电动汽车充电设施典型设计送审稿.docx

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电动汽车充电设施典型设计送审稿

国家电网公司电动汽车充电设施

典型设计

国网电力科学研究院

二00九年十二月

一．设计综述

根据《国家电网公司电动汽车充放电站建设指导意见》，为促进电动汽车充电站的建设，按照“统一标准、统一规范、统一标识、安全可靠、适度超前”的原则，本方案对电动汽车充电站进行了典型设计。

设计主要目标是提供电动汽车充电站的典型设计方案，提供充电站设计和建设过程中的设备选型、配置方法，为充电站的建设提供具体的设计参考。

本方案主要设计内容包括电动汽车充电站的配电系统设计、充电系统设计、监控系统设计、标识系统设计、以及建筑、结构、给排水等其它辅助专业的设计，在实现充电站的基本功能的同时，提高充电站的智能化、自动化水平，实现充电站无人或少人值守运行，达到充电站经济、安全、高效运行，展示国网公司良好社会形象的目的。

大型充电站设计方案中，占地约1700~2000平方米（不同布置方法占地面积稍有不同），设置一幢综合办公楼和其它相关辅助设施，配备12台充电机（2台DC700V/300A（后来改为：

500V/400A）大型充电机，4台DC500V/200A中型充电机，2台DC350V/100A小型充电机和4台交流充电机），并预留换电池方式的设备安置和运行空间；配电系统采用10kV双路常供，单母线接线方式，配变采用干式非晶合金变压器，0.4kV侧采用单母线分段接线方式，两段母线之间设分段联络柜，并设有源滤波无功补偿设备，减少充电站对电网的污染。

配备计量计费系统，配备完善的充电站监控系统，设置配电监控、充电机监控和安防监控系统，实现大型充电站的无人或少人值守运行。

具体设计参见附件《电动汽车大型充电站典型设计方案图》。

中型充电站设计方案中，占地约1000平方米，设置一幢综合办公楼和其它相关辅助设施，配备8台充电机（2台DC500V/200A中型充电机，2台DC350V/100A小型充电机和4台交流充电机）；配电系统采用10kV单路常供，单母线接线方式，配变采用干式非晶合金变压器，0.4kV侧采用双路进线（一主一备），单母线接线方式，并设有源滤波无功补偿设备，减少充电站对电网的污染。

配备计量计费系统，配备完善的充电站监控系统，设置配电监控、充电机监控和安防监控系统，实现中型充电站的无人或少人值守运行。

具体设计参见附件《电动汽车中型充电站典型设计方案图》。

小型充电站设计共提供占地面积50平方米和100平方米两种方案，根据面积大小设置1~2台小型充电机（DC350V/100A）和2~3台交流充电机，根据因地制宜原则进行场地布置，采用0.4kV供电，可根据需要选配充电站监控系统和安防监控系统，就近布置于附近建筑中。

