淺談費(fèi)控電表在充電站微電網(wǎng)的應(yīng)用

安科瑞電氣有限公司

摘要：現(xiàn)階段由于充電站內(nèi)的電費(fèi)計量模塊不能接入電網(wǎng)公司電表系統(tǒng)，電網(wǎng)公司需額外加裝電表獲取充電數(shù)據(jù)。設(shè)計了一種基于儲能電表的充電站，整合電表與充電站的重復(fù)功能模塊。利用STM32F103C8T6微控制器結(jié)合控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線完成充電站與儲能電表之間的電氣連接和交互控制，并進(jìn)行了樣機(jī)開發(fā)驗(yàn)證。結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)充電站，基于儲能電表的充電站可以簡化充電站結(jié)構(gòu)，降低充電站制造、安裝成本，更好地實(shí)現(xiàn)電動汽車和電網(wǎng)間的互聯(lián)。

關(guān)鍵詞：電動汽車；儲能電表；充電站；樣機(jī)開發(fā)

0引言

近年來我國電動汽車(ElectricVehicle，EV)銷量持續(xù)猛增，根據(jù)預(yù)測2021年中國新能源汽車銷量或?qū)⒊^180萬輛，相較2020年銷量同比增長明顯。一方面持續(xù)增長的EV充電負(fù)荷會產(chǎn)生新的充電高峰，對電網(wǎng)運(yùn)行造成沖擊，另一方面，EV充電負(fù)荷有很強(qiáng)的時空靈活性和儲能特性，可作為電網(wǎng)的后備電源。這就對電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度和EV的配套充電設(shè)施性能提出了更高的要求。為充分發(fā)揮EV移動儲能特性，緩解EV充電對電網(wǎng)的不利影響，電網(wǎng)公司需要掌握EV的實(shí)時充電信息。

現(xiàn)有的充電站內(nèi)部雖然有獨(dú)立的電費(fèi)計量模塊，但是由于電網(wǎng)公司對其計量結(jié)果并不認(rèn)可，因此未接入到電網(wǎng)公司電表系統(tǒng)，使得電網(wǎng)公司無法直接獲取準(zhǔn)確的EV充電數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的解決方案是在充電站端口額外加裝一塊電網(wǎng)公司電表。由于加裝電表和充電站在電費(fèi)計量功能的重復(fù)性，這種方案不僅增加了充電設(shè)施體積還增加了充電設(shè)施制造、安裝成本。

針對此問題，考慮到儲能電表以智能芯片為核心，具有電能計量、自動控制、信息交互等功能的特點(diǎn)，本文設(shè)計了一種基于儲能電表的充電站，對現(xiàn)有儲能電表進(jìn)行改裝，拓展充電站控制功能，完成充電站和電表的有機(jī)結(jié)合。首先在儲能電表中加入充電控制模塊，然后使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork，CAN)總線連接電表和充電槍等器件，通過儲能電表的控制模塊對充電過程進(jìn)行控制，并加裝漏電保護(hù)裝置、急停按鈕以及防護(hù)外殼等器件。將儲能電表拓展為一個完整的充電站。本文介紹了基于儲能電表的充電站硬件組成部分，隨后進(jìn)行樣機(jī)開發(fā)驗(yàn)證，之后總結(jié)現(xiàn)有方案的不足，展望了技術(shù)發(fā)展方向。

1基于儲能電表的充電站硬件設(shè)計

電動汽車要完整的實(shí)現(xiàn)充電流程，離不開電能輸送裝置和電能計量裝置。現(xiàn)有的充電站和加裝在其端口的電網(wǎng)公司電表有很多相同功能模塊，具體如圖1所示。

