安科瑞 陳聰
摘要： 現階段由於充電站內的電費計量模組不能接入電網公司電表系統，電網公司需額外加裝電表獲取充電數據。設計了一種基於儲能電表的充電站，整合電表與充電站的重復功能模組。利用STM32F103C8T6微控制器結合控制器區域網路絡匯流排完成充電站與儲能電表之間的電氣連線和互動控制，並進行了樣機開發驗證。結果表明相較於傳統充電站，基於儲能電表的充電站可以簡化充電站結構，降低充電站制造、安裝成本，更好地實作電動汽車和電網間的互聯。
關鍵詞： 電動汽車；儲能電表；充電站；樣機開發
0引言
近年來中國電動汽車(ElectricVehicle，EV)銷量持續猛增，根據預測2021年中國新能源汽車銷量或將超過180萬輛，相較2020年銷量同比增長明顯。一方面持續增長的EV充電負荷會產生新的充電高峰，對電網執行造成沖擊，另一方面，EV充電負荷有很強的時空靈活性和儲能特性，可作為電網的後備電源。這就對電網的最佳化排程和EV的配套充電設施效能提出了更高的要求。為充分發揮EV移動儲能特性，緩解EV充電對電網的不利影響，電網公司需要掌握EV的即時充電資訊。
現有的充電站內部雖然有獨立的電費計量模組，但是由於電網公司對其計量結果並不*認可，因此未接入到電網公司電表系統，使得電網公司無法直接獲取準確的EV充電數據。現有的解決方案是在充電站埠額外加裝一塊電網公司電表。由於加裝電表和充電站在電費計量功能的重復性，這種方案不僅增加了充電設施體積還增加了充電設施制造、安裝成本。
針對此問題，考慮到儲能電表以智慧芯片為核心，具有電能計量、自動控制、資訊互動等功能的特點，本文設計了一種基於儲能電表的充電站，對現有儲能電表進行改裝，拓展充電站控制功能，完成充電站和電表的有機結合。首先在儲能電表中加入充電控制模組，然後使用控制器區域網路絡(ControllerAreaNetwork，CAN)匯流排連線電表和充電槍等器件，透過儲能電表的控制模組對充電過程進行控制，並加裝漏電保護裝置、急停按鈕以及防護外殼等器件。將儲能電表拓展為一個完整的充電站。本文介紹了基於儲能電表的充電站硬體組成部份，隨後進行樣機開發驗證，之後總結現有方案的不足，展望了技術發展方向。
1基於儲能電表的充電站硬體設計
電動汽車要完整的實作充電流程，離不開電能輸送裝置和電能計量裝置。現有的充電站和加裝在其埠的電網公司電表有很多相同功能模組，具體如圖1所示。
相同的功能模組不僅使充電設施整體結構更加復雜，更增加了制造成本。在設計過程中考慮基於可接入電網公司系統的儲能電表進行拓展，使其具備充電站控制功能，將充電站和電表進行整合。基於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份，其結構如圖2所示。從電網側引入的火線和零線依次接入儲能電表和充電站，以便儲能電表對於透過火線和零線輸入的電能進行采樣和計量及充電站向EV輸出電能。
1.1儲能電表部份
基於DDSY1352型單相儲能智慧電能表進行設計開發，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通訊模組、電源模組、液晶顯視器(LiquidCrystalDisplay，LCD)、采樣模組以及充電站完成相應功能。主控單元組成結構如圖3所示。
電源模組采用MC33063ADR2G電源芯片，經過內建降壓器降壓後，為其他各功能模組提供電能，其主要電路如圖4所示。
通訊模組方面，在大數據時代背景下為了裝置間的通訊，選用無線傳輸距離更遠、傳輸速率更高、支持多站通訊的RS485通訊模組。儲能電表中的采樣模組經過分壓電阻、采樣電阻、電流互感器獲得電壓訊號、火線電流訊號和零線電流訊號用於電能計量。LCD屏可顯示充電費用、充電時長、充電電量、充電狀態等內容。時鐘復位電路用以保證時間的準確性。對於電表和充電站之間的連線及控制問題，使用即時性強、傳輸距離較遠、抗電磁幹擾能力強的CAN匯流排連線實作。此外儲能電表內部還設有一組繼電器，微控制單元(MicrocontrollerUnit，MCU)可透過控制繼電器的開合來控制充電站輸出電能。在實際套用過程中，MCU根據卡片感應訊號、電能電量計量訊號以及按鍵訊號等訊號，綜合判斷是否滿足設定的充電電量、充電時長、充電費用等結束充電條件或者判斷充電站是否出現異常狀態。MCU根據判斷結果控制繼電器的開合。
1.2充電站部份
充電站主要包括充電槍、讀卡器、蜂鳴器以及數據傳輸單元(DataTransferUnit，DTU)四部份。儲能電表控制模組中MCU透過相互獨立地電連線並控制充電槍和讀卡器進而完成對充電站的控制。充電槍的輸入端透過線束連線儲能電表采樣模組輸出端的火線和零線，充電槍的輸出端(槍頭)可插入EV的充電介面。讀卡器用於讀寫使用者卡片的卡片感應資訊，並且將卡片感應資訊轉換為相應的卡片感應訊號並傳輸至MCU控制器。充電站還設有一個蜂鳴器用於提示充電站執行狀態。基於儲能電表的充電站分為單機版和網路版兩種版本，其中網路版為了完成數據的無線傳輸，設有DTU轉換器，可插入SIM(SubscriberIdentityModule)卡進而接入無線網路，實作充電站與客戶端、伺服端的互聯。
1.3前端斷路器
為了用電的安全性，基於儲能電表的充電站設定一個前端斷路器。考慮到直流充電站的套用越來越廣泛，選擇對直流電和交流電都起保護作用，保護範圍更*的A型斷路器。
2樣機開發驗證
2.1樣機介紹
基於儲能電表的充電站電表部份相較於普通電表，設定了雙層防護殼以及漏電保護器，進一步提升了安全防護能力。其中*層防護殼帶有物理鎖，工作人員可使用鑰匙開鎖開啟*層防護殼操作漏電保護器，*層防護殼使用螺絲固定。電表的LCD顯示器具有兩種顯示模式，即自動迴圈顯示模式和按鍵觸發顯示模式。當按鍵被觸發時，形成按鍵訊號的同時背光燈自動啟動，便於操作人員進行操作。在使用者操作時，蜂鳴器根據使用者不同的操作狀態、充電站執行狀態下發出不同的蜂鳴聲。在電表側面設定一個急停裝置，在緊急情況下可按下紅色按鈕直接斷開充電站與電網的連線，及時停止充電，保護使用者生命、財產安全，避免事故進一步惡化。在上述經過改裝的儲能電表基礎上采用CAN匯流排連線充電線槍等器件*終構成完整的充電站，具體如圖5所示。
2.2樣機測試
在樣機開發後，為驗證基於儲能電表的充電站安全性，對其進行過壓保護、過流保護、短路保護、漏電保護等計畫測試，具體測試要求如表1所示。測試結果顯示基於儲能電表的充電站具備良好的安全效能，可以穩定地為EV充電。
3實際套用
在實際套用中，單機版基於儲能電表的充電站為隨插即用式。使用者將充電槍插入EV，充電站開始為EV充電直至電滿後自動斷開。使用者可在電表的LCD屏上查詢充電狀態、充電時間、充電電壓、充電電流等具體充電資訊。網路版基於儲能電表的充電站配備客戶端支持使用者設定充電需求、檢視充電詳細資訊，使用者在充電前需下載相應APP(Application)，其使用流程如圖6所示。
使用者需要充電時，首先在客戶端檢視附近可用充電站具體位置。使用者到達相應位置後，首先將充電槍插入EV，然後使用APP掃描充電站身二維碼設定充電需求，充電APP界面如圖7所示，並將啟動命令發送至雲端伺服器。