具体设计参见附件《电动汽车小型充电站典型设计方案图》。

二．设计依据

本设计主要参照以下国家，行业，公司标准、规范和指导意见等进行设计。

2.1电动汽车相关技术标准

GB/T18487.1-2001《电动车辆传导充电系统一般要求》

GB/T18487.2-2001《电动车辆传导充电系统电动车辆与交流/直流电源的连接要求》

GB/T18487.3-2001《电动车辆传导充电系统电动车辆与交流/直流充电机（站）》

GB/T19596-2004《电动汽车术语》

GB/T20234-2006《电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求》

GB50156-2002《汽车加油加气站设计与施工规范》

QC/T743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》

YD/T1436-2006《室外型通信电源系统》

Q/GDW233-2009《电动汽车非车载充电机通用技术要求》

Q/GDW234-2009《电动汽车非车载充电机电气接口规范》

Q/GDW235-2009《电动汽车非车载充电机通信规约》

Q/GDW236-2009《电动汽车充电站通用要求》

Q/GDW237-2009《电动汽车充电站布置设计导则》

Q/GDW238-2009《电动汽车充电站供电系统规范》

《国家电网公司电动汽车充放电站建设指导意见》（送审稿）

2.2电气技术标准

GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》

GB/T17215.211-2006《交流电测量设备通用要求、试验和试验条件》

GB/T17215.322-2008《静止式有功电能表0.2S级和0.5S级》

GB12326-2000《电能质量电压波动和闪变》

GB50052-1995《供配电系统设计规范》

GB50053-1994《10kV以下变电所设计规范》

GB50054-1995《低压配电设计规范》；

GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》

SDJ6-83《继电保护和安全自动装置技术规程》

《电力系统继电保护规定汇编》（第二版）

DL/T448-2000《电能计量装置技术管理规程》

DL/T856-2004《电力用直流电源监控装置》

JB/T5777.4-2000《电力系统直流电源设备通用技术条件及安全要求》

DGJ32/J14-2007《35kV及以下客户端变电所建设标准》

2.3土建技术规范

GB50003-2001《砌体结构设计规范》

GB50007-2002《地基基础设计规范》

GB50009-2001《建筑结构荷载规范》（2006年版）

GB50010-2002《混凝土结构设计规范》

GB50011-2001《建筑抗震设计规范》（2008年版）

GB50016-2006《建筑设计防火规范》

GB50037-1996《建筑地面设计规范》

GB50345-2004《屋面工程技术规范》

GB50057-94（2000年版）《建筑物防雷设计规范》

GB50303-2002《建筑电气工程施工质量验收规范》

GB50300-2001《建筑工程施工质量验收统一标准》

GB50202-2002《建筑地基基础工程施工质量验收规范》

GB50204-2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》

GB50017-2003《钢结构设计规范》

JGJ100-98《汽车库建筑设计规范》

GB50067-97《汽车库，修车库，停车场设计防火规范》

JGJ50-2001《城市道路和建筑物无障碍设计规范》

GB50034-2004《建筑照明设计标准》

2.4给排水设计规范

GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》

GB50013-2006《室外给水设计规范》

GB50014-2006《室外排水设计规范》

GB50084-2001（2005年版）《自动喷水灭火系统设计规范》

GB50140-2005《建筑灭火器配置设计规范》

GB/T50106-2001《给水排水制图标准》

2.5配电一次系统

JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》

