充电桩互动终端及充电桩接入电网的互动方法与流程

本申请涉及输配电技术领域，尤其涉及一种充电桩互动终端及充电桩接入电网的互动方法。

背景技术：

近年来，全球新能源汽车快速增长。伴随着电动汽车的发展，充电设施和配电网建设也得到广泛重视。

我国《电动汽车充电基础设施发展指南》(2015-2020年)要求，到2020年，基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系，满足超过500万辆电动汽车的充电需求。因此，需要做好配电网规划与充换电设施规划的衔接，加强充换电设施配套电网建设与改造，保障充换电设施无障碍接入。加快建设电动汽车智能充换电服务网络，推广电动汽车有序充电、v2g及充放储一体化运营技术，实现城市及城际间充电设施的互联互通。2020年满足1.2万座充换电站、480万台充电桩接入需求，为500万辆电动汽车提供充换电服务。

同时，充电设施离不开配电网的建设。能源局印发《配电网建设改造行动计划(2015～2020年)》，旨在加快配电网建设改造，推进转型升级，服务经济社会发展。行动计划明确行动目标，到2020年，中心城市(区)智能化建设和应用水平大幅提高，供电可靠率达到99.99％。推进配电自动化和智能用电信息采集系统建设，实现配电网可观可控。满足新能源、分布式电源及电动汽车等多元化负荷发展需求，推动智能电网建设与互联网深度融合。

国家出台系列政策要求配电台区完全接纳电动汽车充电桩。但是，由于充电桩与配电网之间缺乏实时互动策略，使得电动汽车大功率无序充电增加了配电网负荷压力，严重时造成火灾等重大事故，而且影响供电质量。

并且，现有充电桩分为慢充和快充，其中以220v单相交流慢充桩为主。充电桩单相接入会加重配电网台区三相不平衡程度。若不能及时解决三相不平衡的问题，可能会造成变压器过负荷，进一步损坏设备。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种充电桩互动终端及充电桩接入电网的互动方法，实现充电桩与配电网的实时互动，及时解决配电网三相不平衡的问题。

为达到上述目的，本申请提供一种充电桩互动终端，包括：选相开关、电流检测模块、模拟数字转换调理采样单元、通讯模块和微处理单元；其中，选相开关具有三相输入端，三相输入端分别与配电变压器的三相电缆电连接，并且选相开关的输出端与充电桩电连接；电流检测模块的输入端与选相开关的输出端电连接，电流检测模块的输出端与充电桩的输入端电连接；模拟数字转换调理采样单元具有与三相输入端电连接的第一输入端和与电流检测模块电连接的第二输入端；微处理单元的输入端与模拟数字转换调理采样单元的输出端电连接；通讯模块的输入端与微处理单元的输出端电连接，并且通讯模块分别与配电台区控制中心和充电桩通信连接。

如上的，其中，通讯模块包括具有无线通信协议或电力线载波通讯协议的第一通讯芯片和具有rs485通讯协议的第二通讯芯片，第一通讯芯片与配电台区控制中心通讯连接，第二通讯芯片与充电桩通讯连接。

如上的，其中，三相输入端包括相同的结构，均包括第一并联支路和第二并联支路，第一并联支路包括接触器，第二并联支路包括辅助继电器和二极管，二极管的负极与辅助继电器连接。

如上的，其中，充电桩互动终端与居民小区的配电网连接。

本申请还提供一种充电桩接入电网的互动方法，包括如下步骤：在充电桩的充电状态下，若接收到配电台区控制中心基于三相不平衡率超过阈值而发出的换相指令，则将换相指令转发给充电桩；接收充电桩对换相指令的反馈；若充电桩接收换相指令，则控制选相开关进行换相。

如上的，其中，若充电桩对换相指令的反馈为结束充电或预约充电，则控制选相开关中断充电回路。

如上的，其中，还包括如下步骤：接收充电桩的充电请求，并将充电请求转发给配电台区控制中心；接收配电台区控制中心的充电计划和接入相别并将充电计划和接入相别转发给充电桩；其中，充电计划是基于配电变压器的实时承载能力和充电请求计算获得的，配电变压器的实时承载能力包括实时负载率、实时三相不平衡率、实时电能质量；接收充电桩对充电计划的反馈；若充电桩接收充电计划，则控制选相开关按照接入相别将充电桩接入充电回路。

如上的，其中，还包括：在充电桩的充电状态下，若接收到配电台区控制中心基于配电变压器的实时承载能力超标而发出的降功率充电指令，则将降功率充电指令转发给充电桩；接收充电桩对降功率充电指令的反馈；若充电桩接收降功率充电指令，则控制选相开关继续充电。

