浅谈充电桩在办公园区改造设计及应用

　　摘要： 本文通过实际工程案例，对大型办公园区电动汽车充电设施的加建和改造中出现的重难点问题进行分析，对充电设施设置区域的选址、配电系统、消防系统、照明及监控系统和充电设施的管理运维系统提出了相应解决方案，为既有和新建大型办公园区电动汽车充电设施的建设、运营与监管提供参考。
　　关键词： 大型办公园区; 充电设施; 智慧运维管理系统；汽车充电桩 0 引言
　　2020 年工信部发布的《新能源汽车产业发展规划( 2021－2035) 》中显示，预计到 2030 年，我国新能源汽车保有量将达到 6 420 万辆。2020 年 3 月，国家更是将充电桩建设列为＂新基建＂重要领域之一，但在充电设施加建和改造的实际工程中，经常遇到因缺少充电桩电源、充电设施缺乏有效管理致使充电桩利用率低下、充电车位布局不合理、桩体无主动预警及防护功能等问题。
　　在此类工程的设计过程中，面临的问题主要有: 充电设施在电源条件有限的情况下如何建设;设置在地下车库的充电设施在加建改造中对于消防安全如何考虑; 大型园区充电设施较为分散，建成后如何运维和管理等。 1 项目背景
　　1.1 项目概况
　　本项目为某办公园区充电桩扩建与改造项目，以城市主干道为界分为东西两个地块。其中1地块加建改造充电区域10个，2地块加建改造充电区域4个，总计新建改造的充电桩数量为499个.
　　1.2 充电区域的确定
　　充电区域的确定对本工程的施工、投资及项目落地起着关键作用，同时也是本工程设计的重难点。首先从空间区域来分析，主要分为室外地上充电区域和室内地下车库充电区域。本工程充电区域的确定应遵循以下原则。
　　(1)根据使用方需求划定充电区域，有需求才有建设的意义。
　　(2)根据用电负荷的电源情况，一是选择自有电源能够保证的区域，二是选择新增扩容市政电源便于取得的区域。若是扩容区域，还应考虑室外箱式变电所用地位置。
　　(3)划分充电车位及区域时应不破坏原停车位布局，在尽量不减少原车位数量的前提下进行规划与设计，保持原地上及地下车道流向。
　　(4)充电车位数量的确定应满足办公园区电动汽车发展规划的要求，并与园区配网现状和园区发展规划密切结合，以满足中远期对充电桩的需求，同时也要考虑供电可靠性的要求。
　　(5)充电车位及区域应满足环境保护和消防安全的要求，特别是建设在地下的停车位应能满足《电动汽车充电站设计规范》GB/T50966-2014、《汽车库、修车厂、停车场设计防火规范》GB50067-2014《电动汽车分散充电设施工程技术标准》GB/T51313-2018和建筑设计防火规范》GB50016-2014(2018版)中的相关要求。应首先考虑土建防火单元易于改造的区域，其中包括防火单元防火墙、防火卷帘、疏散通道及安全出口、送排风、排烟系统、火灾自动报警系统改造等。
　　(6)充电车位及区域不应选在室外易积水、地势低洼的场所，同时也不应选在易发生次生灾害的地点。
　　(7)室外地上充电区域，应选择距离建筑主体大于6m,且地势平坦不易积水的区域。
　　(8)根据充电区域现场实际情况确定充电设施的类型、数量、规格和技术方案。
　　(9)每个充电区域宜预留一定的备用建设条件。
　　本工程基于以上原则确定了充电区域和充电设施的数量。
　　1.3市场现有技术方案
　　(1) 纯交流慢充方案交流输出功率7kW,额定电压220V/380V,充电接口标准GBT20234.2,多以壁挂式、立柱式、地挡式的充电桩形式为主，优势是可以独立分布式安装，即插即用，占地面积小，移动灵活。交流充电桩只是单纯提供电力输出，需要连接车辆车载充电机，才能起到为电池充电的功能。由于车载电机功率比较小，导致交流充电桩充电较慢，一般需要8h左右才能充满。
　　(2) 纯直流快充方案输出功率30kW/60kW/120kW,额定电压380V,以落地安装和壁挂式充电桩形式为主，桩体尺寸较大，安装位置要求较高。市场上纯电动汽车的充电方式以直流充电为主，充电速度快，1~2h就能完成充电。
