一、 解决方案背景
　　近年来，随着我国城市人口的逐步增长，城市公共交通的压力也逐年加大。同时，随着大中城市内汽车的大量普及，尾气排放占废气排放比重越来越高，造成城市严重的环境问题和交通堵塞。因此，大力发展纯电能驱动的地铁、轻轨、有轨电车、纯电动公交等公共交通系统成了城市现代化建设的当务之急。从公共交通的运力进行分类：
　　■ 大运力公共交通：地铁、轻轨。载客量大，运行速度较高；建设周期很长，一般为5年左右；投资成本很高，约为6亿元~10亿元/公里；
　　■ 中等运力公共交通：
　　　　1) 现代有轨电车。载客量中等，运行速度中等；建设周期长，一般为2年左右；投资成本较高，约为1亿元/公里；但有轨电车与地面其他车辆存在路权之争的问题。
　　　　2) 双源无轨BRT电车。载客量中等，运行速度中等；建设周期短，一般在1年内；投资成本较低，约为1000万元/公里；并可利用原有地面道路资源。
　■ 普通运力公共交通：纯电动公交。载客量小，运行速度低。配套充电设施建设周期短，一般在1年以内；完全和原有公交车共用道路资源，无需再投资。
　　从上述分类可以看出，不同运力的交通方式在城市公共交通中所处的地位并不相同：地铁、轻轨可解决城市主干交通的运载，有轨电车和双源无轨BRT能够作为地铁和轻轨的有力补充，可缓解区域性交通运载问题。而拥有普通运力的纯电动公交车则承担着城市公共交通中“最后一公里”的运载任务，能够把大量的乘客运送到最终的目的地。
　　对于普通纯电动公交来说，电池问题、充电问题一直是困扰其发展的主要原因：电池配重过大，运载效率较低；充电站和充电桩占地面积大，建设成本高，供电容量利用率低；车辆充电时间长，充电过程中无法移动，使场内车辆调度和停放受到影响。
　　为了解决上述问题，采用了新型钛酸锂电池的纯电动公交即可实现电池的快速充电，在电池的循环寿命也完全能够达到纯电动公交的使用要求。这种类型的纯电动公交配置的电池为46kWh左右，单次充电可以运行30km左右，能够满足大多数城市市区公交线路的运营里程要求。车辆的充电设施可采用“微型撬装式变电站+充电线网”的模式，结合车辆上集成的智能充电机，不仅能够为车辆提供大容量、灵活、快速的充电服务，而且能够为充电设施的占地面积、建造成本上带来最大的节约。
二、 微型撬装式纯电动公交柔性充电站的技术特点
　　为了给新型纯电动公交提供安全、大容量、高密度的充电电源，苏州万龙电气集团股份有限公司特别为该运用开发了“微型撬装式纯电动公交柔性充电站”。充电站的主要技术特点如下：
　1. 基于智能云平台的柔性充电
　　城市市区公交停车场车辆有效停放面积对城市公交的合理布局，线路配置等都至关重要。微型撬装式纯电动公交柔性充电站采用了高功率密度的设计思路，为纯电动公交提供快速充电服务。以3路直流750V输出的直流馈线为例，其占地面积仅为32平方米，可为纯电动公交提供额定600kW，最大1200kW的充电功率。充电站可在厂家提前完成生产和组装，直接运输到现场即可完成安装，工程周期短，综合造价低。