GB50052-95《供配电系统设计规范》

GB50053-94《10kV及以下变电所设计规范》

GB50054-95《低压配电设计规范》

GB50055-93《通用用电设备配电设计规范》

2.6监控系统

《配电系统自动化规划设计导则》（试行）

《配电自动化及管理系统功能规范》

IEC870《远动设备及系统》

GB/T13729《远动终端通用技术条件》

GB/T13730《地区电网数据采集与监控系统通用技术条件》

IEC61850《变电站通信网络和系统》

GB2887《计算机场地技术条件》

DL451《循环式远动规约》

IEC61968《配网管理系统接口》

2.7视频监控系统

GB12322《通用性应用电视设备可靠性试验方法》

GB12663《防盗报警控制器通用技术条件》

GBJ115《工业电视系统工程设计规范》

ITU-TH.323《网络电视电话系统和终端设备标准》

三．条文名词说明

充电机控制器：

是充电机的控制核心，监控充电机的运行过程，并与其它设备进行通讯，提供双向数据传输功能。

一体式充电机：

指整流（或功率控制）部分、充电机控制器、人机界面以及辅助设备紧密结合成一体的充电机；

分体式充电机：

指整流（或功率控制）部分、充电机控制器和人机界面由两个分立部分组成的充电机，它们之间通过电缆连接组成一完整的充电机。

整流柜：

指分体式充电机中完成整流及充电控制功能的设备，它一般以标准机柜形式提供。

直流充电桩：

是充电机的一部分，固定安装在地面，提供人机操作界面及直流充电接口的设备。

交流充电桩：

指固定安装在地面，采用传导方式为具有车载充电机的电动汽车提供交流电源，并提供人机操作界面及交流充电接口的设备。

四．配电系统

4.1配电系统10kV配置原则

根据《国家电网公司电动汽车充电站建设指导意见》的要求，大型充电站进线电源采用10kV双路供电，10kV侧采用单母线接线方式，不设分段开关。

高压柜采用真空断路器中置式开关柜，设进线计量柜、PT及避雷器柜、出线柜。

图4.1大型充电站配电系统图

中型充电站进线电源采用10kV单路供电，10kV侧采用单母线接线方式。

高压柜采用真空断路器中置式开关柜，当负荷容量小于400kVA时，也可使用负荷开关以减少投资。

设进线计量柜、PT及避雷器柜、出线柜。

图4.2中型充电站配电系统图

4.2配电10kV主要设备选定原则

4.2.1配电变压器类型选择

根据目前电动汽车充电站负荷变化大，空载时间长的特点，建议选用干式非晶合金变压器。

与GB/T10228-1997《干式电力变压器技术参数和要求》相比，其空载损耗仅为规定值的25％~30%，负载损耗为规定值的85%。

因此可以大大降低变压器损耗。

4.2.2配电变压器容量选择

配电变压器容量（

）选择主要根据充电站充电机输出功率（P）折算的输入容量（S）、充电机数量（N）、充电机同时系数（

）及变压器最佳负荷率（

），功率因数（

）决定。

考虑到充电站配电系统安装了有源滤波无功补偿装置，

可以达到0.95，充电机容量折算采用简易算法。

（4.1）

式（4.1）中，

为充电机工作效率，高频整流充电机取0.95，相控整流充电机为0.85。

配电容量为：

（4.2）

充电机同时系数（

）由充电机数量决定，取值范围0.5-0.8。

为变压器最佳负荷率，取0.8。

为除去充电机外其它充电站用总负荷容量，包括照明、办公用电负荷等。

4.2.3高压开关选择

10kV开关柜采用中置式开关柜，内配真空断路器；如需降低造价成本，小于400kVA配电容量时可考虑选用负荷开关。

4.30.4kV系统设计

根据《国家电网公司电动汽车充放电站建设指导意见》，对于大型站0.4kV侧采用单母线分段接线方式，设进线柜、有源滤波无功补偿柜、出线柜，两段母线之间设分断联络柜。

中型站0.4kV侧采用采用双路进线（一主一备），单母线接线方式，设进线柜（带计量）、有源滤波无功补偿柜、出线柜，备用电源进线柜（带计量）。

开关柜：

根据出线断路器的容量，出线柜采用抽屉柜或固定式开关柜。

额定工作电流500A以下的断路器，采用普通塑壳断路器，并采用抽屉式安装；额定工作电流500A及以上的断路器，采用框架断路器，固定式安装。

断路器数量选择：

每台直流充电机独立设置一路出线断路器，4～6台交流充电机设置一路出线断路器，充电站内用电路设置一路出线断路器，通过站内交流配电箱分别给站内照明、空调、风机、插座等设备供电。

