引言
隨著新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)并運(yùn)營(yíng)了大量的電動(dòng)汽車(chē)充電站。電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變作為充電樁的電源供應(yīng)點(diǎn)，其運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。目前，大多電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變低壓開(kāi)關(guān)出線(xiàn)回路未采取任何監(jiān)測(cè)手段，存在管理盲點(diǎn)和安全隱患。充電站處于24h不停機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，低壓充電樁線(xiàn)路一直持續(xù)帶電運(yùn)行，線(xiàn)路老化、接頭松動(dòng)、絕緣受損等都會(huì)造成電氣回路打火、短路等故 障，極易引發(fā)電氣火災(zāi)。電纜溫度、剩余電流、故障電弧 探測(cè)是目前電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測(cè)的主要手段。我國(guó)對(duì) 電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)告警建立了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，與之對(duì)應(yīng)的主要產(chǎn)品技術(shù)形態(tài)為組合式電氣火災(zāi)探測(cè)器和故障電弧探測(cè)器。當(dāng)故障電弧產(chǎn)生時(shí)，其中心溫度高達(dá)3000至4000℃，甚至超過(guò)5000℃，并伴有金屬熔化物噴濺，極易引燃線(xiàn) 路絕緣層而導(dǎo)致線(xiàn)路起火。如果在故障點(diǎn)附近存在可燃 物，也極易引燃而導(dǎo)致火災(zāi)。故障電弧探測(cè)是電氣火災(zāi)監(jiān) 測(cè)的重要組成部分，越來(lái)越受到業(yè)界的關(guān)注[4-7]。目前市 面上的組合式電氣火災(zāi)探測(cè)器和故障電弧探測(cè)器是兩個(gè)不 同的產(chǎn)品，在實(shí)際工程實(shí)踐中存在安裝不便、占用空間大、組網(wǎng)困難、施工麻煩等情況。
近年來(lái)，隨著智慧消防平臺(tái)的建設(shè)，對(duì)電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測(cè)設(shè)備也提出了物聯(lián)化要求[8]。為此，本文提出了一種適用于電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變電氣安全物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)新型電氣安全智能感知設(shè)備，通過(guò)單一設(shè)備實(shí)現(xiàn)低壓電氣回路電氣火災(zāi)多要素監(jiān)測(cè)，包括電壓、電 流、電纜溫度、剩余電流、故障電弧、短路電流等。監(jiān)測(cè) 設(shè)備接入通信網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)檢測(cè)平臺(tái)。
系統(tǒng)構(gòu)成
如圖1所示，系統(tǒng)由邊緣感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和 應(yīng)用層組成。其中邊緣感知層包括電氣安全智能感知設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)。電氣安全智能感知設(shè)備安裝在箱變低壓配 電回路上，通過(guò)RS-485總線(xiàn)和通信網(wǎng)關(guān)連接。通信網(wǎng)關(guān)支持4G通信，經(jīng)數(shù)據(jù)加密后接入電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)電氣安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和處理。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了電氣安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)、告警、統(tǒng)計(jì)、工單等功能，展現(xiàn)方式包括大屏幕、Web應(yīng)用、微信小程序等。
邊緣感知層設(shè)備
1電氣安全智能感知設(shè)備
1.1工作原理
如圖2所示，電氣安全智能感知設(shè)備接入充電站箱變 低壓充電樁回路的三相電壓、三相電流、剩余電流、ABCN四線(xiàn)溫度。本文開(kāi)發(fā)的電氣安全智能感知設(shè)備基于 高頻電流采樣數(shù)據(jù)，建立電弧故障時(shí)電流暫態(tài)物理模型,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)電流時(shí)序采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別，判別故障電弧事件。和市面上現(xiàn)有故障電弧探測(cè)器產(chǎn)品相比，該裝置通過(guò)常規(guī)的外置電流互感器電流采樣實(shí)現(xiàn)故障電弧識(shí)別，和一次電流規(guī)格無(wú)關(guān)；支持三相故障電弧判別，提供故障電弧波形記錄功能；通過(guò)對(duì)短路波形的特征判斷，提供短路故障電流判斷與告警功能，同時(shí)也提供短 路電流動(dòng)作波形記錄，為事故分析提供依據(jù)，為責(zé)任認(rèn)定提供證據(jù)；還提供常規(guī)的組合式電氣火災(zāi)探測(cè)器功能，包括回路電流、溫度、剩余電流監(jiān)測(cè)預(yù)警。
1.2組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中往往需對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站箱變多個(gè)三相低壓配電回路實(shí)現(xiàn)電氣安全監(jiān)測(cè)。采取常規(guī)方案時(shí)一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)回路，每個(gè)設(shè)備都需要連接供電電源、RS-485通信線(xiàn)等，接線(xiàn)量多，容易出錯(cuò)。同時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)備體積大，開(kāi)關(guān)柜安裝空間受時(shí)間限制安裝不便。如圖3和圖4所示，本文設(shè)計(jì)的電氣安全智能感知設(shè)備采取組合式結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)。感知設(shè)備由一個(gè)供電模塊、多個(gè)監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成。一個(gè)監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)一個(gè)三相回路或三個(gè)單相回路電氣安全多要素監(jiān)測(cè)，模塊與模塊之間通過(guò)插件式總線(xiàn)連接，總線(xiàn)提供了設(shè)備之間的供電和通信連接。設(shè)備通過(guò)一個(gè)集中 的供電通信模塊接入外部電源，并對(duì)外提供通信接口，設(shè)備之間無(wú)需再連接電源線(xiàn)和通信線(xiàn)。電氣安全智能感知模塊僅有1P空氣開(kāi)關(guān)大小，寬為18mm，采取35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，安裝簡(jiǎn)單、方便。
圖3電氣安全智能感知設(shè)備組合
1.3通信組網(wǎng)
如圖5所示，電氣安全感知模塊通過(guò)插接式通信總線(xiàn) 接入供電通信模塊，通信總線(xiàn)為RS-485。供電通信模塊匯總數(shù)據(jù)后，通過(guò)RS-485通信接口接入通信網(wǎng)關(guān)。通信網(wǎng)關(guān)可提供多個(gè)串口，接入多組智能感知設(shè)備。通信網(wǎng)關(guān)對(duì)外提供4G通信接口，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。
