摘　要：基于物聯網技術架構提出了一種適用于電動汽車充電站箱變的電氣安全物聯監測系統設計方案。該系統由 電氣安全智能感知設備、通信網關、電氣安全物聯網監測平臺等構成，可支持充電站箱變充電樁出線回路電流、電纜 溫度、剩余電流、故障電弧、短路電流等數據采集監測，并通過4G網絡上送數據到電氣安全物聯網在線監測平臺。根據此設計方案開發了電氣安全智能感知設備、通信網關和系統軟件。工程實踐情況表明，系統可有效識別電動汽車 充電站箱變低壓線路電氣火災安全隱患，能為運維部門快速檢修提供決策依據，避免火災事故發生。 

  關鍵詞：電動汽車充電站；電氣火災；故障電??；物聯網

引言

  隨著新能源汽車產業的發展，國家電網公司建設并運 營了大量的電動汽車充電站。電動汽車充電站箱變作為充 電樁的電源供應點，其運行可靠性至關重要。目前，大多 電動汽車充電站箱變低壓開關出線回路未采取任何監測手 段，存在管理盲點和安全隱患。充電站處于24h不停機運 行狀態，低壓充電樁線路一直持續帶電運行，線路老化、 接頭松動、絕緣受損等都會造成電氣回路打火、短路等故 障，極易引發電氣火災。電纜溫度、剩余電流、故障電弧 探測是目前電氣火災和電氣安全監測的主要手段。我國對 電氣火災監測告警建立了國家標準［1－3］，與之對應的主要 產品技術形態為組合式電氣火災探測器和故障電弧探測器。當故障電弧產生時，其中心溫度高達3000～4000℃， 甚至超過5000℃，并伴有金屬熔化物噴濺，極易引燃線 路絕緣層而導致線路起火。如果在故障點附近存在可燃 物，也極易引燃而導致火災。故障電弧探測是電氣火災監 測的重要組成部分，越來越受到業界的關注［4－7］。目前市 面上的組合式電氣火災探測器和故障電弧探測器是兩個不 同的產品，在實際工程實踐中存在安裝不便、占用空間 大、組網困難、施工麻煩等情況。

  近年來，隨著智慧消防平臺的建設，對電氣火災和電 氣安全監測設備也提出了物聯化要求［8］。為此，本文提出 了一種適用于電動汽車充電站箱變電氣安全物聯監測系統 設計方案，開發新型電氣安全智能感知設備，通過單一設 備實現低壓電氣回路電氣火災多要素監測，包括電壓、電 流、電纜溫度、剩余電流、故障電弧、短路電流等。監測 設備接入通信網關，并通過4G通信網絡上送數據到電氣安全物聯網在線檢測平臺。

系統構成

  如圖1所示，系統由邊緣感知層、網絡層、平臺層和 應用層組成。其中邊緣感知層包括電氣安全智能感知設 備、通信網關。電氣安全智能感知設備安裝在箱變低壓配 電回路上，通過RS－485總線和通信網關連接。通信網關 支持4G通信，經數據加密后接入電氣安全物聯網監測平 臺。平臺層實現電氣安全監測數據實時采集、存儲和處理。應用層實現了電氣安全運行監測、告警、統計、工單等功 能，展現方式包括大屏幕、Web應用、微信小程序等。

邊緣感知層設備

1電氣安全智能感知設備 

1.1工作原理

  如圖2所示，電氣安全智能感知設備接入充電站箱變 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。本文開發的電氣安全智能感知設備基于 高頻電流采樣數據，建立電弧故障時電流暫態物理模型， 結合機器學習方法對電流時序采樣數據進行模式識別，判 別故障電弧事件。和市面上現有故障電弧探測器產品相 比，該裝置通過常規的外置電流互感器電流采樣實現故障 電弧識別，和一次電流規格無關；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，同時也提供短 路電流動作波形記錄，為事故分析提供依據，為責任認定 提供證據；還提供常規的組合式電氣火災探測器功能，包 括回路電流、溫度、剩余電流監測預警。