　　(3) 交直流快慢结合方案此方案可满足绝大多数车辆的充电形式，可使交流和直流充电优势互补，布局配置相对灵活。
　　(4) 直流快充充电堆（一拖多分体式直流充电机)一股充电桩的功率是固定的，无法满足不同功率需求的车辆充电，不能适应当前迅速发展的电池技术，使得充电桩体的淘汰周期一般较短，造成浪费。充电堆方案的提出解决了以上问题，充电堆的概念是随着一拖多充电模式的产生而出现的，是利用电源模块及合理分配充电功率的一种形式。它是将交流变为直流的电源集群，同时配置相应的充电桩作为输出端，充电机可配置多路充电终端，满足多个车位同时充电，根据选用的额定功率不同，平均充电功率可选为30kW、40kW,60kW等，任意车位支持功率输出。技术特点有：
　　1)功率共享，将充电站内所有功率集中，每个充电终端都可以从这个功率堆中获取需要的功率：
　　2)柔性充电，根据车辆接口协议所发出的充电需求，按需分配充电功率：
　　3)平滑扩展，随着电池充电倍率的提升，充电功率需求的增大，可扩充功率堆的功率以满足充电的需求：
　　4)节能，不论充电需求如何，都可保证充电设备可以工作在负载率区间。
　　（5）小功率直流群充系统：该方案采用小功率直流群充电方式，单台直流充电机分管6个充电车位，根据接入充电车辆的数量灵活分配充电功率，确保所有车辆都能在一定时间充满。负荷控制器一边实时采集监测电网配变信息（包括低压总表信息、主变高压侧信息等)：一边获取充电设备的实时运行信息（包括充电负荷、充电状态、故章信息)。通过充分考虑变压器总负荷变化动态及充电需求，动态调整充电功率和控制充电设备启停，可实现智能调度、保证电网安全。1台分时充电机配合多台直流终端使用，可实现多个车位的小功率直流轮流充电，单车位充电功率为3.3kW~20kW。
　　（6）交直流快慢充混合+负荷约束该方案采用交直流混合充电方式，以交流集中充电为主、直流快速补电为辅。同＂本功率直流群充电方式＂一样，负荷控制器一边实时采集监测电网配变信息，一边获取充电设备的实时运行信息。
　　（7）纯交流慢充+负荷约束该方案全部采用交流充电方式，负荷控制器一边实时采集监测电网配变信息，一边获取充电设备的实时运行信息。1台12慢总控箱配合12台交流终端使用，可实现12个车位的同时充电，单车位充电功率7kW,用户可通过扫描二维码实现充电启动。 2 本工程设计方案
　　本工程按照＂适度超前、统筹布局、市场运作＂的原则进行技术方案的设计。主要的设计内容包含充电桩停车位总体规划布局、充电电力配电系统设计、充电设施照明系统设计、充电设施视频监控系统设计、火灾自动报警系统改造设计。
　　2.1充电站供配电系统方案
　　1）供电电源接入方案
　　本项目充电设施数量较多，所需的用电负荷较大，原有建筑配电系统不能满足新增充电设施的负荷需求，加之建设方希望充电设施的运维管理能够独立运营，所以本项目的供电电原接入方案是独立从市政引入1kV专线，充电设施变配电系统独立于园区既有系统。
　　两个区域地块分别由市政引来1路10kV进线至该区域充电设施总开闭所，电能计量采用高供高计方式，在开闭所高压侧设专用计量柜，内设计量总表。从开闭所至该地块各区域新建充电桩变电所的供电以1OkV高压供电方式组网。1OkV高压接线方案见图1~2所示。
　　图1 一地块充电区域 10kV 高压接线方案
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　　图2 二地块充电区域 10kV 高压接线方案
　　2）变配电所的设置
　　1地块新建开闭所1座、地下车库新建变电所5座、室外箱变5座，总变压器装机容量8080kVA。2地块新建开闭所1座，地下车库新建变电所3座，室外箱变1座，总变压器装机容量4110kVA.
