引言
隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家電網(wǎng)公司建設(shè)并運(yùn)營了大量的電動(dòng)汽車充電站。電動(dòng)汽車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)汽車充電站箱變低壓開關(guān)出線回路未采取任何監(jiān)測手段，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)，低壓充電樁線路一直持續(xù)帶電運(yùn)行，線路老化、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 探測是目前電氣火災(zāi)和電氣安全監(jiān)測的主要手段。我國對(duì) 電氣火災(zāi)監(jiān)測告警建立了國家標(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)探測器和故障電弧探測器。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5000℃，并伴有金屬熔化物噴濺，極易引燃線 路絕緣層而導(dǎo)致線路起火。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)。故障電弧探測是電氣火災(zāi)監(jiān) 測的重要組成部分，越來越受到業(yè)界的關(guān)注[4-7]。目前市 面上的組合式電氣火災(zāi)探測器和故障電弧探測器是兩個(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，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)汽車充電站箱變電氣安全物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng) 設(shè)計(jì)方案，開發(fā)新型電氣安全智能感知設(shè)備，通過單一設(shè)備實(shí)現(xiàn)低壓電氣回路電氣火災(zāi)多要素監(jiān)測，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 設(shè)備接入通信網(wǎng)關(guān)，并通過4G通信網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)在線檢測平臺(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RS-485總線和通信網(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)測平臺(tái)。平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)電氣安全監(jiān)測數(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、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四線溫度。本文開發(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)有故障電弧探測器產(chǎn)品相比，該裝置通過常規(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)探測器功能，包括回路電流、溫度、剩余電流監(jiān)測預(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。采取常規(guī)方案時(shí)一個(gè)監(jiān)測設(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通信線等，接線量多，容易出錯(cuò)。同時(shí)，監(jiān)測設(shè)備體積大，開關(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)測模塊構(gòu)成。一個(gè)監(jiān)測模塊可實(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，模塊與模塊之間通過插件式總線連接，總線提供了設(shè)備之間的供電和通信連接。設(shè)備通過一個(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)備之間無需再連接電源線和通信線。電氣安全智能感知模塊僅有1P空氣開關(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插接式通信總線 接入供電通信模塊，通信總線為RS-485。供電通信模塊匯總數(shù)據(jù)后，通過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4G網(wǎng)絡(luò)上送數(shù)據(jù)到電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺(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啟式電流互感器和開啟式剩余電流互感器作為電流輸入元件。施工時(shí)無需開斷主回路，可帶電安裝，從而大大減輕了現(xiàn)場安裝工作量，縮短安裝時(shí)間，且對(duì)主回路沒有任何影響，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、開關(guān)量輸入、液晶、鍵盤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，可通過無線方式接入采集設(shè)備。裝置提供4G Cat.1通信接口，向監(jiān)測平臺(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，開關(guān)量輸入部分提供三路開關(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)，已通過國家消防電子產(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)并在全國得到廣泛地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過對(duì)剩余電流、過電流、過電壓、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)用戶的需求，還可以滿足與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)用場合
適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國家重點(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)探測器之間發(fā)生通訊故障或探測器本身發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控畫面中相應(yīng)的探測器顯示故障提示，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、國家會(huì)展中心充電站、長三角水鄉(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)在線監(jiān)測?，F(xiàn)場實(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
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)測設(shè)備存在的功能簡單、體積大、安裝不便等問題，本文提出了電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過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)測感知和告警，且安裝簡單方便，擴(kuò)展性強(qiáng)。應(yīng)用實(shí)例表明，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)和開發(fā)的電動(dòng)汽車充電站電氣安全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，可有效提升電動(dòng)汽車充電站電氣安全監(jiān)測水平，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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