电设备的选型设计方面兼顾了交流和直流的通用性，采用270节进行串联组成电压为540V的蓄电池组，蓄电池组总容量为162KWh，可用容量为120KWh。电源控制系统包括光伏充电控制器、光伏并网逆变器及交流充电机。光伏充电控制器主要完成光伏阵列对蓄电池的充电控制。光伏并网逆变器主要是在蓄电池充电回路停止工作后将太阳能光伏电池组件转换的电能并入电网。交流充电机在系统中主要是防止在连续较长无光照日发生时蓄电池的亏电。

5.2主要电气设备配置

5.3.1光伏电池组件

6.1设计概述

充电站设置交流充电桩和直流充电桩，交流充电桩主要为自带充电机的电动车进行充电，因此只提供一个电源接口，不进行充电过程的控制，充电站暂设置6个交流充电桩。直流充电桩分别按照大巴车和小轿车两类车型充电设置，两类车型都设有一个快速充电和二个低速充电两种充电桩。充电桩的充电电压可根据每种车所配置蓄电池不同，在一定范围内可进行设置。充电桩上设置有充电显示装置，用来显示充电电压、充电电流、充电时间、充电量、单位价格总价格等必要的信息。充电桩系统主要电气设备配置如下：

6.2.1充电机

用于电动车固定式中型充电站的电动车充电电源，可以通过模块并联冗余的形式进行系统容量的扩展。通过CAN总线和电池巡检或车载仪表连接，根据电池巡检的给定参数运行，可设定不同的充电运行模式。充电机是充电站核心设备，具有以下特点：

●电源系统和充电管理系统分屏设置，由充电管理系统实现对电动车充电的管理、计费和相应的电池状态检测。采用智能化控制，可实时提供充电器的运行参数和诊断信息。 

●模块化：高频整流模块冗余备份运行，均流度高，通过长时间短路试验和高温老化，可工作于有微机监控器和无微机监控器两种模式，采用成熟的技术和工艺，可靠性高。 

●智能化控制：模块输出提供调压口、调流口、电压电流反馈模拟信号、外部开关机口等等；可根据蓄电池容量根据监控器给定信号连续设定限流点，根据电池品种连续设定均充、浮充电压。均、浮充充电模式自动转换。

●兼容交流和直流两种方式输入，当应用于光伏发电的直流电源系统时，不需要进行逆变转换，可直接接入直流电源。

●输入功率因数高，电磁兼容性能好：交流输入采用三相有源功率因数校正技术，输入功率因数高达0.99，输入电流畸变率小于5％。 

●采用谐振软开关技术，转换效率高，体积小，整机的峰值效率高达93％以上。 

●输出可长时间短路工作，短路电流恒定为系统最大输出电流。 

●输出直流电压及电流调节范围宽，可以适用于不同电压等级的蓄电池。 

●保护齐全：交流电压过高、过低保护；输出过压/欠压、过流保护、温度过高保护、过载保护、蓄电池反接保护、电流冲击浪涌保护。 

技术指标：

6.3.1技术要求

（1）满足《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》、《电动汽车充电设施建设典型设计》中对交流充电装置技术指标的要求； 