　　开闭所位置的确定首先要依据当地供电局电源位置就近来设置，其次结合园区总平面选择对园区风貌影响较小的位置，同时也要保证进出线方便和靠近负荷中心的位置。
　　对于室外地上的充电设施，较容易选择变电所位置，可以采用室外箱式变电所保证进出线方便、避开积水低注地和室外水暖管线即可。但对于园区地下车库新增变电所，其位置的选择相对困难，所以根据各区域充电桩的需求，本工程尽量先在室外布置充电桩，再在地下车库设置，且尽量设置小功率的充电设施以成少变压器容量，从而使地下车库变电所的面积尽量减小：再就是变电所层高的问题，本项目室内地下车库的变电所设计均采用上出线的形式，以减少对层高的要求，布线桥架尽量避开内部通风管道：最后就是变电所设计时应一并考虑相关专业的配合，例如建筑防火、结构荷我、变电所通风、消防设施等。各区域变电所位置见图3~4所示。
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　　图3 一地块变电所区位图
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　　3）充电桩方案选择
　　1)室外地上充电区域：对于办公园区室外地上停车位，主要以临时停车为主，兼项一些大型客车、货车和周边的社会车辆。因为室外区域较为开阔，相较地下车库更容易避险，所以，从需求考虑，适合大功率直流快充充电堆方案，同时结合智慧灯杆与充电桩、监控摄像机集成的形式，以实现对充电堆的综合管理：从设计角度分析，由于直流快充充电桩体积较大且充电电流大，操作维护距离也有一定要求，所以尽量利用地上车位作为快充充电车位。
　　本项目地上车位均采用分体式直流快充电机拖5的电堆方案，1个充电堆配置5个末端电枪，每个电枪平均功率为60kW。同时将末端充电枪与智慧灯杆进行集成化布置，便于管理的同时助力打造示范、展示区。
　　2)地下车库区域：将地下车库充电区域划分为不大于1000m的独立防火单元，同时每个防火单元保证2个疏散出口，其中一个出口直通室外（楼梯间出室外），相应增加防火隔墙、防火卷帘，同时对排烟系统和火灾自动报警系统进行改造，以满足规范要求。本工程中由于地下车库的空间有限，在尽量不损失原有车位的情况下，需尽量选择尺寸较小、挂墙安装且功率较小的桩体，故最终选择交流7kW慢充+负荷约束和小功率直流群充的充电方案，不仅提高充电效率，又能通过负荷控制器对整体充电桩运行状态的监测、控制保护等，确保用户充电安全。
　　2.2充电区域照明系统设计方案
　　充电区域的照明设计分地下车库区域和室外地上停车两部分内容。前者是在原有车库照明的基础上增加局部照明，以满足电动汽车的充电操作及日常维护，后者以智慧路灯为主，确保每个充电桩满足使用照度要求。
　　1）室内地下车库充电车位增加雷达感应灯
　　在地下车库安装充电桩的位置增加雷达感应灯，便于工作人员日常对充电桩进行维修、查询等操作。电源采用低压220380V。灯具采用雷达感应ED灯具（具有延迟可调功能），人员使用充电设备时开启灯具，人员离开时熄灭或以低亮度工作。
　　2）室外地上设置智慧灯杆
　　室外采用智慧灯杆集成电动汽车充电桩方案，灯杆设置ED灯具，配合终端控制器实现远程开关、调光、电能数据和灯具状态查询等功能。
　　2.3充电区域消防改造设计方案
　　与消防改造相关的区域主要是地下车库设置充电设施的区域，本项目改造内容如下。
　　(1) 对2-1#主楼地下车库、2-2#主楼地下车库、2-3#主楼地下车库、2-4#主楼地下车库、1-1#楼地下车库、1-2#楼地下车库、1-7#和1-8#楼地下车库、1地块东侧院外停车场地下一层车库8个充电区域的防火单元增加防火分隔墙体及卷帘。
　　(2) 在地下车库新建充电设施变电所内设感烟、感温两种探测器。
　　(3) 在地下车库新建充电设施变电所内设消防专用电话分机。
　　(4) 新增防火卷帘的联动设计
　　1）车道上的防火卷帘：防火分区内任两只独立的感烟探测器或任一只专用感烟探测器报警，卷帘下降至距楼板面1.8m处：任一只专用感温探测器报警，卷帘下降到楼板面。
　　2）在防火卷帘的两侧距卷帘纵深(0.5~5m)内增加2只专用于联动防火卷帘的感温火灾探测器。
　　3）非消防用电切除
　　在新增充电桩变电所出线回路等非消防回路，断路器装设分励脱扣器及辅助开关，发生火灾时由报警总线发出控制信号自动断开相关区域的非消防电源，正常照明电源在消防水系统动作前切断。
　　4）充电设馆变电所气体灭火系统
　　(1)气体灭火系统接入原火灾自动报警系统的消防控削室内，并将信号上传至智能电力运维管理系统进行监控。
　　(2)在地下车库新增的充电设馆变电所设＂气体火火系统。气体火火控制壮于保护区门外墙上明装，安装高度为底边距地1.5m,
　　(3)变电所内报警信号第一次触发时，由气体火火控制器启动设在该防护区内的火灾声光警报器报警.