　　新型纯电动公交上集成了充电机，智能充电云平台可通过无线通道向车辆的充电机发送充电命令，在充电线网下实现多辆电动公交同时充电。由于充电机可控，直流馈线输出的充电功率可根据相关指令灵活分配到直流馈线下的车辆，实现柔性充电。以车辆配备46KWh电池为例，车辆行驶30公里后剩余25%～35%电量，进入停车场快速补充电能。车辆配置的额定功率为150kW充电机通过充电线网进行柔性充电，十分钟左右即可将电池充满，完全能够满足公交行业的运用需求。这样可结合电池电量和状态、车辆工况、充电站运行功率等充电条件的按需充电，可合理调配充电资源，充分利用电站所提供的充电功率，为车辆提供安全，快速的充电服务。
　2. 充电系统六大安全保障
　　纯电动公交的充电安全一直是公交行业关注的重点。新型充电站不仅要密切监控其自身安全，而且对整个直流充电系统的安全状况也必须进行实时评估。为此，“微型撬装式纯电动公交柔性充电站”集成了6大安全保障技术：
　　◆ 充电线网电气安全保护
　　◆ 大电流短路故障快速切除
　　◆ 智能化故障检测
　　◆ 瞬时故障快速恢复供电
　　◆ 充电系统绝缘监测
　　◆ 关键节点温度监测
　　通过上述技术，可以对直流充电系统中的充电线网进行保护，防止充电线网因过载而损坏；对于金属性大电流短路，充电站内的直流快速断路器和直流保护能够快速动作，在十几个毫秒内即可切断故障电流，保证设备安全；智能化故障检测功能还能够辨别出供电系统中是否存在短路，如果为瞬时性短路，则可自动合闸快速恢复供电，无需人工干预；直流充电系统绝缘监测能够对充电站、地下电缆、充电线网和车辆的对地阻抗变化进行实时监测，并根据阻抗变化评估充电系统和大地之间的绝缘健康状态；站内的温度传感器能够实时监测充电站内关键连接点的连接可靠性，避免大电流通过后导致温升或起火。
　3. 远程运行监控和维护管理
　　 “微型撬装式纯电动公交柔性充电站”采用高度集成化设计，在新一代电气技术基础上融合了数字传感技术、数字保护测控技术、现场总线技术和网络通信技术。主要由高压交流开关柜设备、整流机组设备、直流开关柜设备、辅助电源设备、数据管理系统、自动消防系统、综合辅助系统（门禁、环境和视频）等多个模块组成。
　　新型充电站通过远程云平台可完成站内数据获取，命令下发等操作。管理人员通过远程云管理平台可实现对充电站的实时监控，能够快速了解站内各种故障和报警，并对相关故障进行隔离。即能够保障了充电站运行的可靠性，又能够达到快速恢复供电的目的，真正实现“智能化无人值守”。
　　由于采用无人值守的运行模式，充电站内部设备的健康状态可通过远程云平台获取。远程维护管理终端通过云平台可实时了解站内设备的健康状态。通过对各类故障、报警、状态等运行信息的分析，可及时判别出设备的工况，实现“设备预测式检修维护”。不仅减少运维人员数量，并可大幅度降低设备运行维护成本。
三、 微型撬装式纯电动公交柔性充电站典型方案
　　由苏州万龙电气集团股份有限公司设计的WDQXB系列智能型箱式变电站就是适用于新型纯电动公交的新一代充电站，其主要参数如下（以3路直流充电回路为例）：
　1. 典型参数 
　　■ 额定输出功率600kW，最大输出功率1200kW
　　■ 3路直流充电回路
　　■ 输入电压AC 12kV
　　■ 输出电压DC 750V
　　■ 额定输出DC 800A
　　■ 外形尺寸L*W*H（mm）=8000*4000*3500