具體操作界面如圖7a)所示。確認資訊後伺服器將啟動命令發送到充電站DTU，充電站收到指令後啟動充電。在充電過程中使用者可以檢視充電時間、充電電量、充電功率、充電電壓等詳細充電資訊，具體界面如圖7b)所示。充電結束後，使用者會收到充電結算清單，包括具體充電電量、充電費用等資訊，具體如圖7c)所示。
在實際套用中，基於儲能電表的充電站在保證充電穩定性和充電效率的情況下相較傳統充電站額外加裝電網公司電表的方式，制造、安裝成本可以降低約15%，並且基於儲能電表的充電站相較於普通充電站所需空間更小，可適應空間相對狹小的環境。
4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統
4.1平台概述
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先進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站執行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟最佳化執行為目標，促進可再生能源套用，提高電網執行穩定性、補償負荷波動；有效實作使用者側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力裝置執行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟執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：裝置層、網路通訊層和站控層。站級通訊網路采用標準乙太網路及TCP/IP通訊協定，物理媒介可以為光纖、網線、遮蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通訊規約。
4.2平台適用場合
系統可套用於城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智慧建築、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。
4.3系統架構
本平台采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網路層和裝置層
圖1典型微電網能量管理系統組網方式
5充電站微電網能量管理系統解決方案
5.1即時監測
微電網能量管理系統人機介面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的執行狀態，即時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數資訊，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等訊號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。
系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員即時掌握發電單元的出力資訊、收益資訊、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元執行功率設定等。
系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，並支持定期的電池維護。
微電網能量管理系統的監控系統界麵包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益資訊、天氣資訊、節能減排資訊、功率資訊、電量資訊、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統資訊進行顯示。
圖1系統主界面
子界面主要包括系統主接線圖、光伏資訊、風電資訊、儲能資訊、充電站資訊、通訊狀況及一些統計列表等。
5.1.1光伏界面
圖2光伏系統界面
本界面用來展示對光伏系統資訊，主要包括逆變器直流側、交流側執行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、並網櫃電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發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執行數據進行展示。
5.1.2儲能界面
圖3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4儲能系統PCS參數設定界面
本界面主要用來展示對PCS的參數進行設定，包括開關機、執行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖5儲能系統BMS參數設定界面
本界面用來展示對BMS的參數進行設定，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6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7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資訊進行告警。
圖8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資訊進行告警。
圖9儲能系統PCS狀態界面
本界面用來展示對PCS狀態資訊，主要包括通訊狀態、執行狀態、STS執行狀態及STS故障告警等。
圖10儲能電池狀態界面
本界面用來展示對BMS狀態資訊，主要包括儲能電池的執行狀態、系統資訊、數據資訊以及告警資訊等，同時展示當前儲能電池的SOC資訊。
圖11儲能電池簇執行數據界面
本界面用來展示對電池簇資訊，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，並展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。
5.1.3風電界面
圖12風電系統界面
本界面用來展示對風電系統資訊，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側執行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發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執行數據進行展示。
5.1.4充電站界面
圖13充電站界面
本界面用來展示對充電站系統資訊，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的執行數據等。
5.1.5視訊監控界面
圖14微電網視訊監控界面
本界面主要展示系統所接入的視訊畫面，且透過不同的配置，實作預覽、回放、管理與控制等。
5.1.6發電預測
系統應可以透過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，並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電計劃，便於使用者對該系統新能源發電的集中管控。
