摘要：提出光儲充一體化充電設施設計方案，該充電設施具備光伏發(fā)電、儲能、電動汽車充電等功能，對其系統主接線方案、主要設備及平面布置方案進行研究和設計。一體化充電設施采用模塊化設計，將充電樁、光伏、儲能、雨棚等主要設備設施進行整合，實現空間較大化利用；每個模塊具有完備的電能配置、視頻監(jiān)控等輔助功能，既可單獨使用，也可作為較小單元進行拼接擴展，滿足不同場地建設需求。

關鍵詞：電動汽車；充電設施；光伏發(fā)電；儲能

0引言

作為電動汽車的主要配套設施，充電設施在滿足泊車需求的同時為電動汽車提供充電服務，廣泛應用于電動汽車充電站、公共停車場中，并逐步推廣應用于商業(yè)辦公區(qū)、居住區(qū)等人口密集、汽車保有量大的區(qū)域。作為基礎配套設施，充電設施直接影響著電動汽車推廣應用效果，其設計方案的合理性及*進性有助于提高充電效率、降低電動汽車使用成本、推動汽車產業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，已成為電動汽車行業(yè)內的研究*點。

電動汽車充電設施以充電樁作為核心設備，起到控制充電電流、實現電動汽車充電的功能。充電樁是可固定安裝于地面或墻壁，為電動汽車提供電能，并具備相應測控保護功能的裝置。電動汽車充電設施中，一般將充電樁布置于車位后方或側邊，充電樁與車位、雨棚等設施分屬不同系統，沒有統一建設、生產方案。

隨著新能源技術的不斷發(fā)展，電動汽車充電設施在設計中可考慮結合太陽能光伏發(fā)電系統、儲能系統以降低設施用電成本，提高系統工作效率與供電可靠性。本文采用模塊化設計方案，將光儲系統、雨棚、充電樁、車位等關鍵要素結合成一個整體，作為具備停車、充電、發(fā)電、儲能功能的電動汽車充電設施。該充電設施整體作為一個模塊，覆蓋2個標準車位，可同時為2輛小型乘用電動汽車充電，并具備橫向、縱向擴展方式，可滿足不同場地的建設需求。

1傳統方案分析

傳統電動汽車充電設施主要由停車位、充電樁構成，部分充電設施帶有雨棚以便于雨天充電。傳統充電設施功能繁簡不一，沒有統一的設計或建設方案，主要存在以下不足。

（1）各設施獨立建設，兼容性較差。傳統戶外充電設施設計一般僅包含充電樁，布置在車位的后方或側邊，遇雨雪天氣充電接口會打濕，導致電器故障。為此，部分地區(qū)增設了擋雨棚，但各設施相對獨立，建設周期不一，會受原有場地和建筑限制，不能規(guī)劃雨棚優(yōu)化尺寸，兼容性較差。

（2）設施間缺少電氣聯系。充電樁之間、充電樁與輔助設備之間是分散連接到上級配電房低壓母線側的，不能進行統一的電氣操作，且沒有集中控制設備，因此無法監(jiān)控其工作狀態(tài)和采集相應信息。

（3）未考慮新能源和儲能建設需求。充電樁由上級配電房母線供電，用電高峰期電網承受的負荷壓力大且峰值時使用成本高。為解決此問題，部分地區(qū)考慮擴建光伏、儲能系統，但擴建過程中往往遇到改造成本大、擴建光伏容量無法滿足充電需求、需拆除或重建雨棚等問題。

本文提出的設計方案充分考慮了以上問題，同步考慮充電、光伏發(fā)電、儲能等建設需求，將各類設備緊密結合，構成一體化充電設施。

2系統配置與運行方式

一體化充電設施所含主要設備包括戶外匯流箱1面、7kw充電樁2個、光儲并網逆變器1臺、雨棚1座。雨棚頂鋪設光伏電池板，結合充電樁容量需求與雨棚面積，布置光伏組件容量共計7.3kwp，配套建設蓄電池14kwh。雨棚內安裝視頻攝像頭1只，用于充電設施安防監(jiān)控。

以一體化充電設施與上級電源能量交換較小為運行控制原則。夜間，電網處于負荷低谷，電價較為便宜，蓄電池處于充電狀態(tài)；日間，電網電價較高，蓄電池處于放電狀態(tài)，作為光伏組串的補充，共同為電動汽車充電。同時，光伏組串和蓄電池也可視為備用電源。當外部電源退出運行時，可利用光伏組件所發(fā)電量為充電樁提供電能；當光照條件不佳時，蓄電池可繼續(xù)為充電樁提供2ｈ電能，滿足車輛應急充電的需求。

3電氣主接線

一體化充電設施低壓母線設置于戶外匯流箱內，低壓母線采用一進四出的接線形式，自上級配電房取電，為監(jiān)控攝像頭、充電樁、光儲并網系統提供電能。電氣主接線方案如圖1所示。

光儲并網逆變器保護測控回路、充電樁保護測控回路、監(jiān)控攝像頭信號回路等二次回路接入上級配電房監(jiān)控系統總線，實現上級配電房對一體化充電設施的實時監(jiān)控。

4主要設備

戶外匯流箱起到電能匯聚、分配及保護的作用，為一體化充電設施內各電氣設備供電。戶外匯流箱采用一進四出的接線形式，進出線均配備塑殼斷路器以切斷故障電流。戶外匯流箱進線端接入上級配電房低壓母線，出線端分別接入監(jiān)控攝像頭、充電樁及光儲并網逆變器。匯流箱在匯流防雷基礎上設置各類傳感器，可監(jiān)控每一路的電流電壓，檢測箱體溫度和濕度，當故障發(fā)生時，能快速切除故障，盡量不對配電房低壓母線側產生影響，增加了保護的完備度。光儲并網逆變器接入匯流箱低壓母線，便于就地消納產生的電能。