相同的功能模塊不僅使充電設(shè)施整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，更增加了制造成本。在設(shè)計過程中考慮基于可接入電網(wǎng)公司系統(tǒng)的儲能電表進(jìn)行拓展，使其具備充電站控制功能，將充電站和電表進(jìn)行整合。基于儲能電表的充電站主要包括儲能電表、充電站和前端斷路器三部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。從電網(wǎng)側(cè)引入的火線和零線依次接入儲能電表和充電站，以便儲能電表對于通過火線和零線輸入的電能進(jìn)行采樣和計量及充電站向EV輸出電能。

1.1儲能電表部分

基于DDSY1352型單相儲能智能電能表進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，儲能電表的主控單元采用STM32F103C8T6微控制器作為核心控制器件，控制RS485通信模塊、電源模塊、液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)、采樣模塊以及充電站完成相應(yīng)功能。主控單元組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電源模塊采用MC33063ADR2G電源芯片，經(jīng)過內(nèi)置降壓器降壓后，為其他各功能模塊提供電能，其主要電路如圖4所示。

通信模塊方面，在大數(shù)據(jù)時代背景下為了設(shè)備間的通信，選用無線傳輸距離更遠(yuǎn)、傳輸速率更高、支持多站通信的RS485通信模塊。儲能電表中的采樣模塊經(jīng)過分壓電阻、采樣電阻、電流互感器獲得電壓信號、火線電流信號和零線電流信號用于電能計量。LCD屏可顯示充電費(fèi)用、充電時長、充電電量、充電狀態(tài)等內(nèi)容。時鐘復(fù)位電路用以保證時間的準(zhǔn)確性。對于電表和充電站之間的連接及控制問題，使用實(shí)時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)的CAN總線連接實(shí)現(xiàn)。此外儲能電表內(nèi)部還設(shè)有一組繼電器，微控制單元(MicrocontrollerUnit，MCU)可通過控制繼電器的開合來控制充電站輸出電能。在實(shí)際應(yīng)用過程中，MCU根據(jù)卡片感應(yīng)信號、電能電量計量信號以及按鍵信號等信號，綜合判斷是否滿足設(shè)定的充電電量、充電時長、充電費(fèi)用等結(jié)束充電條件或者判斷充電站是否出現(xiàn)異常狀態(tài)。MCU根據(jù)判斷結(jié)果控制繼電器的開合。

1.2充電站部分

充電站主要包括充電槍、讀卡器、蜂鳴器以及數(shù)據(jù)傳輸單元(DataTransferUnit，DTU)四部分。儲能電表控制模塊中MCU通過相互獨(dú)立地電連接并控制充電槍和讀卡器進(jìn)而完成對充電站的控制。充電槍的輸入端通過線束連接儲能電表采樣模塊輸出端的火線和零線，充電槍的輸出端(槍頭)可插入EV的充電接口。讀卡器用于讀寫用戶卡片的卡片感應(yīng)信息，并且將卡片感應(yīng)信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的卡片感應(yīng)信號并傳輸至MCU控制器。充電站還設(shè)有一個蜂鳴器用于提示充電站運(yùn)行狀態(tài)。基于儲能電表的充電站分為單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版兩種版本，其中網(wǎng)絡(luò)版為了完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，設(shè)有DTU轉(zhuǎn)換器，可插入SIM(SubscriberIdentityModule)卡進(jìn)而接入無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)充電站與客戶端、服務(wù)端的互聯(lián)。

1.3前端斷路器

為了用電的安全性，基于儲能電表的充電站設(shè)置一個前端斷路器。考慮到直流充電站的應(yīng)用越來越廣泛，選擇對直流電和交流電都起保護(hù)作用，保護(hù)范圍更*的A型斷路器。

