根据《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》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5.1 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5.2 中型充电站配电系统图
根据目前电动汽车充电站负荷变化大、空载时间长的特点，建议选用干式低损耗节能型变压器。
配电变压器容量（
）选择主要根据充电站内充电机的输入容量(用S表示,根据充电机的输出功率（P）进行折算)、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如下简易算法：
（1）
式（1）中，
为充电机工作效率，高频开关整流充电机取0.95，相控整流充电机取0.85。
配电容量为：
（2）
充电机同时系数（
）由充电机使用情况和数量决定，取值范围0.5～0.8。
为变压器最佳负荷率，取0.8。
为除去充电机外充电站内其它设备用总负荷容量，包括照明、办公用电负荷等。
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。
根据《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》，对于大型充电站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。
中小型充电站0.4kV侧采用双路进线（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
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台交流充电桩设置一路出线断路器，充电站内用电回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、充电机（整流柜、直流充电桩）、交流充电桩之间采用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。
在电动汽车充电站的设计中，有源滤波及无功补偿装置的容量的计算方法如下：
1) 确定补偿容量
补偿容量计算方法为：
（5.3）
式（5.3）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，一般为0.95以上；
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) 进行有源滤波装置的选择
根据确定的补偿容量，在兼顾经济性和实用性的前提下，选择有源滤波装置的容量和数量。
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。
本典型设计中，平面大、中型充电站的充电机配置如下表：
表5.1 平面大、中型充电站配置
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大型充电机DC500V/ |
中型充电机DC500V/ |
小型充电机DC350V/ |
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大型充电站 |
2台 |
4台 |
2台 |
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中型充电站 |
无 |
2台 |
2台 |
按照谐波补偿率大于80%、补偿低于25次的谐波设计，根据
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0.75，
可靠系数均取1.1,
充电效率均取0.85；
中型站计算参数选取如下：
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，
可靠系数均取1.1，
充电效率均取0.85。
据公式（5.3），将大、中型充电站的补偿容量计算结果列于下表。
表5.2 平面大、中型充电站补偿容量
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计算补偿容量(kVA) |
补偿装置配置 |
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大型充电站 |
187.23 |
配置2台120kVA APF装置 |
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中型充电站 |
60.59 |
配置1台80kVA APF装置 |
电动汽车充电方式可分为整车充电方式和更换电池方式两种。整车充电是指不拆卸电池，直接对车辆充电；更换电池方式是指通过更换电池快速实现电动汽车能量补给的方式。
整车充电系统的设计，按如下步骤进行：
第一、了解充电站建设的规模和运行方式
在进行充电系统设计时，首先应明确了解充电站计划服务的电动汽车的数量、类型、充电站场地的大小；
了解充电站的运行方式，如快速、平面充电的电动汽车的数量，具有车载充电机的电动汽车数量，电动汽车充电轮换方式等。
第二、了解电动汽车充电相关的详细技术参数
详细了解电动汽车的电池容量、电池只数、BMS类型、允许的最大充电电流等；具有车载充电机的电动汽车输入功率、输入配电要求等；
第三、确定充电机的技术参数和数量
根据电动汽车电池参数和充电速度的要求，确定充电机的输出电压范围和最大输出电流，由此选择充电机的型号。具体参见
根据预计服务的电动汽车数量、充电速度、充电轮换方式、发展情况、建设投入情况以及充电站场地等，决定站内配置充电机的数量。
a) 技术路线选择
目前主要有相控整流和高频开关整流两种整流模式。
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，适用于大功率的充电机，但有一定的谐波干扰。
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，适用于中小型功率的充电机。
b) 充电机的选型方法
充电机的选型按如下步骤进行：
第一、根据电动汽车电池组的特性及数量，确定最高充电电压；
第二、根据车载电池组的容量和对充电速度的要求，并且根据供电能力和设备性价比，在确保安全、可靠，不影响设备正常工作的情况下确定最大充电电流。一般按电池容量的
第三、在确定最高充电电压和最大充电电流后，首先根据最高充电电压选择充电机，充电机的输出电压应能满足电池组最高充电电压要求；然后选择充电机的输出电流应满足大于
例如：假设某电动汽车采用的是100只300Ah的磷酸铁锂电池串接的电池组，则给其充电的充电机参数按如下选择：
充电机的最大充电电压为电动车上装载的电池只数乘以单体电池的最高充电电压，即充电机的最高充电电压为100×3.9=390V；
充电机充电电流按
则可选择中型充电机(500V/
第四、充电机的通讯协议应满足国家电网公司Q/GDW 235-2009《电动汽车非车载充电机通讯协议》的要求。
c) 充电机模块化配置
本典型设计提供如下几种基本型号的充电机：
1) 大型充电机单台最大功率200kW，输出电压范围DC300～500V，最大输出电流
2) 中型充电机单台最大功率100kW，输出电压范围DC300～500V，最大输出电流
3) 小型充电机由高频开关电源模块并机组成，单台电源模块最大输出功率8.75kW，输出电压范围DC150～350V，最大输出电流
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400kW，输出电压范围DC300～500V，最大输出电流
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，最大输出电流
为实现电动汽车快速补充电能，减少电动汽车在充电站内的等待时间，可采取更换电池的方式实现电动汽车的电能补充。电动汽车充电站作为大功率用电负荷，如任由其无约束地使用，会增大电网调峰的困难，对电网带来冲击。采用更换电池的方式，由充电站统一合理安排时段对更换下来的电池组进行充电，可对电网的削峰填谷起到辅助作用。