光儲發(fā)電系統是一體化充電設施的電源，由光伏電池板、光儲并網逆變器構成。雨棚上方鋪設功率為263wp的pd05型多晶硅光伏電池板28塊，采用串聯方式構成一個功率為7.3kwp的光伏組串，接入光儲并網逆變器直流進線端；光儲逆變器額定功率為7.5kw，內置14kwh蓄電池組，具備光伏并網逆變、蓄電池組充放電控制、二次保護測控等功能，其交流出線端接入戶外匯流箱低壓母線，為一體化充電設施內的電氣設備提供電能。一體化充電設施內設置7kw充電樁2臺，接入戶外匯流箱低壓母線，為電動汽車充電。

雨棚、監(jiān)控攝像頭為一體化充電設施的輔助配套設施。雨棚保障充電過程中充電接頭不被雨水打濕，也為車輛和人員遮擋雨水和烈日。在雨棚頂部安裝光伏電池板；匯流箱、攝像頭掛裝于雨棚支架合適位置，減少一體化充電設施整體占地面積。

充電樁建設在無人值守的露天場所或小區(qū)存在一定的安全隱患，因此在雨棚下方角落處安裝監(jiān)控攝像頭，視角覆蓋停車位及充電樁，對設備運行情況及車輛情況進行實時監(jiān)控，提高一體化充電設施的安全性。

5布置及安裝方案

5.1單套設備

每套一體化充電設施包含2個標準車位，雨棚投影占地為6.7ｍ×7.0ｍ。根據電動汽車充電站典型設計方案，將充電樁布置于車位后方。車位側邊建設雨棚立柱，并將匯流箱、光儲一體化逆變器安裝于立柱上。一體化充電設施布置及安裝方案如圖2所示。

雨棚的大小可滿足車輛擋雨需求，上方架設的光伏組串容量足以滿足1個充電樁的電量需求。雨棚頂端鋪設光伏時采用槽鋼和檁條架構。槽鋼無需打孔定位，在鋪設光伏前可根據大小位置進行調整。槽鋼的凹槽可用于放置光伏電纜，起到美化外觀和遮擋雨雪的作用。

5.2模塊化擴展

一體化充電設施采用模塊化設計，可以較小單元進行任意數量的拼接組合，實現多模塊擴展，從而滿足不同布局的充電站或停車場建設需求。模塊化擴展方案有橫向拼接擴展和縱向拼接擴展。兩種拼接方式如圖３所示。橫向拼接直接采用左右無縫隙相連的形式，縱向拼接采用頭尾無縫隙相連的形式，在保證密封性的同時，充分節(jié)省空間，提高土地利用率。兩種方式都使得充電設施集中在一側，方便集中供電和維護。

6系統概述

6.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監(jiān)控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發(fā)電、儲能系統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

6.2技術標準

本方案遵循的標準有：

本技術規(guī)范書提供的設備應滿足以下規(guī)定、法規(guī)和行業(yè)標準：

GB/T26802.1-2011工業(yè)控制計算機系統通用規(guī)范1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業(yè)控制計算機系統工業(yè)控制計算機基本平臺2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業(yè)控制計算機系統通用規(guī)范5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業(yè)控制計算機系統通用規(guī)范6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規(guī)范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規(guī)范

DL/T634.5101遠動設備及系統5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統5-104部分:傳輸規(guī)約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規(guī)定

GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規(guī)范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監(jiān)控系統技術規(guī)范

DL/T1864-2018型微電網監(jiān)控系統技術規(guī)范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規(guī)范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規(guī)范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規(guī)范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規(guī)范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規(guī)范

NB/T10148-2019微電網1部分：微電網規(guī)劃設計導則

NB/T10149-2019微電網2部分：微電網運行導則

6.3適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統監(jiān)控和能量管理需求。

6.4型號說明

7系統配置

7.1系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

8系統功能

8.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監(jiān)控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

8.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

8.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態(tài)界面

本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的較大、較小電壓、溫度值及所對應的位置。

8.1.3風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

8.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

8.1.5視頻監(jiān)控界面

圖15微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

8.2發(fā)電預測

系統應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統新能源發(fā)電的集中管控。

圖16光伏預測界面

8.3策略配置

系統應可以根據發(fā)電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態(tài)擴容等。

圖17策略配置界面

8.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備某個時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

8.5實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

8.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

8.7電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、較大值、較小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

8.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

8.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

8.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

8.11網絡拓撲圖

系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

8.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖26通信管理

8.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

8.14故障錄波

應可以在系統發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

8.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶隨意修改。

圖29事故追憶

9硬件及其配套產品

10結語

本文提出一種光儲充一體化充電設施設計方案。該方案對光伏組件、雨棚、光儲并網逆變器等輔助設施進行了優(yōu)化設計，在不增加占地的前提下，將光伏發(fā)電、儲能、充電、就地

監(jiān)控等功能融入系統中，實現了清潔能源的充分利用。設計方案中采用模塊化設計思路，可對多套一體化充電設施進行橫向或縱向拼接，滿足不同場站條件下的建設需求。通過合理設置光儲并網逆變器控制策略，可提高光伏發(fā)電就地消納率，充分利用電網峰谷價差，有效減少充電設施用電成本，起到削峰填谷、節(jié)能減排的作用。

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