宋兵兵
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：发展电动汽车是贯彻国家能源战略的重大举措之一，电动汽车充换电站的建设是其重要组成部分，电动汽车充换电站的电气设计、继电保护配置等都处在探索阶段。本文结合国家电网示范站———青岛市某电动汽车充换储放一体示范电站的实际情况，对充换电站内部继电保护配置方案进行了介绍分析。
关键词：电动汽车；充电站；继电保护。
电动汽车作为一种新型交通工具，是我国石油资源紧张、城市大气污染严重问题的重要手段，是推进交通发展模式转变的载体。发展电动汽车是贯彻国家能源战略、落实节能减排政策、参与建设资源节约型和环境友好型社会以及履行社会责任的重大战略举措。电动汽车充换电站建设是其重要组成部分。
位于青岛市黄岛区的某电动汽车充换储放一体示范电站于2011年8月投入运行，是世界上功能全、规模及服务能力的电动汽车充换电站。作为国家电网电动汽车示范电站，其在国内外实现集公交车充换电、乘用车电池集中充电及储能应用于一体，在电动汽车充换电设施建设中具有里程碑意义。
作为一座全新型的电动汽车充换电站，其继电保护配置方面缺少可以参考的先例。本文通过对该座充换电站内部一次接线方式、二次设备配置及充换储放原理等方面的分析，提出了有针对性的，尤其是针对梯度储能电池的特殊储放系统的继电保护配置方案。该配置方案保证了系统的安全稳定运行和充换储放一体电站内部的电池等重要设备的稳定运行，对充换电站建设起到了示范效应。
1电站系统简述
充换储放一体电站通过两条10kV线路与青岛35kV智能变电站并网，站内有两台容量均为2000kV·A的变压器，充电与储放电模块均带在400V母线上，如下图所示。
图 充换储放一体电站一次接线图
并网型设备包括480箱乘用车动力电池逆向放电系统和2MW×3h的储能系统。动力电池逆向放电系统的每个动力电池箱配置有一台4.6kW的分箱放电模块，模块的直流侧和交流侧均安装有微型断路器和熔断器，可通过监控系统控制放电模块将电池回馈到交流电网。
充电站梯度电池采用标准电动汽车电池，参数为265A·h/76.8V，总额定容量为2MW×3h，额定功率为2MW，放电功率不超过2MW。
2继电保护配置方案
对于继电保护来说，充换储放一体电站不同于普通用户站的地方在于其梯度储能放电部分。在继电保护配置方案中，着重要考虑梯度储能电池的储放系统，确保在电站向主网系统逆向放电过
程中发生故障时能快速、可靠切除故障，既要保证系统的安全稳定运行，又要保证充换储放一体电站内部的电池等重要设备不受损害。
2.1 400V系统保护功能配置
从层次上划分，400V系统逆向放电系统的保护分为三层，分别为模块级保护、装置级保护及系统级保护。模块级保护主要包括IGBT驱动板自带的底层硬件短路保护和控制器自带的硬件过电流保护;装置级保护主要指放电模块控制器通过软件计算或者硬件接点检测到本装置的内部故障而触发的过电
流、过温及过电压等保护;系统级保护主要指逆向放电监控系统通过监控系统的状态触发的保护。
从实现途径上划分，放电模块的保护分为硬件保护和软件保护。为了阐述方便，以下分别从硬件保护和软件保护两方面进行介绍。
2.1.1硬件保护
放电模块的硬件故障保护包括IGBT模块过电流、IGBT模块过温及直流母线过电压故障三部分功能。当装置检测到上述紧急故障后，应立即封所有功率单元IGBT脉冲，跳直交流两侧接触器，停机告警。故障切除后，需要手动复归故障标志，放电模块方可继续投入使用。
考虑1.2倍额定容量过载且为了确保器件安全，AC/DC交流侧电流硬件保护将交流电流门槛值设定为25A，保护动作值为(25±1)A，封所有功率单元IGBT脉冲，跳交直流两侧接触器，停机告警并报过电流故障。
直流过电流硬件保护，考虑1.2倍额定容量过载且为了确保器件安全，将直流电流门槛值设为70A，保护动作值为(70±1)A，封所有功率单元IGBT脉冲，跳交直流两侧接触器，停机告警并报过电流故障。
2.1.2软件保护
放电装置的软件保护分瞬时保护和定时限保护两种。
瞬时保护元件只设有保护动作定值，为系统检测到紧急故障时单点动作出口，封所有功率单元IGBT脉冲，跳交直流两侧接触器，停机告警，故障标志需要故障后手动复归确认。
定时限保护设有动作定值和延时定值，为系统检测到严重故障，经延时定值确认后出口，封所有功率单元IGBT脉冲，系统转为故障状态并告警，故障标志亦需故障后手动复归确认。
软件保护功能主要包含直流电压保护、直流过电流保护、交流电流保护、电压异常(过电压/欠电压)保护、频率异常(高频/低频)保护、防孤岛保护、恢复并网保护、输出直流分量超标保护及相序错误保护等。
2.2 10kV系统保护功能配置
充换储放一体电站在设计初期就针对10kV并网线保护配置方案进行了多次探讨，终确定在按常规用户变电站保护设置的基础上，增加解列装置及进线反方向电流保护。但在整定计算过程中，解列装置和反方向电流保护仅作为该站的后备考虑，原因主要有如下两点:
