充電樁云平臺在有序充電服務中的應用

摘要：鑒于電動汽車數(shù)量未來爆發(fā)式增長的現(xiàn)象，利用分布式邊緣云模塊化技術，以服務功能劃分為有序充電云模塊和遠程自動檢測模塊，通過蜂窩無線遠距離傳輸?shù)姆绞?，實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)及控制信息上下行數(shù)據(jù)交互的承載。利用云平臺的虛擬化存儲、動態(tài)擴展、功能模塊化部署特點，可以在靈活的空間范圍內部署后臺計算與能源資源匹配與應用；利用一套遠程自檢裝置，通過軟件形式定期下發(fā)自檢測程序，充電樁啟動自檢模式，將檢測報告與裝置內存儲的標準數(shù)據(jù)進行比對，進一步改善平臺充電樁監(jiān)控狀態(tài)。通過邊緣云平臺信息分區(qū)分功能交互的模式，利用虛擬空間構建一個大容量、高可靠的管控平臺，為車聯(lián)網(wǎng)應用提供一種切實可行的解決方案。

關鍵詞：云平臺；自動檢測；能源管理；有序充電

1.有序充電計量數(shù)據(jù)管理及樁站管理現(xiàn)狀

傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理更側重于對車輛的管理，例如車輛運行路徑、車輛能量剩余情況、車輛間距、一定空間內車輛容納數(shù)量等信息，以上綜合信息有利于幫助系統(tǒng)了解充電樁附近的車輛充電需求量，主要目的是為車輛主動推送充電信息，用戶可以從車載終端或其他APP上迅速搜索到附近可充電的充電點，節(jié)省了用戶的等待時間。但電動汽車發(fā)展速度過快，導致傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)控制與管理方面也逐步顯露出了較多不匹配的地方，總結為以下幾點：

（1）充電樁數(shù)量與電動汽車充電需求數(shù)量完全不成正比：充電樁安裝需要安全、有源的空間預留，隨著城市智能化建設的加速，可以滿足充電樁部署的空間比較有限，如何解決有限的能源用于更多的設備充電是需要解決的問題。

（2）充電樁充電技術還未完全成熟：某個省質檢單位對充電樁產(chǎn)品出廠前檢測結果反映，70%產(chǎn)品存在著安全隱患，例如有的存在故障無警示或者元件接地錯誤等，也意味著，這批充電樁在運行一段時間后出現(xiàn)安全問題的可能性很大。在充電樁數(shù)量如此有限的情況下，再加上充電樁故障的風險，給充電能力增加了更大的壓力。

（3）車聯(lián)網(wǎng)缺乏對充電樁聯(lián)網(wǎng)供電能力的評估：目前車聯(lián)網(wǎng)僅是將每個充電樁供電水平值采集到系統(tǒng)，當周邊有車輛預到達時，可推送充電消息。但往往由于充電樁分配不合理，導致有的車輛無電可充，而有可充電的樁站卻空閑。

2. 基于云平臺服務的有序充電應用管理架構

基于以上深度的分析，解決車聯(lián)網(wǎng)充電服務問題的根本要從兩個方面入手：一是加強車聯(lián)網(wǎng)能源供應與充電需求的匹配度；二是增加充電樁自檢測能力，并能通過程序自優(yōu)化方法對充電樁進行升級。本文針對兩個主要需求采用邊緣云模塊的方式，不同的云功能設計不同的模塊，還能借助云特性實現(xiàn)云模塊間的數(shù)據(jù)耦合與擴展。通過功能云數(shù)據(jù)與能源管理系統(tǒng)內其他設備相互聯(lián)系，可支撐整個充電過程服務的實現(xiàn)。整體架構如圖 1 所示。

車聯(lián)網(wǎng)對于封閉式的電網(wǎng)而言，屬于信息外網(wǎng)，因此架構從縱向來看劃分為信息內網(wǎng)與信息外網(wǎng)兩部分。信息內網(wǎng)側重于能源側，包括配電網(wǎng)發(fā)電-充電樁供電-供電交易計量，其過程具體可描述為智能配電網(wǎng)將傳統(tǒng)電網(wǎng)或分布式新能源等不同形式能源通過 10 kV 電纜通道傳輸?shù)侥茉绰酚善鳎赡茉绰酚善鞲鶕?jù)用戶需求將能源分配給的汽車充電，并將充電結果反饋到交易中心進行記錄，完成收費過程。信息外網(wǎng)側重于充電服務，主要由用戶電動汽車、用戶信息交互 APP 及車聯(lián)網(wǎng)組成，其過程具體可描述為當車輛需要充電時，利用APP軟件將需求發(fā)送到車聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)根據(jù)系統(tǒng)內充電樁圈的空閑情況及設備狀態(tài)情況，合理推送充電方案，完成充電過程。

基于邊緣云平臺的車聯(lián)網(wǎng)服務架構與傳統(tǒng)架構的不同之處在于，部分原由能源交易管理系統(tǒng)執(zhí)行的功能下放到車聯(lián)網(wǎng)內。BMS（Battery ManagementSystem）是動力電池管理系統(tǒng)的約束，掌握電池的狀態(tài)，保證充放電過程的安全，功能模塊集成在車聯(lián)網(wǎng)平臺中；能源管理系統(tǒng)對每個充電樁運行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)邏輯形式發(fā)送到車聯(lián)網(wǎng)云端，進行鏡像存儲，車聯(lián)網(wǎng)中的控制云能更充分結合用戶用能行為習慣，將用戶群體需求圈中的所有充電樁供能