（2）交流充电桩采用单桩单充式结构，每个充电接口提供AC220V/10kW的交流供电能力；

（3）具备对充电桩运行状态的综合测控保护能力如运行状态监测、故障状态监测、充电计量和充电过程的联动控制、短路保护、过流保护等；

（4）设置指示灯、数码管显示器或触摸屏，显示运行状态；

（5）设置急停开关、操作按键等必需的操作接口；

（6）预留交流三相四线电子式多功能电能表的表位，进行交流充电计量；

（7）设置刷卡机，支持IC卡付费方式，并配置打印机，提供票据打印功能；

（8）具备过/欠压报警、充电接口的连接状态判断、联锁等功能；

（9）提供完善的通讯功能，采用GPRS及以太网接口，可根据需要上传交流充电桩的运行状态参数，接受远程控制命令。

6.3.2充电桩人机界面

人机界面采用液晶触摸屏方式，尺寸为5.7吋，显示信息丰富，界面友好

6.3.3充电桩状态指示

    故障指示灯：设置1个红灯，是故障信号总的指示灯，指示的故障包括联锁失败、过流、过压、欠压、失电、断路器跳闸(短路、漏电)、打印机故障(无纸和故障)、刷卡机故障；

运行状态指示灯：设置1个绿灯，绿灯闪烁指示在充电状态，绿灯常亮指示充电完成或空闲状态；

指示灯采用LED灯带的方式，设置在充电桩的顶部；

背光照明指示灯： 光控方式，采用光控开关，天黑后自动点亮，安装在透光板后部。

6.3.4充电桩保护功能

具有漏电保护、短路保护、过流、过压、欠压保护等保护功能。

除短路和漏电保护外，其它保护功能通过充电控制器控制接触器实现，以实现自恢复；短路和漏电保护选用带漏电保护的微型断路器实现。

6.3.5计量计费功能

电度表配置：

每个充电桩预留电子式多功能电度表表位，电度表选0.5级，单相10-40A；充电桩控制器与智能电度表进行通信（RS485）。

刷卡方式：

    吞卡式或非接触刷卡式。 

充电方式：

按充电计费方式，共可分如下几种：

1) 按电量充电

2) 按时间长短充电

3) 充满为止

4) 按金额充

按充电启动方式划分，有以下两种方式

1) 即到即充

2) 定时充电

充电计费过程：

1）.充电客户可在就近营业网点租用充值卡，在卡内预存充电金额。（可考虑收取充值卡押金）

2）.充电前将卡插入充电桩读卡器，充电桩读取卡信息，进入操作界面，进入操作界面后，提示用户接上充电接头，充电桩读取卡内余额，作为充电参考，设置好参数后，卡被锁定（只有充电结束后，在本充电桩上再次刷卡结算后，该卡才能再次在其他充电桩上使用），充电接口机械锁定。

3）.开始充电，充电桩将提示将卡取走，充电桩进入充电状态，禁止任何操作，只有再次插入启动该次充电的卡才能进行操作。

4）.用户将卡插入充电桩读卡器，此时，可以查询充电状态，或者手动结束充电，充电桩将费用从卡内扣除，解除对该卡的锁定，解除对充电接口的机械锁定。

5）.充电结束后，客户可将充值卡在就近营业网点办理退费手续，退还卡内余额及充值卡押金。

结算系统：

    包括结算系统、结算设备、售卡/充值系统等。

6.3.6通讯功能

通过CAN通许方式与充电站监控后台通讯，提供充电桩的工作状态等信息；通过RS485与计量计费系统通讯，提供充电信息。

6.3.7打印功能

可选用串口热敏式打印机或针式打印机，以实现打印功能。

6.3.8急停按钮

具备急停按钮，以便在紧急情况时能够强行终止充电。急停按钮外部加防护罩，只有破坏防护罩才能按下急停按钮，防止误操作和人为破坏。

6.3.9标识系统

交流充电桩整体形象应满足国家电网公司标识系统的一般要求。应有明显的发光指示，确保夜间使用易于查找和辨别。并配备户外遮雨设施。

6.4监控系统配置

充电数据采集：

采集充电机工作状态、故障信号、功率、电压、电流等；

采集电池组温度、SOC、端电压、电流、电池连接状态、电池故障信号等；

充电机控制调节：

系统可以向充电机下发控制命令，遥控充电机起停、校时、紧急停机、远方设定充电参数等；

系统可以按照预定策略选择定时、定额等方式对电动汽车充电进行控制管理；

数据处理与存储：

具备充电机系统的越限报警、故障统计等数据处理功能；

系统对充电站内数据根据性质、重要性进行分类，当数据量大时，可以根据预定策略，保证重要信息的优先实时上送；

系统具备对充电机和电池组遥测、遥信、报警事件等实时数据和历史数据的集中存储和查询功能。

充电机接入与转发：

系统支持CAN、RS232、RS485以及工业以太网等方式与各个充电机、BMS系统通信，获取实时数据，进行实时监控；

向上级监控转发：

系统具备向上级监控中心转发数据功能，能够通过以太网、串口、GPRS等通信方式与上级监控系统通信；

用电信息采集接口：

具备用电信息采集接口，支持DL/T698.1-2009、负控2005等用电信息采集相关通讯规约。

具备计费系统接口，可以与营销系统连接，获取并为计量计费提供实时电价等信息；

充电事件记录：

具备充电机启停操作记录、充电机故障记录、充电运行参数异常记录、电池组参数异常记录等功能；

可以对充电机状态变位、输出电压、电流越限、电池组故障、充电机启停操作等事件按时间、类型、充电装置等分类显示，并给出相应的告警信息。 

图形化操作界面：

系统可以显示充电数据实时/历史曲线图、棒图、系统运行工况图（包括充电机运行状态、通道状态）、实时数据表格等不同种类的画面；

图形界面支持多窗口显示，画面可进行无级缩放、平滑移动，具备导航功能；

系统提供图形化方式实现充电机及电池组数据的实时监控功能；

系统提供图形化操作完成充电机的各种遥控操作。

图形系统支持以SVG标准格式实现与上级系统图形数据文件的交互；

报警处理：

可以为充电机操作及其异常信息提供图形、文字、语音等报警方式与相应的报警处理功能。

充电信息管理：

存储并统计分析车辆充电及运行相关数据，包括充电次数、充电起止时间、充电电量等。

记录分析动力电池组及电池单体每次充电的相关充电数据，包括充电电流电压变化曲线，电池组温度，SOC等。

车辆及电池组台帐管理：

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信息。

电池组台帐信息管理，用于存储统计电池组的型号参数、使用时间、维护记录等信息。

充电设施智能负荷：

系统根据充电设施的最大容量，当站内用电负荷超过设定定值时告警，并可依据预定策略闭锁充电机，降低充电机功率，确保充电设施的安全运行；

当充电设施用电负荷达到单台配变容量时，自动下发闭锁命令，闭锁备自投，当负荷下降至解锁门槛时，撤销闭锁。

操作权限管理：

系统提供权限分级，对不同的用户设定不同的充电机操作权限。

报表管理与打印：

系统提供报表系统，用户可以方便地定义各类充电机数据报表，并具有定时/召唤打印等功能。

系统可扩展性：

系统具备较强的扩展能力，可以完成不同类型充电机的接入；

系统具备较强的可伸缩性，可以满足充电设施规模的不断扩容的要求；

安防系统联动：

系统具备与安防系统联动的功能，当站内充电机、配变系统发生预定事件或异常事件时可以实时控制安防系统，把现场情况实时传送回监控室。

6.5计量计费系统

计量计费系统主要由计量部分和计费部分组成，计量部分由关口电表、直流电表、交流电表(含三相表与单相表)以及充电站计量管理机组成；计费部分主要由计费工作站与服务器组成。