　　(4)当报警信号再次触发时，关闭送排风机及阀门，停止通风系统并关闭设＂在该防护区域的电动防火阀：联动关闭防护区域的门、窗：启动气体灭火装置（设定0-30s的延迟喷射时间）。
　　(5)气体灭火装置启动及喷放各阶段的联动控制及系统的反馈信号（包括火灾探测器的报警信号，选择阀及压力开关的动作信号)均反馈至消防联动控削器。
　　5)防排烟系统联动设计
　　由于地下室设充电桩区域进行新的防火单元改造与划分，所以原地下车库的排烟风管、补风风管及相应防火阀、风口应按照新的防火单元进行改造，以完善消防送风排烟的功能。同时应进行联动控制的改造。
　　6)增设灭火器
　　本工程在地下车库充电车位防火单元内应按E类火灾严重危险级布置灭火器，每处灭火器布点设2具5kg手提式干粉（磷酸铵盐）灭火器，保护距离9m
　　2.4充电区域视频监控系统设计方案
　　为满足充电区域较为分散但要实现集中视频监控的需求，本方案基于P构架进行分散部署，集中管理末端监控图像并通过互联网传输，总控设在1地块2号楼7层运维调度申心，总控巾心通过固定IP地址（专线）光纤接入nemt,其他充电区域的监控信号采用H.264视频压缩算法和G.711A音频压缩算法进行压缩编码，将压缩后的数据通过4G/5G网路接入tet发送给总控中心服务器，实现远程监控功能。该系统主要由地下车库前端网络摄像机、室外智慧灯杆监控摄像机、管理监控平台、管理客户端组成。其中，监控平台采用CS架构的统一客户端进行7×24h监控，集成Wb服务、管理认证、数据库、存储、转发、回放等功能模块。 3充电设施智慧运维平台搭建
　　由于本工程充电设施区域范围大且分散，人工管理难度大，所以本工程设计搭建一套充电设施智慧运维平台，集成充电桩运维管理系统、充电区域火灾自动报警系统、充电区域视频监控系统、智慧配电运维管理系统及室外智慧灯杆管理系统。
　　充电设施智慧运维平台设置在园区1地块2号楼7层充电设施运营调度机房内，机房内由24值班人员对平台进行维护和管理。
　　3.1充电桩运维管理系统
　　基于云计算平台对本工程建设的499个充电桩进行有效的监控、计费和管理，并通过互联网来实现对于充电的相关服务。云客户端实现了对于信息的记录、监控和控制，客户能够通过云客户端查询相关的充电信息和充电监控视频。通信模块能够通过GPRS、北斗、4G/5G以及Wi-Fi等网络将云服务器端的数据信息转换到云客户端上。
　　该系统平台具有充电桩运营管理、计费策略管理、设备安全管控及故障信息上报、接入上级监管平台，手机App实时查询等功能。
　　3.2智能配电运维管理系统
　　该系统通过变电所内的各类传感器、采集器和通信设备，将各种数据通过4G/5G网络传送到运维服务平台上，通过平台系统对充电站新增的开闭所、室内变电所、室外箱变进行远程、集中、实时监控，实现配电房＂无人值守、少人值班＂的目标，并通过大数据平台、资产管理和专家诊断系统等辅助支撑系统，为配电室的安全运行、故障诊断、状态预警提供智慧分析与精确指导，让用配电更加安全可靠。时查询。
　　3.3充电站智慧灯杆管理系统
　　智慧灯杆以智慧杆为截体，搭截智慧照明、无线AP、视频监控、充电桩、微基站、LED信息屏等设备，构建智能杆管理系统网络，为园区地上新建充电设施提供智能化信息基础设施网络的搭建。
　　该系统平台实现功能有：(1)智能照明：(2)无线单灯控制器管理：(3)LED信息屏：(4)集成云摄像机功能：(5)一键求助：支持本地救助、报警等功能：(6)集成电动汽车充电桩：(7)智能物联网关。 4 安科瑞充电桩收费运营云平台
　　4.1概述
　　AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
　　4.2应用场所
　　适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
　　4.3系统结构
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　　系统分为五层：
　　1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。
　　2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
　　3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
　　4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
　　5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
　　小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
　　4.4安科瑞充电桩云平台系统功能
　　1）智能化大屏
　　智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
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　　2）实时监控
　　实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。
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　　3）交易管理
　　平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
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　　4）故障管理
　　设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
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　　5）统计分析
　　通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
　　6）基础数据管理
　　在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、 冻结和解绑。
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　　7）运维APP
　　面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
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　　8）充电小程序
　　面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
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　　4.5系统硬件配置
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　　5 结束语
　　既有大型办公园区电动汽车充电设施改造工程因其范围大、点位多而分散、涉及供电、消防、控 制、管理、安全、可实施性等诸多方面，需要进行综合实地勘察和全方位设计方案的确定，电气设计人员在准确把握规范的同时，还需对现代充电、控制、通信等技术进行深入了解，有助于解决充电车位实施过程中的通电难点问题，满足新能源汽车发展的需要。 参考文献
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　　［2］ 新能源汽车产业发展规划( 2021－2035) ［Ｒ］．国务院办公厅，2020．
　　［3］ 中国汽车技术研究中心．中国新能源汽车产业发展报告( 2021) ［M］．北京: 社会科学文献出版社，2021．
　　［4］ 安科瑞企业微电网设计与应用手册 .2022.05版
　　［5］ 田剑．电动汽车智能充电桩的设计与实现［J］．科技与创新，2016( 01) : 22．