關于電動汽車充電站綜合能效管理平臺的設計方案

摘要：隨著新能源汽車的飛速普及，充電站大力發(fā)展建設，充電站場[1]的安全、高效、智能化運營管理顯得尤為重要，文章基于云計算[2]、物聯(lián)網(wǎng)[3]和大數(shù)據(jù)[4]的運用，建設充電站運營運維管理平臺，實現(xiàn)了對充電站場的運營管理、運維管理、安防管理等，提高了充電站場的整體管理效率，保障了充電站場的運營安全。

關鍵詞：充電樁管理系統(tǒng)；充電站運營；物聯(lián)網(wǎng)；云計算；大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集

0引言

為了節(jié)能減排，保護環(huán)境，近年來，大力發(fā)展新能源汽車，隨著新能源汽車保有量的不斷增大，新能源汽車充電樁、充電站也正在大力發(fā)展建設，目前大部分充電站場的運營、運維、消防等管理比較薄弱，尤其是直流充電樁都是高電壓，汽車電池充電異常，使充電站場存在一定的安全隱患，因此為了解決這些問題，提高充電樁的運營、運維管理效率，需要構建一套開放、智能、互動、高效、安全的電動汽車充電站場綜合管理服務平臺，實現(xiàn)對充電站場遠程運營、運維管理及消防管理，尤其是對充電過程數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控及集成站場監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對站場的全面監(jiān)控管理，盡可能地杜絕一切安全隱患。本文根據(jù)充電站場管理的實際需求，采用大數(shù)據(jù)處理、云服務、物聯(lián)網(wǎng)等技術，采用C/S數(shù)據(jù)采集，B/S的應用架構，實現(xiàn)充電站綜合管理服務平臺，管理人員通過PC瀏覽器登錄平臺，運維人員可通過手機App登錄，充電用戶通過手機App或微信公眾號登錄。建設充電站運營運維管理平臺，實現(xiàn)運營管理、運維管理、安防管理，從而實現(xiàn)對充電站場全面、高效、安全的管控。

1需求分析

充電站場多，地理位置分布比較散而遠，管理成本高且難度大。充電站的主要充電設施是充電樁，充電樁的運作情況對整個充電站的運營影響非常大。充電樁運維效率低，設備管理混亂，嚴重影響站場正常運營。站場內充電樁數(shù)量多，人員復雜，高壓設備等，存在一定的安全隱患。

本平臺不僅實現(xiàn)充電樁的運營管理、運維管理、安防管理，還通過對車輛充電過程的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時對站場、箱變環(huán)境參數(shù)及煙感狀態(tài)進行采集，發(fā)現(xiàn)異常及時預警，并自動停止充電，如遇突發(fā)情況，通過平臺調用現(xiàn)場監(jiān)控設備，可以遠程了解現(xiàn)場情況，指揮現(xiàn)場處置。主要需求模塊如下：

1)運營管理模塊，主要包括用戶管理、訂單管理、充值管理、價格管理、發(fā)票管理、統(tǒng)計報表、效益分析等，主要實現(xiàn)根據(jù)用戶具體充電時間計價，按充電量或充電時長計費，生成訂單并完成結算，能夠通過多個維度統(tǒng)計分析各個充電站場的運營情況及經(jīng)營效益。

2)運維管理模塊，主要包括運維人員管理、巡檢管理、維修管理等，主要實現(xiàn)通過現(xiàn)場監(jiān)控設備督促巡檢人員對設備巡檢計劃的有效執(zhí)行，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題隱患。設備出現(xiàn)故障，可由系統(tǒng)自動配單到維修人員或由工作人員手動派單，并對維修情況及維修結果資料進行管理。

3)安防管理模塊，主要包括安防監(jiān)控攝像頭管理、消防器材管理、監(jiān)控設備配置管理、站場環(huán)境參數(shù)采集監(jiān)測、異常情況的圖片及視頻資料管理等，主要通過監(jiān)控設備的人臉識別技術、場景識別技術，實現(xiàn)對危險人員、危險操作的及時識別、預警，并保存記錄。

4)車輛管理模塊，主要包括車輛信息管理、車輛運行軌跡監(jiān)控、車載電池信息監(jiān)測等，本模塊主要針對自有或合作單位有營運車輛，主要通過車輛VIN碼，實現(xiàn)插搶即充電，無須現(xiàn)場結算。實現(xiàn)對車載電池信息的實時監(jiān)測，能夠對電池使用過程中出現(xiàn)的異常進行預警，通過對數(shù)據(jù)分析，對電池可能將要出現(xiàn)的故障，進行提前提醒。

5)設備監(jiān)控模塊，主要包括充電樁運行狀態(tài)監(jiān)測，充電電池監(jiān)測，故障監(jiān)測等，本模塊主要是對充電樁和車載電池運行情況進行持續(xù)實時監(jiān)測，尤其是對電池充電過程的交互數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析，出現(xiàn)異常情況（如電池溫度等），充電樁自動終止充電，平臺通知與充電樁綁定的監(jiān)控設備發(fā)出聲光報警，并在站場內監(jiān)控屏幕顯示報警信息。