充电站内由用电采集终端负责采集各个关口电表、直流电表、交流电表的实时电量信息，通过本地工业以太网与计费工作站通讯，将整个充电站的总电量、各充电机的每次充电电量传送到后台进行处理，并把电量和计费信息存储到数据库服务器中；通过充电站计量管理机完成与用电信息采集系统或上级监控中心的通信，确保上级系统能够实时获取充电站内的电量信息。

6.5.1计量方式

网供计量：

参照电气主接线图，在电源侧设置专用计量装置（10kV或0.4kV侧设置一套专用计量装置，计量点按电力部门的要求确定。

直流充电机计量：

安装直流电能表，对充电过程进行计量，并将计量信息传递给充电机和用电采集终端，用于后台计费系统计算、存储以及充电桩人机接口的显示；在直流充电机交流侧设置交流电能表，通过RS485/CAN等通讯方式将计量信息传递给用电采集终端，在数据库中保存每个充电机的计量数据。

交流充电桩计量：

安装交流电能表，通过RS485/CAN等通讯方式将计量信息传递给充电机和用电采集终端，用于后台计费系统计算、存储以及充电桩人机接口的显示。

5.5.2计费方式：

由计费软件根据充电电价及计量部分采集到的电量信息实时计算出计费金额。

6.4.3系统功能

对时功能：

(1)终端对时：系统可以自动或手工进行时钟召测或对终端设备进行对时，可自定义最大和最小对时阀值，当时钟偏差在最大和最小对时阀值之间时，系统可自动对终端设备对时，当时钟偏差大于最大对时阀值时，系统可进行时钟偏差告警，当时钟偏差小于最小对时阀值时，系统不对终端设备进行对时。

(2)电表校时：系统可以自动或手工进行时钟召测或对电能表进行校时。

运行状况管理：

(1)系统自动检测终端、电能表以及通信信道等运行情况，记录故障发生时间、故障现象等信息，并建立相应的维护记录。

(2)系统可以以图形方式实时显示选择检测的终端、电表的运行情况。

(3)终端、电能表发生参数变更、时钟超差或电能表故障等状况时，按事件记录要求记录发生的时间和异常数据。

数据查询：

(1)系统支持按照充电机、时段等查询计量点的实时数据、历史日数据、历史月数据等。

(2)系统支持表格、图形（曲线、棒图）等多种展现形式。

电能量统计功能：

(1)电能量曲线数据统计：当完成电能量示数曲线的入库后，根据电能量示数曲线计算电能量曲线，并在数据库中进行存储。当发现电能量示数曲线或电能量曲线异常时，生成相关的告警事件。

(2)日电能量统计（总、各费率）：当完成日电能量（总、各费率）示值入库后，根据日电能量示值（总、各费率）计算日总电能量（总、各费率）。当发现电能量示值或电能量数据异常时，生成相关的告警事件。

(3)月电能量统计（总、各费率）：当完成月电能量（总、各费率）示值入库后，根据月电能量示值（总、各费率）计算月总电能量（总、各费率）。当发现电能量示值或电能量数据异常时，生成相关的告警事件。

(4)用电量汇总

用电量汇总包括以下统计汇总项目:

1)总用电量汇总统计

按照时间要素（日、月、年、任意时段）将计算对象（全站、充电机等）统计总电能量。

2)费率时段电量汇总统计

按照时间要素（日、月、年、任意时段）将计算对象（全站、充电机等）统计各费率时段电能量，并统计各费率时段电能量的比重。

3)总用电量统计分布

按照时间要素（日、月、年、任意时段）将计算对象（全站、充电机等）统计总电能量中各个计算分量的分布情况。

4)费率时段电量统计分布

按照时间要素（日、月、年、任意时段）将计算对象（全站、充电机等）统计各费率时段电能量中各个计算分量的分布情况。

用电量汇总通过自定义计算公式，由计算公式的统计功能实现。

充电控制联动功能：

(1)按电量充电：充电机给电动汽车充电时预先设置充电电量，计量系统实时采集该汽车充电电量，当充电电量达到预先设定的数值时，充电机切断输出电源，停止本次充电过程。

(2)按金额充电：充电机给电动汽车充电时预先设置本次充电所用金额，计量系统实时采集该汽车充电电量并通过不同时段费率计算出电费，当充电电量的费用达到预先设定的数值时，充电机切断输出电源，停止本次充电过程。

7.主要设备一缆表