圖15光伏預測界面
5.1.7策略配置
系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價資訊，進行系統執行模式的設定及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。
具體策略根據計畫實際情況（如儲能櫃數量、負載功率、光伏系統能力等）進行介面適配和策略調整，同時支持客製化需求。
圖16策略配置界面
5.1.8執行報表
應能查詢各子系統、回路或裝置*時間的執行參數，報表中顯示電參量資訊應包括：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、尖峰平谷時段電量等。
圖17執行報表
5.1.9即時報警
應具有即時報警功能，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，及裝置內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能即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；並應能以彈窗、聲音、簡訊和電話等形式通知相關人員。
圖18即時告警
5.1.10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儲存和管理，方便使用者對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
圖19歷史事件查詢
5.1.11電能品質監測
應可以對整個微電網系統的電能品質包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員即時掌握供電系統電能品質情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。
1）在供電系統主界面上應能即時顯示各電能品質監測點的監測裝置通訊狀態、各監測點的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：系統應能即時顯示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）電壓暫態監測：在電能品質暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、簡訊、電話等形式通知相關人員；系統應能檢視相應暫態事件發生前後的波形。
6）電能品質數據統計：系統應能顯示1min統計整2h儲存的統計數據，包括均值、*值、*值、95%機率值、方均根值。
7）事件記錄檢視功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。
圖20微電網系統電能品質界面
5.1.12遙控功能
應可以對整個微電網系統範圍內的裝置進行遠端遙控操作。系統維護人員可以透過管理系統的主界面完成遙控操作，並遵循遙控偏好設定、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行排程系統或站內相應的操作命令。
圖21遙控功能
5.1.13曲線查詢
應可在曲線查詢界面，可以直接檢視各電參量曲線，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22曲線查詢
5.1.14統計報表
具備定時抄表匯總統計功能，使用者可以自由查詢自系統正常執行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節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；對系統執行的節能、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；具備對並網型微電網的並網點進行電能品質分析。
圖23統計報表
5.1.15網路拓撲圖
系統支持即時監視接入系統的各裝置的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網路結構；可線上診斷裝置通訊狀態，發生網路異常時能自動在界面上顯示故障裝置或元件及其故障部位。
圖24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、電網連線方式、斷路器、表計等資訊。
5.1.16通訊管理
可以對整個微電網系統範圍內的裝置通訊情況進行管理、控制、數據的即時監測。系統維護人員可以透過管理系統的主程式右鍵開啟通訊管理程式，然後選擇通訊控制啟動所有埠或某個埠，快速檢視某裝置的通訊和數據情況。通訊應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通訊規約。
圖25通訊管理
5.1.17使用者許可權管理
應具備設定使用者許可權管理功能。透過使用者許可權管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，執行參數修改等）。可以定義不同級別使用者的登入名、密碼及操作許可權，為系統執行、維護、管理提供可靠的安全保障。
圖26使用者許可權
5.1.18故障錄波
應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各相關電氣量的變化情況，透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、提高電力系統安全執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6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障後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27故障錄波
5.1.19事故追憶
可以自動記錄事故時刻前後一段時間的所有即時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。
使用者可自訂事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，儲存事故*10個掃描周期及事故後10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由使用者隨意修改。
6結束語
本文所提出的基於儲能電表的充電站可以有效減小充電站體積，減少充電站安裝、制造成本，促進車網間有效互聯。此方案在套用測試中取得了很好的示範作用，具有很大的推廣價值。電網可以透過基於儲能電表的充電站直接和EV建立通訊獲取充電數據，為EV有序充電、V2G(Vehicle-toGrid)等技術的套用打下了基礎。在未來的研究中，將進一步最佳化電路提高該新型充電站效能，研究一個電表連線多個充電站的形式改善結構。
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