物聯(lián)網(wǎng)下智能充電樁運行管理平臺的設(shè)計

摘要：本文針對現(xiàn)有的普通充電樁及其后臺管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不夠完善和功能不夠健全問題，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的充電樁及運行管理平臺。綜合利用傳感技術(shù)、電子技術(shù)及通訊技術(shù)對充電樁的運行狀態(tài)參數(shù)、運行環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控，并采用集中管理、區(qū)域管理和用戶自主管理的三級智能化管理方式，保障充電樁的順利建設(shè)與使用。

關(guān)鍵詞：充電樁 ；電動汽車；物聯(lián)網(wǎng)；APP 客戶端

0前言

新能源汽車滿足了環(huán)境保護的要求，具有較強的生命力，因此生產(chǎn)規(guī)模與使用與日俱增，隨之而來的，是充電基礎(chǔ)設(shè)施相對短缺，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對乏力，充電難的現(xiàn)狀日益顯現(xiàn)，現(xiàn)有的普通充電樁及其后臺管理系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)不夠完善，而且功能也不夠健全，不足以保證電動汽車充電站建設(shè)順利進行，因此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上完善其結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計一種新型智能充電樁及運行管理平臺，對保障電動汽車行業(yè)的發(fā)展極為重要。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述

充電樁主要可以分為立式充電樁和壁掛充電樁。立式充電樁無需靠墻，適用于戶外停車 位或小區(qū)停車位，但是大多數(shù)暴露在外面，風(fēng)吹日曬，防護性不強，需要較強的防水、防潮 、防盜以及抗打擊性能，并且占用面積較大，易出現(xiàn)損壞的狀況。壁掛式充電樁則依靠墻體固定，適用于室內(nèi)和地下停車位，但是安裝過程較為復(fù)雜，成本較高，并且壁掛式充電樁 的主要結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于拆卸檢修。在充電樁管理系統(tǒng)方面，現(xiàn)有的充電樁管理系統(tǒng)只針對單一的充電站或一些小型的充電樁項目，再加上相關(guān)技術(shù)并未進入深度實用階段，目前 的技術(shù)應(yīng)用不過是初級水平。從計費系統(tǒng)方面來說，大規(guī)模充電站的運營需要較為高端的計 費管理系統(tǒng)，目前的計費管理系統(tǒng)并不能滿足這個要求，也沒有計費管理系統(tǒng)的研發(fā)和面世；而且，計費管理系統(tǒng)只是應(yīng)用于某個充電站，各個充電站之間相對獨立，沒有在計費系統(tǒng)、通信協(xié)議、通信借口之間建立統(tǒng)一的可供遵循的標準。

2智能充電樁本體及其網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理體系的設(shè)計

2.1智能充電樁網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理體系的設(shè)計

與加油站類似，充電樁也是以點狀分布于城市的各個角落，但其分布密度及區(qū)域要遠遠大于加油站，針對如何對不斷增多的充電樁進行管理，及時了解充電樁的健康及使用狀態(tài)，為管理者和用戶提供充電樁新的狀態(tài)信息，更好地對這些充電樁進行監(jiān)測與管理等問題，本文設(shè)計了三級監(jiān)測與管理網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對充電樁的智能化管理。網(wǎng)絡(luò)的三級為充電用戶通過手機APP軟件自主與充電樁進行協(xié)定，完成電動汽車充電。網(wǎng)絡(luò)的二級為區(qū)域監(jiān)測與管理平臺對所屬其管理區(qū)域內(nèi)的各充電樁定時進行巡檢，采用無人值守的方式，采集各充電樁的狀態(tài)，包括健康狀態(tài)、工作狀態(tài)等，并對各充電樁的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行存貯。

2.2充電樁本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

智能充電樁本體結(jié)構(gòu)，包括以下3個主要部分：充電樁主體、智能充電樁監(jiān)控模塊和智能充電樁后端維護與信息集成平臺。本新型智能充電樁應(yīng)用了大數(shù)據(jù)平臺和 “物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)。在后臺管理上，為了提高監(jiān)控分析的度和可靠度，信息集成平臺不僅對收集到的本充電樁的信息進行分析，而且能夠與大數(shù)據(jù)平臺中的充電樁的相關(guān)信息進行對比，保證要監(jiān)控的充電樁運行；而“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)則是兩化融合的升級版，將物聯(lián)網(wǎng)作為充電樁信息化發(fā)展的核心特征提取出來，并與充電樁信息集成平臺和用戶端 APP 全面融合，信息集成平臺與用戶側(cè)的手機 APP 可以通過“物聯(lián)網(wǎng)”更好的實現(xiàn)線上的信息傳遞，不僅方便快捷，而且與時俱進。