1)放电装置有完备的保护方案和保护功能。10kV及400V系统故障时，放电装置能快速切断与系统的连接，不会对系统的继电保护产生不利影响。放电装置每个模块的容量仅6kW左右，本项目中140个逆向放电模块各自独立运行，集中控制，为电力电子变换设备，内部的功率器件的控制速度快。在系统出现故障的时候，首先闭锁相关器件的驱动脉冲，阻断电池与电网之间的功率交换，保护动作时间在几十微秒左右，然后分断交直流侧的接触器，完全断开与电网之间的电气联系，动作时间在20～30ms。
2)系统短路电流的计算无需考虑放电模块的电流注入。放电装置功率小，且有别于发电机设备。发电机的转动惯量大，并网点系统电压跌落的时候可能出现输出电流增加。而放电装置具备限功率输出功能和快速的响应特性，在系统电压跌落时不会附加系统的短路电流。因此在进行短路阻抗和短路电流计算时，不应考虑放电装置的影响。
3安科瑞电动汽车光伏充电站的整体继电保护方法及装置
3.1概述
AcrelEMS 3.0智慧能源管理平台对企业微电网分布式电源、市政电源、储能系统、充电设施以及各类交直流负荷的运行状态实时监视、智能预测、动态调配，优化策略，诊断告警，可调度源荷有序互动、能源全景分析，满足企业微电网能效管理数字化、安全分析智能化、调整控制动态化、全景分析可视化的需求，完成不同策略下光储充资源之间的灵活互动与经济运行，为用户降低能源成本，提高微电网运行效率。
3.2应用场所
适用于分布式光伏、储能、光储充电站建设，多个新能源站点的运营管理、运维服务、节能管理，工业园区，零碳工厂的建设空间。
3.3平台组织架构
平台采用开放的分层分布式网络结构，主要由设备层、传输层、数据层、应用层组成。
设备层主要由各种监控、计量、保护、治理以及转换设备和就地子系统组成，包括多功能电力仪表、暖通仪表、综合保护装置、马达保护控制器、无功补偿/有源滤波装置、逆变器、智能照明控制装置、充电桩、测温传感器、电气消防监控设备、浪涌监测设备等，以及光伏/风力发电系统、储能系统等子系统，为各类设备或子系统提供多种通信及组网方式，满足国家相关产品标准要求。
传输层的数据终端采用嵌入式系统，具有串口、网口、LoRa、光纤等多种数据通信接口，同时支持ModBus-RTU、IEC60870-5-103、DLT645-1997/2007、OPC、UA、BACNet、TCP/IP等多种通信协议，可兼容业内绝大部分智能设备。数据终端支持本地存储，断点续传、失电报警功能，采集数据后经过压缩、加密后上传平台，保证数据传输的稳定、安全、可靠。
平台数据层显示和存储实时/历史数据、报警、业务、操作日志等数据，并对外提供数据访问接口供第三方系统使用，具备强大的数据接收、处理、展示、存储和访问能力。具有权限的用户可通过PC、PAD、手机等各类终端设备访问数据、接收报警信息，并根据要求对企业微电网设备进行巡检，平台整体结构如图所示。
3.4系统硬件配置
3.5安科瑞智慧能源管理平台功能
3.5.1数字化展示
通过展示大屏实时显示市电、光伏、风电、储能、充电桩以及其它负荷数据，快速了解能源运行情况。
3.5.2优化控制
直观显示能源生产及流向，包括各种能源的生产及消耗过程，通过优化控制提升新能源消纳，削峰填谷，平滑系统出力，并显示优化前和优化后能源曲线对比等。
3.5.3智能预测
结合气象数据，历史数据对光伏、风力发电功率和负荷功率进行预测，并与实际功率进行对比分析，通过储能系统和负荷控制实现优化调度，降低需量和用电成本。
3.5.4能耗分析
采集企业电、水、天然气、冷/热量等各种能源介质消耗量，进行同环比比较，显示能源流向，能耗对标，并折算标煤或碳排放等。
3.5.5有序充电
系统支持接入交直流充电桩，并根据企业负荷和变压器容量，并和变压器负荷率进行联动控制，引导用户有序充电，保障企业微电网运行安全。
3.5.6运维巡检
系统支持任务管理、巡检/缺陷/消警/抢修记录以及通知工单管理，并通过北斗定位跟踪运维人员轨迹，实现运维流程闭环管理。
本文提出了针对梯度储能电池的特殊储放系统的继电保护配置方案。该方案主要有以下两个方面:
1)400V系统逆向放电系统的保护分为模块级保护、装置级保护及系统级保护三层。从实现途径上划分，主要包括硬件保护和软件保护。
2)对于10kV系统，在考虑放电系统完备的保护功能基础上，除配置常规继电保护，增加了事故解列装置和反方向电流保护。
电动汽车充换电站的电气设计、继电保护配置等都处在探索阶段。青岛市某电动汽车充换储放一体示范电站的继电保护配置方案是针对现场实际情况制定的，由于各类充换电站存在功能不完全一致、电气设备不尽相同的情况，因此在实际工程中还需要继电保护人员对继电保护配置方案进行相应调整。
参考文献[1]徐凡，俞国勤，顾临峰，等．电动汽车充电站布局规划浅析［J］．华东电力，2009（10）.
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[3]陈琛，徐志根，刘术波/青岛供电公司，电动汽车充电站继电保护配置方案的研究.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版．
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