6)告警模塊，主要包括告警規(guī)則配置，報警設備綁定管理等，本模塊主要實現(xiàn)告警規(guī)則的配置，報警終端配置，如果站場內發(fā)生事故，可以遠程通過平臺綁定的監(jiān)控設備，實時查看現(xiàn)場畫面，方便上級領導及時對現(xiàn)場處置進行指揮。

2系統(tǒng)總體設計

圖1網(wǎng)絡拓撲結構圖

充電樁和監(jiān)控攝像頭均采用無線連接方式，接入本平臺，無線信號不穩(wěn)定的地方，則改用有線連接入網(wǎng)。集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)分別送往存儲設備進行存儲，視頻服務器進行解碼顯示在監(jiān)控設備上。監(jiān)控攝像機抓的圖像、人臉識別等數(shù)據(jù)，通過移動網(wǎng)絡發(fā)送到運營平臺，平臺也可以對攝像頭進行的控制操作。

平臺后端監(jiān)管，可以分站場和總部，進行兩級部署，站場部署大屏，顯示本站充電樁運營狀態(tài)，異常時，自動發(fā)出告警，無須專人值守。

圖2系統(tǒng)架構圖

1)設備層

設備層主要是監(jiān)控攝像機、直流充電樁、環(huán)境監(jiān)測相關傳感器，攝像機及充電樁都集成數(shù)據(jù)傳輸設備，支持有線及無線連接網(wǎng)絡。本層用于完成設備運行數(shù)據(jù)的采集和系統(tǒng)下發(fā)控制指令的接收及執(zhí)行。采集的數(shù)據(jù)包括攝像頭抓拍的圖像，充電樁空閑時的心跳，充電樁充電的簽權及交易數(shù)據(jù)，充電電壓、電流、車載電池的參數(shù)及實時溫度。本系統(tǒng)還支持三方軟件接口的集成，主要用于電池的實時溫度監(jiān)測及車輛GPS定位等。

2)網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層主要是將設備采集的數(shù)據(jù)通過無線或有線網(wǎng)絡傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)服務器，根據(jù)實際場地環(huán)境選擇網(wǎng)絡連接方式。移動網(wǎng)絡信號穩(wěn)定的地方，選擇4G/5G網(wǎng)絡；移動網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定或信號很弱的地方，選擇Internet有線網(wǎng)絡。

3)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要有數(shù)據(jù)采集服務、數(shù)據(jù)處理服務、數(shù)據(jù)存儲服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、分析計算、處理存儲、數(shù)據(jù)查詢等，交易數(shù)據(jù)存儲在業(yè)務數(shù)據(jù)庫，設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)先暫存于實時數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過處理后，再轉存到業(yè)務數(shù)據(jù)庫。

4)應用層

應用層主要是負責基礎數(shù)據(jù)的編輯，交易數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常檢測預警、分析，數(shù)據(jù)匯總展現(xiàn)、報表統(tǒng)計查詢等業(yè)務處理。

3數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實現(xiàn)

本平臺主要是對充電樁運行狀態(tài)，尤其是對充電過程中狀態(tài)參數(shù)及電池系統(tǒng)的實時狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，以及對充電交易的信息交互，因此設備數(shù)據(jù)采集對本平臺至關重要。平臺通過監(jiān)控攝像頭內置的傳輸設備實現(xiàn)圖像信息采集，通過充電樁設備內置的傳輸設備實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測及充電實時數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集處理過程采用分布式處理，以保證系統(tǒng)高并發(fā)時的可靠性。

圖3數(shù)據(jù)上行處理流程

充電樁等設備與云端數(shù)據(jù)采集Netty服務器通過TCPSocket長連接的方式，進行數(shù)據(jù)傳輸，充電樁以2秒一次向Netty服務器發(fā)送心跳，以保持在線狀態(tài)。

Netty服務器接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過解析后轉發(fā)到RabbitMq消息隊列中。

消息處理程序持續(xù)地從消息隊列中讀取消息，進行解析處理，根據(jù)設定的編碼規(guī)則，將消息數(shù)據(jù)重新編碼，逐條存入文件中，文件按設備和日期獨立存儲；解析過程中檢查報文類型，如果類型為溫度、電壓等異常告警時，即將該狀態(tài)數(shù)據(jù)存入Redis中，Redis根據(jù)字段值的變化，觸發(fā)相應的事件處理程序。

數(shù)據(jù)處理程序不斷地遍歷數(shù)據(jù)文件，讀取文件中新寫入的數(shù)據(jù)，進行解析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)內容，分別存儲到臨時數(shù)據(jù)庫和業(yè)務數(shù)據(jù)庫，臨時數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，主要是電池充電過程中的進度、溫度、電流等實時變化數(shù)據(jù)，用于對近期充電過程的統(tǒng)計分析，對設備異常及交易異常的分析。

