光储充一体化：革新电动汽车充电站建设，赋能未来能源应用

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：往昔建设电动汽车充电站时，多以电网为主导。而光储充一体化方案的出现，能有效破解有限土地资源下配电网难题。借助能量存储与优化调配，达成本地能源产出和用能负荷的基本平衡，既能按需与公共电网灵活互动，又可相对独立运作，还能最大程度利用新能源，减轻充电桩用电对电网造成的冲击。能耗方面，采取直接用储能电池给动力电池充电的方式，能源转换效率得以提升。

关键词：公交充电站；储能系统；光伏系统；充电可靠性；能源监控管理

1. 研究背景

“新基建”契合国家长远发展与“两个强国”建设战略诉求，作为具备集约高效、经济适用、智能绿色、安全可靠等特性的现代化基础设施体系总称，意义深远。电动汽车充电服务设施作为“新基建”关键领域，对加快城市公交、市政环卫等公共领域运输车辆新能源化，推进北京等地新能源汽车充电桩布局意义重大，借助汽车充电网智能调度，可助力电网削峰填谷、柔性化发展，让新能源汽车存储夜晚低谷时段的弃风、弃光、弃水电量，在高峰期使用，化解上下游能源供需矛盾。当下，党中央、国务院对新型基础设施建设高度重视，其作为“十四五”产业新引擎，对数字经济、智慧和谐社会构建助力颇多。

2. 光储充一体化公交充电站建设的必要性

2.1 现有充电站面临的问题

2015 - 2019年，北京建成超130座公交充电站，总需求容量超500MVA，年用电量超3.2亿kWh，过程中暴露出三类突出问题：其一，公交充电负荷呈现短时长、负荷大、频次多、峰谷落差大特征，对电网形成大电流冲击；其二，新站选址建设时，超30%站点的用电需求超出局部电网承载能力；其三，已投运站点约25%存在容量缺口，供需匹配度欠佳，制约新能源汽车推广。

2.2 现有充电网络面临的挑战

公交充电站作为城市关键基础设施，其规划合理性关联城市交通与电动公交产业发展。大规模电动汽车充电网络建设，既让既有配电网扩容压力剧增，又因充电负荷不连续、无序充电频现，对电网产生冲击与不良影响，亟待解决。

3. 光储充一体化公交充电站的总体设计

选定朝阳区东苇路和大鲁店348路两处公交场站作综合能源示范试点，两处已建260kWh/站储能设备，缓解部分供电压力但仍有欠缺。现基于此建设光伏系统与能量监控管理系统，达成并网自动化运行，借助能量监控管理系统智能化管控光伏、储能及充电设备，采集运行数据，优化调度能量，实现削峰填谷、经济用电。

3.1 光储充一体化系统架构

智能配电柜：改造配电或储能系统交流母线，满足光伏并网条件。

微网监控调度单元：安于智能配电柜，借以太网或CAN接口查设备状态、控运行，经局域网与监控调度中心双向交互数据，接受调度管理。

图1光储充一体化整体设计方案示意图

电池储能装置：涵盖电池及管理系统、DC/DC模块组与DC/AC变流器，规格依光伏储能系统总体参数定，电池及变流器结构多样。

充电桩：在光伏储能系统兼具负荷与电源特性，通过CAN或以太网与MDU通信，还能与电动汽车交互信息。

3.2 光伏系统威廉希尔官方网站 方案

分布式光伏发电系统含光伏电池组件、方阵支架等多类设备及监控、监测装置。有太阳时，太阳能电池组件阵列将太阳能转电能，经汇流箱、配电柜，由逆变器变交流电供负载，余电或缺电借电网调节。夜晚，蓄电池组经逆变器供配电柜用电，系统设限荷、防雷装置护设备安全。

3.3 现状储能系统威廉希尔官方网站 方案

现有100kW/260kWh储能设备接入低压母线，应对容量不足场景，电网配变容量不够时补充功率。含智能配电等多部件，BMS管电池充放电、监测状态，监控主机存数据、显信息助用户判断。电池选磷酸铁锂电池，有多重保护与均衡功能，变流器模块化设计、三电平拓扑，新建大容量缺口场站可考虑钛酸锂电池。

