關于電動汽車充電站綜合管理平臺的設計方案

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著新能源汽車的飛速普及，充電站大力發展建設，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]、物聯網[3]和大數據[4]的運用，建設充電站運營運維管理平臺，實現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；充電站運營；物聯網；云計算；大數據；數據采集

0引言

為了節能減排，保護環境，近年來，大力發展新能源汽車，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據的實時監控及集成站場監控系統，實現對站場的全面監控管理，盡可能地杜絕一切安全隱患。本文根據充電站場管理的實際需求，采用大數據處理、云服務、物聯網等技術，采用C/S數據采集，B/S的應用架構，實現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，實現運營管理、運維管理、安防管理，從而實現對充電站場全面、高效、安全的quan方位管控。

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據監測，同時對站場、箱變環境參數及煙感狀態進行采集，發現異常及時預警，并自動停止充電，如遇突發情況，通過平臺調用現場監控設備，可以遠程了解現場情況，指揮現場處置。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、發票管理、統計報表、效益分析等，主要實現根據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計分析各個充電站場的運營情況及經營效益。

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，主要實現通過現場監控設備督促巡檢人員對設備巡檢計劃的有效執行，及時發現并解決問題隱患。設備出現故障，可由系統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，主要包括安防監控攝像頭管理、消防器材管理、監控設備配置管理、站場環境參數采集監測、異常情況的圖片及視頻資料管理等，主要通過監控設備的人臉識別技術、場景識別技術，實現對危險人員、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、車輛運行軌跡監控、車載電池信息監測等，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，實現插搶即充電，無須現場結算。實現對車載電池信息的實時監測，能夠對電池使用過程中出現的異常進行預警，通過對數據分析，對電池可能將要出現的故障，進行提前提醒。

5)設備監控模塊，主要包括充電樁運行狀態監測，充電電池監測，故障監測等，本模塊主要是對充電樁和車載電池運行情況進行持續實時監測，尤其是對電池充電過程的交互數據進行監測分析，出現異常情況（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控設備發出聲光報警，并在站場內監控屏幕顯示報警信息。

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

2系統總體設計

圖1網絡拓撲結構圖

充電樁和監控攝像頭均采用無線連接方式，接入本平臺，無線信號不穩定的地方，則改用有線連接入網。集成視頻監控系統，監控圖像數據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控設備上。監控攝像機抓的圖像、人臉識別等數據，通過移動網絡發送到運營平臺，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，異常時，自動發出告警，無須專人值守。

圖2系統架構圖

1)設備層

設備層主要是監控攝像機、直流充電樁、環境監測相關傳感器，攝像機及充電樁都集成數據傳輸設備，支持有線及無線連接網絡。本層用于完成設備運行數據的采集和系統下發控制指令的接收及執行。采集的數據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據，充電電壓、電流、車載電池的參數及實時溫度。本系統還支持三方軟件接口的集成，主要用于電池的實時溫度監測及車輛GPS定位等。

2)網絡層

網絡層主要是將設備采集的數據通過無線或有線網絡傳輸到云端數據服務器，根據實際場地環境選擇網絡連接方式。移動網絡信號穩定的地方，選擇4G/5G網絡；移動網絡信號不穩定或信號很弱的地方，選擇Internet有線網絡。

3)數據層

數據層主要有數據采集服務、數據處理服務、數據存儲服務，實現數據的接收、分析計算、處理存儲、數據查詢等，交易數據存儲在業務數據庫，設備狀態監測數據先暫存于實時數據庫，經過處理后，再轉存到業務數據庫。

4)應用層

應用層主要是負責基礎數據的編輯，交易數據的統計分析，監測數據的異常檢測預警、分析，數據匯總展現、報表統計查詢等業務處理。

3數據采集子系統實現

本平臺主要是對充電樁運行狀態，尤其是對充電過程中狀態參數及電池系統的實時狀態參數的監測，以及對充電交易的信息交互，因此設備數據采集對本平臺至關重要。平臺通過監控攝像頭內置的傳輸設備實現圖像信息采集，通過充電樁設備內置的傳輸設備實現狀態監測及充電實時數據采集。