断路器配置辅助触点和报警开关，以便和综自系统配合工作。

低压配电线路敷设：

低压配电柜、整流柜、充电桩之间采用YJV系列电力电缆在电缆沟内敷设；综合办公室内采用BV导线穿可扰金属管暗敷。

接地系统：

采用变压器中性点直接接地系统，采用TN-S接地方式，接地电阻不应大于4欧姆。

4.4有源滤波及无功补偿系统设计

4.4.1设计中考虑和解决的问题

1）无功补偿和滤波必须兼顾，在抑制和改善谐波的基础上，必须保证总功率因数在电网公司要求的范围内；因此设计中必须考虑所选用的无功补偿和滤波的技术及容量匹配。

2）必须保证无功补偿和滤波装置运行中不发生串并联谐振，避免造成对负载、电源及无功补偿和滤波装置本身的危害。

3）充电站谐波次数主要为5，7，11，13，其中5次谐波电流含有率最高，7次次之。

有源滤波装置需要具有很好的补偿这些典型次数谐波的能力。

4）当多台充电机一起工作时，由一组充电机产生的电网谐波电流远小于各个充电机单独工作时产生的谐波电流的总和。

4.4.2常用设备类型

国电南瑞科技股份有限公司的NES5311系列有源滤波装置有如下几种常用类型：

NES5311-1：

容量50kVA，额定电流75A（有效值）。

NES5311-2：

容量80kVA，额定电流120A（有效值）。

NES5311-3：

容量120kVA，额定电流180A（有效值）。

可以实现任意型号和数量的自由组合，形成满足不同使用要求的滤波装置。

谐波补偿率大于80%，补偿范围包括2~25次谐波。

补偿后功率因数≥99%。

4.4.3使用选型方法

1）确定补偿容量

补偿容量计算方法为：

（4.3）

式（4.3）中，

表示需要补偿的容量，

为整体修正系数，需根据计算分析结果和实际测定情况综合决定，一般选择0.5~0.8。

分别表示大、中、小型充电机可靠系数，一般取1.05~1.20；

分别表示大、中、小型充电机的充电效率；

分别表示大、中、小型充电机在交流电源输入端产生的谐波电流含有率（取输出电压范围内的最大值）；

分别表示大、中、小型单台充电机功率。

2）进行有源滤波模块的选配

根据确定的补偿容量，兼顾经济性和实用性的前提下，选择有源滤波模块的容量和数量。

3）确定功率因数补偿参数

按功率因数补偿到0.95的目标，计算需要的无功补偿容量，确定电容器的容量和组数。

举例如下：

某个充电站有2台100kW的中型充电机，2台35kW的小型充电机，根据仿真结果，谐波电流含有率取0.3，谐波电流含有率补偿目标取0.05，整体修正系数取0.8，则根据式（4.3）得到补偿容量为：

40kVA。

因此选配50kVA的有源滤波装置。

五.充电系统

5.1整车充电

5.1.1充电机容量设计

充电机参数由车用蓄电池参数决定，国内电动汽车用蓄电池主要是磷酸铁（钒）锂电池和锰酸锂电池，磷酸铁（钒）锂电池的主要生产厂家有深圳雷天新能源公司、天空能源（洛阳）有限公司、湖北保康青山能源研究所、长春锂源新能源科技有限公司，而锰酸锂电池主要的生产厂家为北京国安盟固利、万向集团。

国内电动汽车用蓄电池基本是这些厂家生产，根据对国内大、中、小型电动汽车的调研，主流电动汽车的电池参数共有如下几种：

第一类：

电池容量：

200~800Ah，电池数量120~180只；

第二类：

电池容量：

100~200Ah，电池数量100~120只；

第三类：

电池容量：

100Ah以下，电池数量60~100只；

根据蓄电池的应用情况，并考虑车载式充电机的充电需求，考虑充电机的输出电压/电流范围涵盖常用电动汽车蓄电池充电要求，并采用可行的技术路线，设计如下四种充电机：

第一：

大型充电机，输出电压范围：

450~700V，输出最大电流：

300A；

第二：

中型充电机，输出电压范围：

300~500V，输出最大电流：

200A；

第三：

小型充电机，输出电压范围：

150~350V，输出最大电流：

100A；

第四：

交流充电机，提供交流功率10kW（AC220）。

5.1.2充电机类型选择

根据整流方式的不同，目前共采用相控整流和高频开关整流两种技术模式。

相控整流模式，单机功率大，易于实现大电流、高电压充电，可靠性高，技术成熟，性价比高，易于维修，适用于大功率充电机。

高频开关整流模式，系统效率高，体积小，谐波干扰小，可采用多模块并机工作模式，多模块自主均流，在线插拔，多机热备份工作，体积小，系统可靠性高，适用与中小型功率充电机。