如上的，其中，还包括：在充电桩的充电状态下，若检测到充电桩的充电电流超过电流保护阈值，则向充电桩发送断电指令，同时控制选相开关中断充电回路。

如上的，其中，还包括：在充电桩的充电状态下，若在预定时间内未收到来自充电桩的充电状态信息，或在预定时间内未收到来自充电桩的充电状态信息的同时，充电桩的充电时间超出预定充电时间，则向充电桩发送断电指令，同时控制选相开关中断充电回路。

本申请实现的有益效果如下：

(1)本申请采用选相开关、通讯模块和mcu单元实现了通讯功能、选相功能和各种异常保护功能，实现双向互动，实现柔性动态负荷调节，使充电桩接入配电台区后根据双方信息实时调整充电策略，降低了用电成本也保障了电网的负荷稳定运行，具有良好的社会效益本。

(2)本申请实现了充电桩根据实时状况更换接入相别，避免由于充电带来的三相不平衡问题，保障了配电台区的供电质量。

(3)本申请通过过电流保护功能保护充电的可靠性。

(4)本申请通过充电超时保护功能和充电异常保护功能保证充电桩能够安全可靠使用。

(5)本申请的充电桩互动终端结构简单，控制难度低，降低了投入成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的充电桩接入电网的互动系统的结构图；

图2为本申请提供的充电桩互动终端中的选相开关的电路图；

图3为本申请提供的用于居民小区的充电桩接入电网的互动系统的结构图；

图4为本申请提供的充电桩接入电网的互动方法的流程图；

图5为本申请提供的第一通讯芯片的电路图；

图6为本申请提供的第二通讯芯片的电路图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请提供的充电桩接入电网的互动系统的结构图。如图1所示，本申请提供的充电桩接入电网的互动系统包括充电桩互动终端100、充电桩200、配电台区控制中心300以及配电变压器400。

如图1所示，充电桩互动终端100包括选相开关101、电流检测(ct)模块102、模拟数字转换(ad)调理采样单元103、通讯模块105、电源模块106和微处理(mcu)单元104。

电源模块106从选相开关101的三相四线制a、b、c、n电缆输入处获得电能，通常经过隔离变压器、降压整流电路等环节获得15v的直流电，为充电桩互动终端内部的芯片及器件提供稳定的工作电源。电源模块106为常规技术，市场上有多种成熟产品。

选相开关101具有三相输入端(三相四线制电缆输入)，三相输入端分别与配电变压器的三相电缆电连接，并且选相开关101的输出端与充电桩200电连接。选相开关101采用电子开关，其根据mcu单元104的选相命令实现三相电路之间的快速无缝切换。

作为一个实施例，如图2所示，选相开关101的三相输入端包括相同的结构，均包括第一并联支路和第二并联支路，第一并联支路包括接触器(k11、k21、k31)，第二并联支路包括串联的辅助继电器(k12、k22、k32)和二极管(d1、d2、d3)，二极管(d1、d2、d3)的正极与配电变压器的三相电缆电连接，二极管(d1、d2、d3)的负极与辅助继电器(k12、k22、k32)连接。该选相开关充分利用二极管单向导通的开关特性，对辅助继电器与接触器的进行时序配合控制后，能够实现无弧快速换相操作。

电流检测模块102设置在选相开关101和充电桩200之间，其输入端与选相开关101的输出端电连接，输出端与充电桩200的输入端电连接。电流检测模块102检测输出到充电桩200的充电电流实时值，电流检测模块102的输出经二次变送将电流信号传给ad调理采样单元103。

ad调理采样单元103具有与选相开关101的三相输入端电连接的第一输入端和与电流检测模块102电连接的第二输入端，其输出端与微处理单元104的输入端电连接。ad调理采样单元103从选相开关101的三相四线制a、b、c、n电缆输入处采集电压信号，从电流检测模块102输出侧采集电流信号，采用模拟滤波电路、信号放大电路、模拟数字转换芯片(ad芯片)，经过模拟信号滤波、放大、模拟-数字转换等环节，将电压电流等电量信息传送给mcu单元104。

mcu单元104接收配电台区控制中心300的控制命令和充电桩200的充电状态信息，基于数字处理芯片进行逻辑判断，产生选相命令。需要充电时，将电池接入充电回路，需要放电时，将电池切换到放电回路。当电路出现保护时，将电池切换到旁路或断开状态。

通讯模块105的输入端与微处理单元104的输出端电连接，并且通讯模块分别与配电台区控制中心300和充电桩200通信连接，用于发送和接收来自配电台区控制中心300和充电桩200的命令和信息。

作为一个实施例，通讯模块105包括具有无线通信协议或电力线载波通讯(plc)协议的第一通讯芯片(电路如图5所示)和具有rs485通讯协议的第二通讯芯片(电路如图6所示)，采用第一通讯芯片实现充电桩互动终端100与配电台区控制中心300之间的信息交互，采用第二通讯芯片实现充电桩互动终端100与充电桩200之间的信息交互。

作为一个具体实例，如图3所示，充电桩互动终端100与居民小区的配电网连接，在居民小区的配电台区，可以安装若干个充电桩200，每个充电桩200通过充电桩互动终端100接入配电台区。