2.3智能充電樁的設(shè)計

2.3.1智能充電樁后端監(jiān)測模塊的設(shè)計

據(jù)調(diào)查，應(yīng)該由配電監(jiān)控、充電監(jiān)控、安全監(jiān)控等功能組成電動汽車充電樁后端監(jiān)控模塊的功能，監(jiān)視和控制充電設(shè)備、配電設(shè)備及其他設(shè)備，實現(xiàn)集中的監(jiān)控管理。充電樁的主體上會有一塊顯示屏，顯示屏上只顯示用戶關(guān)注的實時信息，如故障信息、充電時長、充電剩余時間、交費信息和充電完成提示等。不在電子屏上顯示的一些電氣參數(shù)如電壓、電流和綜合信息如用戶使用信息、諧波信息等，這些信息將送到后臺維護與信息集成平臺，定期自動將信息整合并傳送一級集中監(jiān)測與管理平臺。

2.3.2充電樁后端維護與信息集成平臺的設(shè)計

基于國內(nèi)外充電樁管理平臺發(fā)展現(xiàn)狀，開發(fā)了一個智能充電樁后端監(jiān)測與信息集成平臺，對充電樁的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測，并試圖實現(xiàn)對整個充電站的綜合狀態(tài)進行監(jiān)測，為充電站的運行規(guī)劃以及巡檢維護提供大量可靠的評估數(shù)據(jù)和策略。

(1)監(jiān)控功能。監(jiān)控功能是充電樁監(jiān)控系統(tǒng)基本的功能，主要分為監(jiān)測功能和控制功 能。監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行監(jiān)測功能，是通過對設(shè)備的運行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)以及對設(shè)備運行形成較大影響力的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)進行收集分析，然后判斷設(shè)備運行處于何種狀態(tài)以及未來的運行態(tài)勢，也就是說，主要是進行數(shù)據(jù)的輸入并進行處理后得出結(jié)論。監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行控制功能，是通過轉(zhuǎn)換工作人員的控制命令為設(shè)備可以識別的信號指令，然后使設(shè)備作出必要的回應(yīng)，以使得工作人員預(yù)期的行為得以實現(xiàn)，也就是說，主要是在信息輸入后執(zhí)行命令。

(2 )交互功能。交互功能是監(jiān)控系統(tǒng)通過人機交互界面的設(shè)置，實現(xiàn)人與設(shè)備之間的對 話。監(jiān)控系統(tǒng)包括圖文結(jié)合、視聽結(jié)合等多種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的方式，并且有專門為外接的鍵盤、鼠標等設(shè)備預(yù)留接口，方便用鍵盤、鼠標等設(shè)備進行操作，將操作人的指令轉(zhuǎn)化為設(shè)備信號然后獲得執(zhí)行，將設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為操作人可了解的信息然后進行指令的校正。

3安科瑞AcrelCloud-9000充電站運營平臺

3.1平臺概述

安科瑞充電站運營平臺依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，對充電站配電系統(tǒng)的運行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進行實時監(jiān)控和預(yù)警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟運行提供保障，并及時切除安全隱患、避免電氣火災(zāi)發(fā)生，從而保障人員的生命財產(chǎn)安全，打造“安全、高效、舒適、綠色”的“人—車—樁—電網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)—多種增值業(yè)務(wù)”的智慧充電站，提升充電站的社會和經(jīng)濟價值。

3.2適用場合

可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、酒店、體育場等公共建筑；商業(yè)廣場、產(chǎn)業(yè)園等綜合園區(qū)；企業(yè)、住宅小區(qū)等場所。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺層三個部分組成，詳細拓撲結(jié)構(gòu)如下：

現(xiàn)場設(shè)備層：連接于網(wǎng)絡(luò)中的各類傳感器，包括多功能電力儀表、汽車充電樁、電瓶車充電樁、電能質(zhì)量分析儀表、電氣火災(zāi)探測器、限流式保護器、煙霧傳感器、測溫裝置、智能插座、攝像頭等。

網(wǎng)絡(luò)通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò)故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成對現(xiàn)場所有智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，可在PC端或移動端實現(xiàn)實時監(jiān)測充電站配電系統(tǒng)運行狀態(tài)、充電樁的工作狀態(tài)、充電過程及人員行為，并完成微信、支付寶在線支付等應(yīng)用。

多功能電力儀表、汽車充電樁、電瓶車充電樁、電氣火災(zāi)探測器、限流式保護器、智能插座可通過全網(wǎng)通4G通訊模組與平臺直接通訊。

電能質(zhì)量分析儀表、煙霧傳感器和測溫裝置通過RS485，攝像頭通過RJ45與智能網(wǎng)關(guān)通訊，再由智能網(wǎng)關(guān)通訊通過4G統(tǒng)一與平臺通訊。

限流式保護器既可以通過4G連接平臺，也可以通過RS485連接網(wǎng)關(guān)。

平臺搭建在客戶自己配置的服務(wù)器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能聯(lián)網(wǎng)的地方，通過有權(quán)限的賬號登陸網(wǎng)頁以及手機APP查看各處的運行情況。

3.4相關(guān)產(chǎn)品介紹

3.4.1 7KW交流充電樁AEV-AC007D

產(chǎn)品功能

1）智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能，如運行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電計量與計費以及充電過程的聯(lián)動控制等。

2）智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能，可將計量信息通過RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網(wǎng)絡(luò)運營平臺。