5.1.3充电机模块配置

充电机共有如下几种基本型号：

大型充电机单台最大功率210kW，输出电压DC700V，输出电流DC300A，占用两个800×800mm的标准机柜位置；

中型充电机单台最大功率100kW，输出电压DC500V，输出电流DC100A，占用一个800×800mm的标准机柜位置；

小型充电机由高频开关电源模块组成，单台电源模块最大输出功率8.75kW，输出电压DC350V，输出电流DC25A，两台占用一个800×800mm的标准机柜位置；

设计选用时，根据充电机的输出参数要求，同型号充电机可以多个并联工作，提高输出功率。

例如：

两个大型充电机并联工作，形成输出功率420kW，输出电压范围DC450~700V，输出电流600A的设备。

四个高频开关电源模块并联工作，形成一个输出功率35kW，输出电压范围DC150~350V，输出电流100A的小型充电机。

5.1.4充电机通信接口

充电机是充电站的核心设备，其分别与电动车BMS系统，电能计量表，充电站监控系统和配电通信管理装置进行通信。

充电机与BMS以CAN总线方式通信，以485总线方式和电量计量表通信，同时通过以太网将数据传输给充电站监控系统和配电通信装置，并接受充电站监控系统的控制命令。

对用户已有的充电机，只要能以通信的方式与本设计中的充电机监控器进行通信，接受充电机监控器发出的指令（例如开机，停机，限流，稳压等）就可以融合到本系统中，完成正常的充电功能。

5.2换电池方式

为满足电动车电池的快速更换，减少电动车在充电站内等待时间，可采取更换电池的方式。

在充电站内设置电池充电间并配置电池更换设备如叉车等。

电池组模块需标准化配置。

充电站配置以12节电池组成的标准电池单元为对象的多通道标准模块立体充电架。

充电架置于充电间内，分六层，每层可放5组标准电池组串行连接，根据国内现有可拆卸标准电池组的参数（参见表5.1），由充电站内小型充电机的充电桩控制小型充电机经接触器与每层充电架上的充电端子连接对5组标准电池组进行充电，此种方式可无需为电池组单元充电配备专门的充电机。

充电机与电池组单元内BMS管理系统通信将电压、温度、电流等参数在充电站监控后台显示并接受其控制。

表5.1标准可拆卸电池组参数

电池只数（只）

12

电池容量（Ah）

100Ah

电流范围（A）

0~100A

电压范围（V）

40~51V

六．监控系统

6.1系统概述

充电站监控系统作为充电站自动化系统的核心主要包括充电站监控后台、充电机控制系统、配电系统监控及通信管理机。

其结构如图6.1所示：

图6.1监控系统结构示意图

充电站监控后台主要完成采集、处理、存储来自充电机及配电系统监控的数据；提供图形化人机界面及语音报警功能，完成系统的数据展现及下发控制命令，用以监控充电机及配电系统的运行；除配电站监控SCADA功能外，还提供针对充电站系统的诸如智能负荷调控等高级应用功能，为充电站安全、可靠、经济运行提供手段。

充电机控制系统是充电机的一部分，是充电机的控制中心和通信枢纽。

负责与充电站后台系统交换数据；完成充电机的充电控制；与BMS系统通信获取电池信息；获取计量直流表信息完成充电计费及充电过程的联动；将计量计费、充电机工作信息传送给直流充电桩并获取直流充电桩上送的控制等。

配电系统监控负责针对充电站配电系统的监控及保护功能的实现。

通过通信管理机与充电站后台系统实现双向数据交换。

通信管理机是充电站监控系统的通信核心，负责配电系统监控、充电站监控后台及充电机之间的数据交换；负责向安防系统转发报警信号实现视频监控联动；同时还负责向充电站上级监控系统转发本站相关信息。