1.4帶電安裝
為了方便施工，本文設(shè)計(jì)的電氣安全智能感知模塊采用了開(kāi)啟式電流互感器和開(kāi)啟式剩余電流互感器作為電流輸入元件。施工時(shí)無(wú)需開(kāi)斷主回路，可帶電安裝，從而大大減輕了現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量，縮短安裝時(shí)間，且對(duì)主回路沒(méi)有任何影響，確保充電站系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性。
通信網(wǎng)關(guān)
通信網(wǎng)關(guān)由中央處理器模塊、模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、液晶、鍵盤(pán)及多種通信接口模塊組成，如圖6所示。裝置提供三個(gè)RS-485接口，用于接入電氣安全智能感知 模塊，最多支持96個(gè)模塊。裝置支持LoRa通信接口，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式接入采集設(shè)備。裝置提供4G Cat.1通信接口，向監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。裝置模擬量輸入部分提供一路溫濕度采集和一路4-20mA模擬量采集，開(kāi)關(guān)量輸入部分提供三路開(kāi)關(guān)量采集。
安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
1.概述
Acre1-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，是根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)由安科瑞電氣股份有限公司研發(fā)的全數(shù)字化獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，已通過(guò)國(guó)家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的消防電子產(chǎn)品試驗(yàn)認(rèn)證，并且均通過(guò)嚴(yán)格的EMC電磁兼容試驗(yàn)，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運(yùn)行，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國(guó)得到廣泛地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)剩余電流、過(guò)電流、過(guò)電壓、溫度和故障電弧等信號(hào)的采集與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣火災(zāi)的早期預(yù)防和報(bào)警，當(dāng)必要時(shí)還能聯(lián)動(dòng)切除被檢測(cè)到剩余電流、溫度和故障電弧等超標(biāo)的配電回路;并根據(jù)用戶(hù)的需求，還可以滿(mǎn)足與AcreI EMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺(tái)或火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。
2.應(yīng)用場(chǎng)合
適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國(guó)家重點(diǎn)消防單位以及石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領(lǐng)域。
3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.系統(tǒng)功能
監(jiān)控設(shè)備能接收多臺(tái)探測(cè)器的剩余電流、溫度信息，報(bào)警時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)設(shè)備上紅色“報(bào)警"指示燈亮，顯示屏指示報(bào)警部位及報(bào)警類(lèi)型，記錄報(bào)警時(shí)間，聲光報(bào)警一直保持，直至按設(shè)備的“復(fù)位"按鈕或觸摸屏的“復(fù)位"按鍵遠(yuǎn)程對(duì)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對(duì)于聲音報(bào)警信號(hào)也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動(dòng)消除。
當(dāng)被監(jiān)測(cè)回路報(bào)警時(shí)，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護(hù)電路或其他設(shè)備，當(dāng)報(bào)警消除后，控制輸出繼電器釋放。
通訊故障報(bào)警：當(dāng)監(jiān)控設(shè)備與所接的任一臺(tái)探測(cè)器之間發(fā)生通訊故障或探測(cè)器本身發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控畫(huà)面中相應(yīng)的探測(cè)器顯示故障提示，同時(shí)設(shè)備上的黃色“故障"指示燈亮，并發(fā)出故障報(bào)警聲音。電源故障報(bào)警：當(dāng)主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控設(shè)備也發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并顯示故障信息，可進(jìn)入相應(yīng)的界面查看詳細(xì)信息并可解除報(bào)警聲響。
當(dāng)發(fā)生剩余電流、超溫報(bào)警或通訊、電源故障時(shí)，將報(bào)警部位、故障信息、報(bào)警時(shí)間等信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)報(bào)警解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢(xún)方法。
5.配置方案
工程應(yīng)用案例
在上海市電力公司青浦供電公司管轄范圍內(nèi)的意邦充 電站、國(guó)家會(huì)展中心充電站、長(zhǎng)三角水鄉(xiāng)會(huì)客廳充電站箱 變安裝了電氣安全智能感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)充電站箱變低壓配 電回路電氣安全實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖８所示。系 統(tǒng)運(yùn)行期間，多次發(fā)現(xiàn)了運(yùn)行中存在電纜超溫、剩余電流 越限、故障電弧安全隱患缺陷。運(yùn)維部門(mén)根據(jù)系統(tǒng)告警提 示及時(shí)進(jìn)行了檢修，消除了安全隱患，避免了事故擴(kuò)大。
結(jié)語(yǔ)
采取有效技術(shù)手段防止電氣火災(zāi)發(fā)生是電動(dòng)汽車(chē)充電站運(yùn)行管理的重要工作內(nèi)容。針對(duì)現(xiàn)有電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測(cè)設(shè)備存在的功能簡(jiǎn)單、體積大、安裝不便等問(wèn)題，本文提出了電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)電氣安全智能感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)引發(fā)電氣火災(zāi)的多種要素的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)感知和告警，且安裝簡(jiǎn)單方便，擴(kuò)展性強(qiáng)。應(yīng)用實(shí)例表明，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)充電站電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效提升電動(dòng)汽車(chē)充電站電氣安全監(jiān)測(cè)水平，避免電氣火災(zāi)發(fā)生，提升充電站運(yùn)行可靠性。
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