數據采集處理過程采用分布式處理，以保證系統高并發時的可靠性。

圖3數據上行處理流程

充電樁等設備與云端數據采集Netty服務器通過TCPSocket長連接的方式，進行數據傳輸，充電樁以2秒一次向Netty服務器發送心跳，以保持在線狀態。

Netty服務器接收到數據后，經過解析后轉發到RabbitMq消息隊列中。

消息處理程序持續地從消息隊列中讀取消息，進行解析處理，根據設定的編碼規則，將消息數據重新編碼，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，即將該狀態數據存入Redis中，Redis根據字段值的變化，觸發相應的事件處理程序。

數據處理程序不斷地遍歷數據文件，讀取文件中新寫入的數據，進行解析處理，根據數據內容，分別存儲到臨時數據庫和業務數據庫，臨時數據庫中存儲的數據，主要是電池充電過程中的進度、溫度、電流等實時變化數據，用于對近期指ding充電過程的統計分析，對設備異常及交易異常的分析。

充電設備上線數據報文通用的數據類型標識語義如下：

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測的狀態信息時，即將該狀態數據存入Redis中，利用Redis的鍵空間通知，實現自動觸發事件，啟動相應的處理程序，例如將充電樁心跳數據存入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據更新，則觸發超時事件，即充電設備離線告警。

數據處理程序從存儲的文件中，讀取并解析數據，根據業務邏輯運算，分別將數據存儲到臨時數據庫和業務數據庫。

4系統界面功能實現

平臺采用Java語言開發，后端包括Web應用程序及數據處理程序，Web應用系統采用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，系統中的對象按層分為：數據對象，業務對象和展現層對象，分別負責系統的數據持久化、業務邏輯處理和頁面渲染展示。利用統一的接入服務，業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發布。

分層體系結構，將系統邏輯、業務邏輯與數據邏輯相分離，提高了系統的并行操作能力及系統的整體運行性能，基于Spring框架的開發，降低編碼開發難度和成本，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。

平臺業務應用系統根據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。

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，供管理人員使用，實現對充電站場的全面運營管理、信息維護、經營分析，系統主要包含運營管理、運維管理、安防管理、車輛管理、設備管理、告警/配置、設備狀態監測、站場管理、賬號管理、日志管理等功能模塊。

圖4系統功能

運營管理模塊主要實現充電交易的管理，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、發票管理、統計報表、經營分析等。

運維模塊主要實現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。

設備監測主要實現對充電樁充電過程中的實時參數采集、分析，發現異常及時終止充電并發出告警信息；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通過物聯網技術對接入系統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據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，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、4G或WIFI等方式接入互聯網，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、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。

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

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統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。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，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、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、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場問題。

5.4.5統計分析

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

5.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，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系統硬件配置

6結束語

云計算、物聯網和大數據代表了信息技術領域*新的技術發展趨勢，也是當前*熱門的信息應用技術，在很多行業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網，對設備運行信息及站場的環境的在線數據采集，大數據量分析，實現對零散分布在各個區域的充電站場進行全面管理，也是云計算、物聯網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，實現了地理上分散的充電站場整體綜合管理；實現了車輛通過VIN碼，插搶自動識別充電，簡化人工操作；系統的數據統計，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，結合現場監控設備，實現了對日常巡檢及維護工作的監督；平臺的異常監測告警和現場監控攝像機的實時監控及異常抓拍，為充電站場的安全運營，提供了保障。

參考文獻：

[1]董華冰.客車充電站設計安全維護與故障處置分析[J].商用汽車新聞,2021(21):11-14.

[2]顧炯炯.云計算架構技術與實踐[M].2版.北京:清華大學出版社,2016.

[3]廖建尚.企業級物聯網開發與應用[M].北京:電子工業出版社,2018.

[4]王兆波.充電站運營綜合管理平臺的設計與實現.

[5]安科瑞企業微電網應用手冊2020.06版.

作者簡介

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。