安防系统完成充电站的视频监控、消防门禁及周界安全的监控，安防系统通过通信管理机获取配电系统监控及充电机的相关告警信息用以完成视频联动监控。

图6.2监控系统结构详图

6.2充电站监控后台

6.2.1后台构成

充电站监控后台通常由一台服务器与两台工作站组成，也可根据需要增加监控工作站与服务器数量，系统内这些计算机通过以太网络互联。

6.2.2系统功能

数据采集功能

◆采集充电机工作状态、温度、故障信号、功率、电压、电流等；

◆采集电池组温度、SOC、端电压、电流、电池连接状态、电池故障信号等；

◆采集充电站配电系统监控上传的开关状态、保护信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等。

控制调节功能

◆向充电机下发控制命令，遥控充电机起停、校时、紧急停机、远方设定充电参数等；

◆控制配电系统断路器及开关的合分。

数据处理与存储

◆具备充电机或配电系统的越限报警、故障统计等数据处理功能；

◆系统对站内数据根据性质、重要性进行分类，当数据量大时，可以根据预定策略，有选择或自动屏蔽信息，保证重要信息的实时上送；

◆系统具备对配电系统、充电机和电池组遥测、遥信、报警事件等实时数据和历史数据的集中存储和查询功能。

事件记录

◆具备操作记录、系统故障记录、充电运行参数异常记录、电池组参数异常记录等功能；

◆可以对遥信变位、遥测越限、遥控操作、系统核心组件启停等事件按时间、类型、装置等分类显示。

人机操作与图形编辑

◆系统提供实用灵活、功能强大的画面编辑工具；用户可在线编辑、修改任意画面，如接线图、曲线图、棒形图等；支持光影、多种格式的图形文件、可定义运动轨迹的动画并提供多层多平面支持；

◆系统可以显示主接线图、曲线图（电压、负荷曲线）、遥测棒图、系统运行工况图（包括充电机运行状态、通道状态）、实时数据表格等不同种类的画面；

◆图形界面支持多窗口显示，画面可进行无级缩放、平滑移动，具备导航功能；

◆系统提供专用图形插件完成充电机及电池组的监控功能；

◆系统提供图形化操作完成充电机的各种遥控操作。

报警处理

◆提供图形、文字、语音等报警方式以及相应的报警处理功能。

通信功能

◆系统采用CAN、RS232、RS485或工业以太网方式与充电机通信；

◆系统能够通过以太网、串口、GPRS等通信方式与监控中心等上级系统通信。

充电站智能负荷调控

◆系统根据充电站的最大容量，当站内容量超过设定定值时告警，并可依据预定策略闭锁充电机，降低充电机功率，确保充电站的安全运行；

◆当充电站用电负荷达到单台配变容量时，自动下发闭锁命令，闭锁备自投，当负荷下降至解锁门槛时，撤销闭锁。

用户管理和权限管理

◆系统根据需要规定操作员对各种业务活动的使用范围、操作权限等。

权限表中对操作员的操作权限以及用户要求的实时事项信息/报警选择进行实际定义。

报表管理与打印功能

◆使用控件的方式定义数据库和报表系统的接口函数库，用户可以方便的定义各类日报、月报及年报，并具有定时／召唤打印等功能。

系统维护与系统自检

◆具备方便的数据库、图形界面、系统参数等维护工具；

◆系统核心进程的运行状态监控和自动重启等系统自诊断功能。

可扩展性

◆系统具备较强的扩展能力，可以很好地完成不同类型充电机的接入；

◆系统强大的可伸缩性，可以满足充电站规模的不断扩容的要求；

◆支持与计费系统接口，可以与营销系统连接，获取并为计量计费提供实时电价等信息。

GPS对时

◆系统可以接受GPS同步时钟对时，也可对站内各个充电机及智能装置对时，保证系统时间的一致性。

6.2.3系统技术指标

系统容量指标

◆可监控保护测控装置数量≥100

◆可监控充电机数量≥100

系统可靠性指标

◆模拟量测量综合误差≤1%

◆遥信正确率≥99%

◆遥控正确率≥99.99%

◆平均无故障时间（MTBF）≥8760小时

系统实时性指标

◆数据采样扫描周期：

1秒～10秒

◆系统控制操作响应时间：

（从按执行键到充（放）电机执