1.2組合式結構設計

  實際運行環境中往往需對電動汽車充電站箱變多個三 相低壓配電回路實現電氣安全監測。采取常規方案時一個 監測設備對應一個回路，每個設備都需要連接供電電源、 RS－485通信線等，接線量多，容易出錯。同時，監測設 備體積大，開關柜安裝空間受限時安裝不便。如圖3和圖 4所示，本文設計的電氣安全智能感知設備采取組合式結 構設計。感知設備由一個供電模塊、多個監測模塊構成。一個監測模塊可實現一個三相回路或三個單相回路電氣安 全多要素監測，模塊與模塊之間通過插件式總線連接，總 線提供了設備之間的供電和通信連接。設備通過一個集中 的供電通信模塊接入外部電源，并對外提供通信接口，設 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空氣開關大小，寬度為18mm，采取35mm標 準導軌式結構，安裝簡單、方便。

圖3電氣安全智能感知設備組合

1.3通信組網

  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 總數據后，通過RS－485通信接口接入通信網關。通信網 關可提供多個串口，接入多組智能感知設備。通信網關對 外提供4G通信接口，通過4G網絡上送數據到電氣安全 物聯網監測平臺。

1.4帶電安裝

  為了方便施工，本文設計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。施工時無需開斷主回路，可帶電安裝，從而大 大減輕了現場安裝工作量，縮短安裝時間，且對主回路沒 有任何影響，確保充電站系統運行安全可靠性。

通信網關

  通信網關由中央處理器模塊、模擬量輸入、開關量輸 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RS－485接口，用于接入電氣安全智能感知 模塊，多支持96個模塊。裝置支持LoRa通信接口，可 通過無線方式接入采集設備。裝置提供4GCat．1通信接 口，向監測平臺發送采集到的數據。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 量輸入部分提供三路開關量采集。

安科瑞電氣火災監控系統

1.概述

  Acre1-6000電氣火災監控系統，是根據國家現行規范標準由安科瑞電氣股份有限公司研發的全數字化獨立運行的系統，已通過國家消防電子產品質量監督檢驗中心的消防電子產品試驗認證，并且均通過嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產品在低壓配電系統中的安全正常運行，現均已批量生產并在全國得到廣泛地應用。該系統通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監視，實現對電氣火災的早期預防和報警，當必要時還能聯動切除被檢測到剩余電流、溫度和故障電弧等超標的配電回路;并根據用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業微電網管理云平臺或火災自動報警系統等進行數據交換和共享。

2.應用場合

  適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛生、金融、電信等領域。

3.系統結構

4.系統功能

  監控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發出聲、光報警信號，同時設備上紅色“報警”指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類型，記錄報警時間，聲光報警一直保持，直至按設備的“復位”按鈕或觸摸屏的“復位”按鍵遠程對探測器實現復位。對于聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲”按鍵手動消除。

  當被監測回路報警時，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警消除后，控制輸出繼電器釋放。

通訊故障報警：當監控設備與所接的任一臺探測器之間發生通訊故障或探測器本身發生故障時，監控畫面中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障”指示燈亮，并發出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發生故障時，監控設備也發出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲響。

  當發生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲在數據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。

5.配置方案

工程應用案例

  在上海市電力公司青浦供電公司管轄范圍內的意邦充 電站、國家會展中心充電站、長三角水鄉會客廳充電站箱 變安裝了電氣安全智能感知設備，實現充電站箱變低壓配 電回路電氣安全實時在線監測?，F場實物如圖8所示。系 統運行期間，多次發現了運行中存在電纜超溫、剩余電流 越限、故障電弧安全隱患缺陷。運維部門根據系統告警提 示及時進行了檢修，消除了安全隱患，避免了事故擴大。

結語

  采取有效技術手段防止電氣火災發生是電動汽車充電 站運行管理的重要工作內容。針對現有電氣火災和電氣安 全監測設備存在的功能簡單、體積大、安裝不便等問題， 本文提出了電氣安全物聯網監測系統。該系統通過電氣安全智能感知設備實現引發電氣火災的多種要素的統一監測 感知和告警，且安裝簡單方便，擴展性強。應用實例表 明，應用本文設計和開發的電動汽車充電站電氣安全物聯 網監測系統，可有效提升電動汽車充電站電氣安全監測水 平，避免電氣火災發生，提升充電站運行可靠性。