3.4 能源监控管理系统威廉希尔官方网站 方案

系统物理架构分应用、网络、感知三层，应用层供接口析负荷数据，网络层传数据，感知层采设备数据实现多系统监视控制。

图2能源监控主站系统结构图

应用层主要是提供网络任意端上应用程序之间的接口，实现对负荷数据分析等。

网络层负责数据透明传输，可实现设备运行信息、设备运行控制命令的传输，一般包括接入层和核心层。

感知层负责识别、采集整个系统所有设备、传感器的运行等数据，实现储能系统、试验平台、配网信息、用电信息、无功补偿、谐波治理等系统和设备的监视和控制。

4. 光储充一体化充电站建设应用分析

减少局部配电网接入压力：合理配置光储系统，契合充电与电网发展需求，缓解局部配电网接入负担。

提升电网整体可靠性：光伏、储能并网，可离网供电，应对电力故障抢修，增强充电站供电可靠性。

节能高效、清洁环保：建微网能量管理系统，多用清洁能源，践行绿色低碳理念。

推动智能电网的发展：优先用新能源，改善能源结构，按需生产调度，适配多样电源与用电需求。

5系统概述

5.1概述

Acrel - 2000MG微电网能量管理系统依新型电力系统要求研制，适配多能源接入，全天候采集分析数据，监控各单元状态，集监控与能量管理于一体，保安全、求经济，助可再生能源利用、电网稳定、负荷平滑，为企业微电网管理供新方案，采用分层分布式结构，支持多通信规约。

5.2威廉希尔官方网站 标准

本方案遵循的*家标准有：

本威廉希尔官方网站 规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台*2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范*5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范*6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全威廉希尔官方网站 网络基础安全威廉希尔官方网站 要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统*5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统*5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统威廉希尔官方网站 规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统威廉希尔官方网站 规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统威廉希尔官方网站 规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统威廉希尔官方网站 规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置威廉希尔官方网站 规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制威廉希尔官方网站 规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应威廉希尔官方网站 要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理威廉希尔官方网站 导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网*1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网*2部分：微电网运行导则

5.3适用场合

系统可应用于城市、*速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

5.4型号说明

5.5系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

6系统功能

6.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

6.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的较大、较小电压、温度值及所对应的位置。

6.1.3风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.4充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

6.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

6.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

6.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

6.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

6.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

6.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

6.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）*供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*分百和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视*功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视*功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：*电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、较大值、较小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

6.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

6.9曲线查询

应可*曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

6.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

6.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可*线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动*界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

6.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

6.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

6.14故障录波

应可以*系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提*电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个interwetten与威廉的赔率体系 量、10个开关量波形。

图28故障录波

6.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户*定和随意修改。

图29事故追忆

7硬件及其配套产品

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acrel-2000MG		内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等
2	显示器	25.1英寸液晶显示器		系统软件显示载体
3	UPS电源	UPS2000-A-2-KTTS		为监控主机提供后备电源
4	打印机	HP108AA4		用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
5	音箱	R19U		播放报警事件信息
6	工业网络交换机	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆威廉希尔官方网站 等威廉希尔官方网站 问题
7	GPS时钟	ATS1200GB		利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
8	交流计量电表	AMC96L-E4/KC		电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视*功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、 四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
9	直流计量电表	PZ96L-DE		可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
10	电能质量监测	APView500		实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
11	防孤岛装置	AM5SE-IS		防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
12	箱变测控装置	AM6-PWC		置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
13	通信管理机	ANet-2E851		能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总: 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据:
14	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统"的状态数据，反馈到能量管理系统中。 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
15	遥信模块	ARTU-K16		1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器: 读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 2)采集水浸传感器信息，并转发3)给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发

8结语

当前充电站建设有局限，光储充一体化更契合商业园、工业园等场景，屋顶光伏产电可满足需求、降成本。随着光伏、储能、充电桩产业发展，建设成本将降，退役动力电池梯次利用也为储能提供新思路，前景可期。

参考文献：

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审核编辑 黄宇