充電設備上線數(shù)據(jù)報文通用的數(shù)據(jù)類型標識語義如下：

消息處理程序從消息隊列中讀取消息，解析消息報文內容，再根據(jù)報文類型進行重新編碼后，以十六進制格式存入文件。文件根據(jù)充電設備及日期分類存儲。

文件編碼格式示例如下：

消息處理程序在解析消息的同時，檢查消息類型，如果類型為需要實時監(jiān)測的狀態(tài)信息時，即將該狀態(tài)數(shù)據(jù)存入Redis中，利用Redis的鍵空間通知，實現(xiàn)自動觸發(fā)事件，啟動相應的處理程序，例如將充電樁心跳數(shù)據(jù)存入Redis鍵值中，然后Redis開始對該鍵值更新時間進行倒計時，如果在設定時間內沒有對該鍵值進行數(shù)據(jù)更新，則觸發(fā)超時事件，即充電設備離線告警。

數(shù)據(jù)處理程序從存儲的文件中，讀取并解析數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務邏輯運算，分別將數(shù)據(jù)存儲到臨時數(shù)據(jù)庫和業(yè)務數(shù)據(jù)庫。

4系統(tǒng)界面功能實現(xiàn)

平臺采用Java語言開發(fā)，后端包括Web應用程序及數(shù)據(jù)處理程序，Web應用系統(tǒng)采用B/S模式，前端采用JSP、JS、Ajax等腳本語言，圖表控件使用開源的Echarts。

Web應用程序采用JavaEE應用的分層設計與開發(fā)，系統(tǒng)中的對象按層分為：數(shù)據(jù)對象，業(yè)務對象和展現(xiàn)層對象，分別負責系統(tǒng)的數(shù)據(jù)持久化、業(yè)務邏輯處理和頁面渲染展示。利用統(tǒng)一的接入服務，業(yè)務對象可以為不同的客戶端提供服務，同時也能方便地轉換為WebService發(fā)布。

分層體系結構，將系統(tǒng)邏輯、業(yè)務邏輯與數(shù)據(jù)邏輯相分離，提高了系統(tǒng)的并行操作能力及系統(tǒng)的整體運行性能，基于Spring框架的開發(fā)，降低編碼開發(fā)難度和成本，同時降低了程序組件間的耦合度，地增強了程序的可維護性和可擴展性。

平臺業(yè)務應用系統(tǒng)根據(jù)不同的用戶分為三個部分，分別為充電客戶使用的終端App，設備運維人員的終端App，平臺管理系統(tǒng)。

充電客戶使用的App，供使用充電樁充電的車主用戶使用，主要為用戶提供充電站查找、地圖導航、掃碼充電、充電結算、充電進度查看、消費記錄查詢等功能。

設備運維人員的終端App，供站場內充電樁日常巡檢及維修的人員使用，主要功能有站場地圖、地圖導航、派單通知、工單完成進度、工單查詢、巡檢記錄等。

平臺管理系統(tǒng)，供管理人員使用，實現(xiàn)對充電站場的全面運營管理、信息維護、經(jīng)營分析，系統(tǒng)主要包含運營管理、運維管理、安防管理、車輛管理、設備管理、告警/配置、設備狀態(tài)監(jiān)測、站場管理、賬號管理、日志管理等功能模塊。

圖4系統(tǒng)功能

運營管理模塊主要實現(xiàn)充電交易的管理，主要功能為：訂單的管理、電費單價管理、充電服務費管理、充值管理、發(fā)票管理、統(tǒng)計報表、經(jīng)營分析等。

運維模塊主要實現(xiàn)對充電樁的日常巡檢及維護的管理，主要功能為：巡檢管理、維修管理、運維人員管理等。

設備監(jiān)測主要實現(xiàn)對充電樁充電過程中的實時參數(shù)采集、分析，發(fā)現(xiàn)異常及時終止充電并發(fā)出告警信息；檢測到交易終止條件時，通知充電設備終止充電。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6結束語

云計算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)代表了信息技術領域*新的技術發(fā)展趨勢，也是當前*熱門的信息應用技術，在很多行業(yè)領域中都得到了成功的運用。本文介紹的充電站場運營綜合管理平臺，通過將終端充電設備進行聯(lián)網(wǎng)，對設備運行信息及站場的環(huán)境的在線數(shù)據(jù)采集，大數(shù)據(jù)量分析，實現(xiàn)對零散分布在各個區(qū)域的充電站場進行全面管理，也是云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術的一個實際應用。本平臺已上線應用，實際應用效果比較顯著，實現(xiàn)了地理上分散的充電站場整體綜合管理；實現(xiàn)了車輛通過VIN碼，插搶自動識別充電，簡化人工操作；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，幫助管理人員了解各充電站場的充電樁的使用效率；系統(tǒng)的運維管理，提高了管理人員對充電樁設備的日常巡檢及維護的管理效率，結合現(xiàn)場監(jiān)控設備，實現(xiàn)了對日常巡檢及維護工作的監(jiān)督；平臺的異常監(jiān)測告警和現(xiàn)場監(jiān)控攝像機的實時監(jiān)控及異常抓拍，為充電站場的安全運營，提供了保障。

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