　2. 典型系统一次方案
　　根据WDQXB系列智能型箱式变电站系统一次方案（单台，如图1所示）可知，其高压交流开关柜设备采用10kV双路电源进行的HXGN15-12系列SF6环网开关柜；整流机组采用额定容量为630kVA、负载等级为Ⅴ级的12脉整流机组设备； 直流开关柜设备采用WDQ系列直流开关柜（DC750V），直流系统通过备用馈线回路、备用母线和旁路刀，确保实现故障回路供电紧急恢复；站用辅助电源设备配置30kVA变压器及32Ah直流电源屏。
　　WDQ系列直流开关柜采用互换式断路器手车结构，快速断路器采用具高性能、高可靠性的QDS8系列直流快速断路器(Icu=Ics=30kA、飞弧距离小、体积小、结构简单)，继电保护装置采用ST700系列直流微机综合保护装置，该方案弥补了传统直流快速断路器直接大电流脱扣保护的不足，增加了过电流速断、过电流延时、热过载、线路测试、自动重合闸、故障录波等等保护控制能，完善了直流供电系统保护控制功能。此外，系统还配置了绝缘检测，温度监测等功能，可实时监测并评估直流供电系统的绝缘状况以及站内关键连接点的连接可靠性。
 

图1 WDQXB系列智能型箱式变电站一次系统图

　3. 典型远程监控管理系统
　　为了满足充电站和远程云平台以及管理服务终端之间的数据交互，WDQXB系列智能型箱式变电站内配备了WKS-DTMS2000智能化直流牵引电气监控管理系统。
　　系统由站控层、通信管理层和间隔层组成。站控层与通信管理层之间采用TCP/IP以太网络通信，根据电力系统二次系统防护安全I区的要求，须对网络数据加密，确保数据网络安全性。通信管理层与间隔之间采用现场总线通信网络。该系统以各个智能型箱式变电站中的“WKS-DAS1000数据管理系统”为核心，通过现场总线通信技术，以 “直流微机综合保护装置”、“智能测控仪表”、“温度监测装置”、“绝缘监测装置”、“智能I/O模块”等智能终端设备为基础，实现整个箱式变电站的远程监控管理。系统网络拓扑结构示意如图2所示。
 

图2 WKS-DTMS2000智能化直流牵引电气监控管理系统拓扑图

4. 典型充电系统拓扑
　　从目前普通的纯电动公交充电过程来看，充电设施只是一个简单的供电设备，充电过程主要依赖车载电池管理系统完成, 并需要进行人工操作。由于充电机安装于充电桩内，不同类型的纯电动公交车进行充电时还存在一定的兼容性问题。
　　新型纯电动公交的充电系统将充电站，车辆，远程云平台以及各类管理服务终端这些要素协同考虑，共同完成充电过程。
　　如图3所示的新型纯电动公交充电系统拓扑图，其中，纯电动公交远程云管理平台通过通信链路可实时获取车辆电池状态，车辆位置，剩余电量，充电电流等信息。充电站远程云管理平台通过通信链路可以获取充电站电量信息，充电回路电流，各种报警和故障信息。车辆信息管理终端和充电一体化管理终端则可以综合车辆的信息和充电站及充电线网的电量信息，指引车辆到合适的充电线网下进行充电。充电管理终端还可以通过车载充电机控制充电电流，满足不同车辆的充电需求（快充，慢充等）。整个充电过程中，各类云平台和管理终端通过融合车辆和充电站的相关信息，合理调配充电资源，柔性充电。
　　充电站远程维护预警终端则能够从充电站远程云管理平台获取站内的各类数据，对充电站的健康状态进行评估，对于设备在使用过程中出现的异常或报警，能够做到“及时发现，及时解决”。
 

图3 新型纯电动公交充电系统拓扑图

四、 工程案例
　　从2012年起，北京市电车公司根据相关的运行规划要求，选用了由苏州万龙电气集团股份有限公司提供的“智能化直流牵引电气系统一体化解决方案”，分批对阜成门站、紫竹院站、马连道站等10余个场站式双源纯电动公交直流牵引站的设备进行智能化升级改造，同时新建了30余个智能型箱式直流牵引变电站，为北京市1000余辆双源纯电动公交提供运行和充电所需电力。所有直流牵引站均通过远程云平台进行监控管理，最终实现牵引站的无人值守。
　　其中，龙潭公园公交停车场采用WDQXB系列智能型箱式变电站为停车场内线网供电，为场内的30辆左右纯电动公交提供充电服务。纯电动公交车通过集电杆可在线网下进行充电，车辆在充电完成后通过车载电池提供的动力运行。如图4所示。
 

图4 北京龙潭充电站和纯电动公交

　　图5是北京市电车公司供电所远程云平台管理中心站，该中心站运行了由苏州万龙电气集团股份有限公司提供的“WKS-DTMS2000智能化直流牵引电气监控管理系统”。从接入容量上看，该管理系统能够接入200余个变电站。目前该系统已实现了40多个智能型直流牵引变电站的远程监控管理。
 

图5 远程云平台管理中心