为实现更换电池方式运行，需在充电站内设置电池充电间，配置电池充电架和充电机以及电池更换设备（如叉车或换电池机器人等）。目前电动汽车电池组的标准和参数不统一，这是充电站换电池方式运行面临的主要障碍。在设计更换电池方式的充电系统时，需首先明确将要服务的电动汽车的电池组参数，围绕某一种或某几种电动汽车电池组，按如下步骤进行：
第一、了解充电站以更换电池方式服务的电动汽车的数量、备用电池数量、电池组运营周转要求等情况；
第二、明确以更换电池方式服务的电动汽车的电池组参数，主要包括：电池组容量、电池类型、电池箱数目、每箱电池只数、电池箱电池监控单元类型、电池箱的尺寸、重量等；
第三、根据电池箱的尺寸、单辆电动汽车电池箱的数目等参数选择电池充电架；
第四、根据电动汽车电池组的相关参数，按一辆电动汽车所有电池箱串联充电的方式，参照
第五、根据电动汽车数量和充电站运营要求，确定电池充电架和充电机的数量。
支持更换电池方式运行的充电站除需配备充电机外，还需配置电池箱、充电架、电池更换设备等装置。
电池箱一般根据电动汽车的不同需求进行模块化配置，电池箱内需配置电池监控单元和标准充电接口，以便于和充电架上的充电端子进行连接。电池箱的尺寸、箱内电池只数、电池容量等随电动汽车的不同而不同。
电池充电架一般设计成多通道多层立体结构，每层由多个独立充电模块组成（每层可放置的充电模块个数根据单辆电动汽车电池箱数目确定），每个充电模块可以直接与充电站监控系统通讯，用于接受监控系统发送的充电控制指令。充电架内设置电池箱抽屉，通过充电端子和电池箱连接；设置工作、实验和分离三个明显的工作位置，确保电池箱使用时的安全；充电模块与电池箱内电池监控单元通信，获取各电池单体数据；设置散热风道，确保电池充电温度控制在合理范围内。
电池更换设备可选择叉车或专用电池更换机器人等，用于更换电动汽车上的电池箱并运送到指定地点存放或放置到电池充电架上。
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、计量计费系统、安防系统及通信管理机等。其结构如图5.3所示。
图5.3 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、经济运行提供保障手段。
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通信获取电池状态和运行信息；获取电能计量表信息，完成充电计费和充电过程的联动控制；将计量计费、充电机工作信息传送给直流充电桩，获取并执行直流充电桩上送的控制命令等。
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、安防系统、计量计费系统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；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以及消防、门禁和周界安全的监控，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5.4监控系统结构详图
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。
a) 数据采集功能
1) 采集充电机工作状态、温度、故障信号、功率、电压、电流等；
2) 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；
3) 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。
b) 控制调节功能
1) 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；
2) 控制配电系统断路器及开关的合分。
c) 数据处理与存储
1) 具备充电机和配电系统的越限报警、故障统计等数据处理功能；
2) 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，选择或自动屏蔽信息，保证重要信息的实时上送；
3) 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。
d) 事件记录
1) 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；
2) 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、装置等分类检索。
e) 人机操作与图形编辑
1) 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；
2) 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；
3) 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；
4) 系统提供专用图形插件完成充电机及电池组的监控功能；
5) 系统提供图形化操作完成充电机的各种遥控操作。
f) 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。
g) 通信功能
1) 系统采用CAN、RS232、RS485或工业以太网方式与充电机通信；
2) 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。
h) 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。
i) 报表管理与打印功能
使用数据库和报表系统的接口函数库，用户可以方便地定义各类日报、月报及年报，并具有定时／召唤打印等功能。
j) 系统维护与系统自检
1) 具备方便的数据库、图形界面、系统参数等维护工具；
2) 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。
k) 可扩展性
1) 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；
2) 系统强大的可伸缩性，可以满足充电站规模不断扩容的要求；
3) 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。
l) 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。
m) 充电信息管理
1) 存储并统计分析车辆充电及运行相关数据，包括充电次数、充电起止时间、充电电量等。
2) 记录分析动力电池组及电池单体每次充电的相关充电数据，包括充电电流电压变化曲线，电池组温度，SOC等。
n) 车辆及电池组台帐管理
1) 车辆台帐信息管理，用于存储统计车型配置信息、配备电池组型号参数、更换维护电池组的记录等信息。
2) 电池组台帐信息管理，用于存储统计电池组的型号参数、使用时间、维护记录等信息。
o) 充电站智能负荷调控
1) 系统根据充电站的最大容量，当站内用电负荷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；
2) 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。
a) 系统容量指标
1) 可监控保护测控装置数量：≥100
2) 可监控充电机数量：≥100
b) 系统可靠性指标
1) 模拟量测量综合误差：≤1%
2) 遥信正确率：≥99%
3) 遥控正确率：≥99.99%
4) 平均无故障时间（MTBF）：≥8760小时
c) 系统实时性指标
1) 数据采样扫描周期：1秒～10秒
2) 系统控制操作响应时间（从按执行键到充（放）电机执行）：<10秒
3) 画面调用时间：<3秒
4) 画面实时数据刷新时间：5秒～30秒
5) 实时数据查询响应时间：<3秒
6) 历史数据查询响应时间：<10秒
7) 正常情况下CPU负载：≤30%（1 min平均值）
8) 事故情况下CPU负载：≤70%（1 min平均值）