本申请采用选相开关、通讯模块和mcu单元实现了通讯功能、选相功能和各种异常保护功能，实现双向互动，实现柔性动态负荷调节，使充电桩接入配电台区后根据双方信息实时调整充电策略，降低了用电成本也保障了电网的负荷稳定运行，具有良好的社会效益；并且充电桩互动终端结构简单，控制难度低，降低了投入成本。

本申请还提供了利用该互动系统的充电桩接入电网的互动方法。图4为本申请提供的充电桩接入电网的互动方法的流程图。

如图4所示，该互动方法包括如下步骤：

s501：充电桩互动终端接收充电桩的充电请求，并将充电请求转发给配电台区控制中心。充电请求包括用户期望的充电电量、充电费用、充电时间等信息。

s502：充电桩互动终端接收配电台区控制中心的充电计划并将充电计划转发给充电桩。其中，充电计划是配电台区控制中心基于配电变压器的实时承载能力和充电请求计算获得的，配电变压器的实时承载能力包括实时负载率、实时三相不平衡率、实时电能质量等信息。在满足配电台区变压器承载能力以及保障供电质量的前提下，配电台区控制中心设定充电桩的接入相别，并给出包括充电时间和费用等信息的充电计划，形成售电合同。

s503：充电桩互动终端接收充电桩对充电计划的反馈。

若充电桩接收充电计划，则售电合同生效，执行s504：充电桩互动终端控制选相开关按照配电台区控制中心给出的接入相别将充电桩接入充电回路。

s505：在充电过程中，实时监测配电变压器的实时承载能力和充电桩的充电状态，判断充电是否出现异常。充电桩互动终端通过配电台区控制中心实时监测配电变压器的实时承载能力并实时或在预定时间间隔内接收来自充电桩的充电状态信息。

在充电过程中，由于充电桩或其他原因，当配电变压器出现三相不平衡(不平衡度超过阈值，如10％)时，需要进行相间切换。配电台区控制中心根据平衡策略计算出充电桩的调整相别，向充电桩互动终端发出换相指令。充电桩互动终端执行s506：mcu模块经通讯模块接收换相指令，并且通讯模块将换相指令转发给充电桩并接收充电桩对换相指令的反馈。

若充电桩接收换相指令，则充电桩互动终端执行s507：控制切换开关进行相间转换并继续充电。

优选地，在接收到换相指令后，充电桩也可以选择结束充电或预约在下一时间段充电，则充电桩互动终端在接收到这样的反馈后控制选相开关中断充电回路。

在充电桩的充电状态下，若充电桩的充电电流超过设定的充电电流，或者配电变压器超过其承载能力，则配电台区控制中心发出降功率充电指令，降低充电电流，自动延长充电时间。此时，充电桩互动终端执行s506：将降功率充电指令转发给充电桩，并接收充电桩对降功率充电指令的反馈。

若充电桩接收降功率充电指令，则充电桩互动终端执行s507：控制选相开关继续充电。

在充电过程中，若mcu模块检测到的充电电流超过过电流保护阈值，则充电桩互动终端执行步骤s508：mcu模块向充电桩发出中断命令，充电桩互动终端控制选项开关中断充电回路，使充电桩退出以保护设备。

优选地，充电桩过电流保护阈值为1分钟额定电流有效值的1.2倍。

在充电过程中，若充电时间超过设定的充电计划，且充电桩没有反馈，即认为充电桩故障，或者达到充电电量，如果继续充电，会超充，存在风险。此时，配电台区控制中心启动超时保护，向充电桩互动终端和充电桩发送中断指令，则充电桩互动终端执行步骤s508：充电桩互动终端控制选项开关中断充电回路，使充电桩退出以保护设备。

在充电过程中，若充电桩向充电桩互动终端发送故障信息，或者在信息互动中，充电桩在预定时间间隔内没有信息反馈，即认为充电桩故障，则充电桩互动终端执行步骤s508：充电桩互动终端向充电桩发出中断命令，充电桩互动终端控制选项开关中断充电回路，使充电桩退出以保护设备。

本申请实现的有益效果如下：

(1)本申请采用选相开关、通讯模块和mcu单元实现了通讯功能、选相功能和各种异常保护功能，实现双向互动，实现柔性动态负荷调节，使充电桩接入配电台区后根据双方信息实时调整充电策略，降低了用电成本也保障了电网的负荷稳定运行，具有良好的社会效益本。

(2)本申请实现了充电桩根据实时状况更换接入相别，避免由于充电带来的三相不平衡问题，保障了配电台区的供电质量。

(3)本申请通过过电流保护功能保护充电的可靠性。

(4)本申请通过充电超时保护功能和充电异常保护功能保证充电桩能够安全可靠使用。

(5)本申请的充电桩互动终端结构简单，控制难度低，降低了投入成本。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。