3）云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，財務(wù)報表分析等等。

4）保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能。

5）材質(zhì)可靠：保證長期使用并抵御復(fù)雜天氣環(huán)境。

6）適配車型：滿足國標充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國標的電動汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。

7）資產(chǎn)安全：產(chǎn)品全部由中國平安保險承保，充分保障設(shè)備、車輛、人員的安全。

3.4.2直流充電樁系列

3.4.3電氣火災(zāi)探測器ARCM300-Z

名稱	圖片	功能
電氣火災(zāi)監(jiān)控裝置		三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、COSφ），視在電能、四象限電能計算，單回路剩余電流監(jiān)測，4路溫度監(jiān)測，2路繼電器輸出，2路開關(guān)量輸入，事件記錄，內(nèi)置時鐘，點陣式LCD顯示，1路獨立RS485/Modbus通訊，支持4G/NB等多種無線上傳方案，支持斷電報警上傳功能。

3.4.4限流式保護器ASCP200

產(chǎn)品功能：

1）短路保護：保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

2）過載保護：當(dāng)線路電流過載且持續(xù)時間超過動作時間（3~60秒可設(shè)）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

3）表內(nèi)超溫保護：當(dāng)保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

4）組網(wǎng)通訊：保護器具有1路RS485接口，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

3.5平臺功能

3.5.1首頁

平臺首頁顯示充電站的位置及在線情況，統(tǒng)計充電站的充電數(shù)據(jù)。

3.5.2實時監(jiān)控

1）充電站監(jiān)控

可以按站點名稱進行篩選，顯示站點詳情、充電槍列表、統(tǒng)計訂單信息、故障記錄，點擊某個充電槍編號后在進入充電槍監(jiān)控頁面實時監(jiān)測變壓器負荷（搭配ACM300T、ADW300），當(dāng)負荷超過50%時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為50%，當(dāng)變壓器負荷超過80%時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。如圖所示：

統(tǒng)計當(dāng)前充電站各充電樁回路的數(shù)據(jù)；通過卡片的形式展現(xiàn)充電樁的數(shù)據(jù)；顯示故障列表；如圖所示：

2）充電樁監(jiān)控

顯示充電樁充電數(shù)據(jù)；顯示各回路的充電狀態(tài)；可以對充電中的回路進行手動終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設(shè)備監(jiān)控

顯示限流式保護器的狀態(tài)，包括線路中的剩余電流、溫度及異常報警，如圖所示：

3.5.3故障管理

1）故障查詢

故障查詢中記錄了登錄用戶相關(guān)聯(lián)的所有故障信息。如圖所示：

2）故障派發(fā)

故障派發(fā)中記錄了當(dāng)前待派發(fā)的故障信息。如圖所示：

3）故障處理

故障處理中記錄了當(dāng)前待處理的故障信息。如圖所示：

3.5.4能耗分析

在能耗分析中，可查看規(guī)定時段關(guān)聯(lián)站點和關(guān)聯(lián)樁的能耗信息并顯示對應(yīng)的能耗趨勢圖。如圖所示：

3.5.5故障分析

在故障分析中，可查看相關(guān)時間內(nèi)的故障數(shù)、故障狀態(tài)、故障類型、趨勢分析以及故障列表。如圖所示：

3.5.6財務(wù)報表

在財務(wù)報表中，可根據(jù)時間查看關(guān)聯(lián)站點的財務(wù)數(shù)據(jù)。如圖所示：

3.5.7收益查詢

在收益查詢中，可查看總的收益統(tǒng)計、收益變化曲線圖、支付占比餅圖以及實際收益報表。如圖所示：

4結(jié)語

（1）新型智能充電樁通過改變其結(jié)構(gòu)，有效節(jié)約占地面積。通過完善后臺管理系統(tǒng)的功能，不僅可以實現(xiàn)監(jiān)測充電樁運行狀態(tài)的功能，充電樁結(jié)構(gòu)和功能的改進，可以推動電動汽車行業(yè)的發(fā)展，并在一定程度上有利于節(jié)能減排 。

（2）新型智能充電樁運用集成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系。采用三級監(jiān)測與管理網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對充電樁的智能化管理，保證各區(qū)域要監(jiān)控的充電樁正常運行，采集的數(shù)據(jù)在充電樁的規(guī)劃與建設(shè)方面起決策作用。

參考文獻

[1]張允,陸佳政,李波.利用有源濾波功能的新型電動汽車交流充電樁[J].高電壓技術(shù),2011,37(1):150-156.

[2]孫小慧,劉鍇,左志.考慮時空間限制的電動汽車充電站布局模型[J].地理科學(xué)進展,2012,31(6):686-692.

[3]傘晨峻,艾芊.多代理框架下的電動汽車充電站協(xié)調(diào)控制[J].低壓電器,2014,442 (1):61-65.

[4]蔣濤,秦奮,俞偉勇,胡堅,李題印,胡偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能充電樁及運行管理平臺的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2017,16(1).

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.5版.

作者簡介：聞什益 手機：18317090329（微信同號）

審核編輯 黃宇