2樣機(jī)開發(fā)驗(yàn)證

2.1樣機(jī)介紹

基于儲能電表的充電站電表部分相較于普通電表，設(shè)置了雙層防護(hù)殼以及漏電保護(hù)器，進(jìn)一步提升了安全防護(hù)能力。其中*層防護(hù)殼帶有物理鎖，工作人員可使用鑰匙開鎖打開*層防護(hù)殼操作漏電保護(hù)器，*層防護(hù)殼使用螺絲固定。電表的LCD顯示屏具有兩種顯示模式，即自動循環(huán)顯示模式和按鍵觸發(fā)顯示模式。當(dāng)按鍵被觸發(fā)時，形成按鍵信號的同時背光燈自動啟動，便于操作人員進(jìn)行操作。在用戶操作時，蜂鳴器根據(jù)用戶不同的操作狀態(tài)、充電站運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)出不同的蜂鳴聲。在電表側(cè)面設(shè)置一個急停裝置，在緊急情況下可按下紅色按鈕直接斷開充電站與電網(wǎng)的連接，及時停止充電，保護(hù)用戶生命、財產(chǎn)安全，避免事故進(jìn)一步惡化。在上述經(jīng)過改裝的儲能電表基礎(chǔ)上采用CAN總線連接充電線槍等器件*終構(gòu)成完整的充電站，具體如圖5所示。

2.2樣機(jī)測試

在樣機(jī)開發(fā)后，為驗(yàn)證基于儲能電表的充電站安全性，對其進(jìn)行過壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)等項(xiàng)目測試，具體測試要求如表1所示。測試結(jié)果顯示基于儲能電表的充電站具備良好的安全性能，可以穩(wěn)定地為EV充電。

3實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，單機(jī)版基于儲能電表的充電站為即插即用式。用戶將充電槍插入EV，充電站開始為EV充電直至電滿后自動斷開。用戶可在電表的LCD屏上查詢充電狀態(tài)、充電時間、充電電壓、充電電流等具體充電信息。網(wǎng)絡(luò)版基于儲能電表的充電站配備客戶端支持用戶設(shè)定充電需求、查看充電詳細(xì)信息，用戶在充電前需下載相應(yīng)APP(Application)，其使用流程如圖6所示。

用戶需要充電時，首先在客戶端查看附近可用充電站具體位置。用戶到達(dá)相應(yīng)位置后，首先將充電槍插入EV，然后使用APP掃描充電站身二維碼設(shè)定充電需求，充電APP界面如圖7所示，并將啟動命令發(fā)送至云端服務(wù)器。

具體操作界面如圖7a)所示。確認(rèn)信息后服務(wù)器將啟動命令發(fā)送到充電站DTU，充電站收到指令后啟動充電。在充電過程中用戶可以查看充電時間、充電電量、充電功率、充電電壓等詳細(xì)充電信息，具體界面如圖7b)所示。充電結(jié)束后，用戶會收到充電結(jié)算清單，包括具體充電電量、充電費(fèi)用等信息，具體如圖7c)所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，基于儲能電表的充電站在保證充電穩(wěn)定性和充電效率的情況下相較傳統(tǒng)充電站額外加裝電網(wǎng)公司電表的方式，制造、安裝成本可以降低約15%，并且基于儲能電表的充電站相較于普通充電站所需空間更小，可適應(yīng)空間相對狹小的環(huán)境。

4 Acrel-2000MG充電站微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求，總結(jié)國內(nèi)外的研究和生產(chǎn)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，專門研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風(fēng)能、儲能系統(tǒng)、充電站運(yùn)行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，促進(jìn)可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、補(bǔ)償負(fù)荷波動；有效實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了全新的解決方案。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

4.2平臺適用場合

系統(tǒng)可應(yīng)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(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

4.3系統(tǒng)架構(gòu)

本平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，即站控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

5充電站微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)解決方案

5.1實(shí)時監(jiān)測

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機(jī)界面友好，應(yīng)能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測光伏、風(fēng)電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統(tǒng)應(yīng)可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，使管理人員實(shí)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(yùn)行功率設(shè)置等。

系統(tǒng)應(yīng)可以對儲能系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時告警，并支持定期的電池維護(hù)。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲能、充電站及總體負(fù)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(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行顯示。

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

5.1.1光伏界面

5.1.2儲能界面