狀態(tài)集中建模，綜合參考用戶等待時間、充電樁群綜合供能效率、車輛服務移動綜合距離等評價參量，保證分配方案的合理化。將控制權下放到車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，1.它屬于分布式管理方式，采用邊緣云處理的方法，能夠更快地出具分配方案，相比能源管理系統(tǒng)集中式處理方式，效率和準確率均會有所提升，也能降低集中數(shù)據(jù)管理的負擔；2.它與用戶直接接觸，可以較靈活地根據(jù)用戶充電習慣的改變而優(yōu)化能源分配模型，實時更新云數(shù)據(jù)庫空間內容，以更多數(shù)據(jù)服務形式滿足用戶服務的要求。

其次基于邊緣云平臺增加的檢測云模塊，通過在系統(tǒng)主站部署一套智能化檢測裝置，提前將常規(guī)性充電樁運行狀態(tài)檢測方案轉換成軟件編碼形式，周期性地下發(fā)自檢模式控制指令，充電樁會自動啟動自檢功能，完成線纜連接、電流額定功率、通信故障等系列檢測程序，最終形成自檢報告，對于有問題節(jié)點會將警示消息傳輸?shù)杰嚶?lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)會根據(jù)充電樁狀態(tài)實時調整分配方案，并下發(fā)檢修信息到能源管理平臺，報送電網(wǎng)進行檢修。檢測云從設備自身狀態(tài)出發(fā)提升了設備使用壽命，也變相緩解了充電樁使用的壓力。

3. 基于邊緣計算的有序充電算法實現(xiàn)

車聯(lián)網(wǎng)有序充電服務過程以用戶側需求為主，按照先預測用戶充電需求趨勢來提前部署充電樁分配方案。如果采用傳統(tǒng)的需求與充電樁實時匹配方案，經(jīng)常出現(xiàn)充電樁無空閑的狀態(tài)，因此要對需求提前預測，才能盡量保障能源的供應。有序充電流程如圖 2 所示。

電動汽車用戶接收到的信息可能包括電價信息、獎勵和懲罰信息、充放電功率限制、充放電時間限制等。這些信息可能來自于不同的主體，電動汽車用戶根據(jù)這些信息結合自身的行駛需求，對各種信息做出選擇和響應決策。同一充電設施可能被多個用戶使用，電動汽車用戶并不是直接的電力用戶。在這些公共停車位上，包含了長時間充電或快速充電的需求，可具備功率較大的交流充電或者直流充電設施。這些充電設施應具備用戶識別和充電費用結算功能。多輛電動汽車充放電協(xié)調控制的目標包括：1.執(zhí)行上級控制命令；2.滿足各電動汽車用戶的充電需求。在控制過程中，電動汽車接入、退出，各控制對象的狀態(tài)在不斷地變化。協(xié)調控制策略應實時、動態(tài)地進行調整，可見控制策略是有序充電規(guī)則制定的核心。

4. 基于云架構下的遠程自動檢測有序充電管理單元設計與實現(xiàn)

充電樁自檢功能是車聯(lián)網(wǎng)平臺中新增的部分，通過在平臺中部署一套智能化自檢裝置，包括軟硬件基礎組件構成，通過多個無線通道同時對多臺充電樁進行性能檢測，一般選擇蜂窩式的通信組網(wǎng)模式，符合充電樁分布集群式的部署特征。智能化自檢裝置軟硬件結構圖圖 4 所示。

結構主要劃分為硬件模塊與數(shù)據(jù)庫軟件服務器部分，硬件部分主要實現(xiàn)充電樁狀態(tài)信息的采集與處理，充電樁上部署了除了互感器等電量采集的元器件外，還有各種非電量傳感器檢測模塊，所有數(shù)據(jù)通過無線多通道并行上傳到檢測裝置的測試接口，高精度數(shù)字功率計可以將充電樁實時的三相電流、電壓及瞬時功率值計算出來，并通過可編程交流負載，模擬不同電阻檔位進行測試，驗證充電樁運行電路中各個觸電電量值及開關量狀態(tài)是否在安全運行標準數(shù)值范圍內。按照充電樁檢測用例過程要求編寫測試程序，下發(fā)到充電樁中，可

自動完成自檢測過程[9]。其次對于充電樁環(huán)境監(jiān)測是在傳感器參量處理電路中執(zhí)行，將采集的溫度、濕度、電磁等參量的數(shù)據(jù)融合采集、分類計算，同樣將數(shù)據(jù)結果與歷史故障門限值數(shù)據(jù)進行比對，對于超過安全運行標準的數(shù)據(jù)進行報警，如故障在可自動修復范圍內，系統(tǒng)會下發(fā)優(yōu)化程序，充電樁進行自調優(yōu)完善過程。針對剛才描述中涉及到的檢測編譯程序及歷史故障庫等部分均在數(shù)據(jù)庫服務器中集成存儲，結構化數(shù)據(jù)庫按照檢測數(shù)據(jù)、處理模型、故障庫等類型、優(yōu)化程序等將數(shù)據(jù)存儲在不同的容器中，根據(jù)系統(tǒng)自檢過程順序調取不同數(shù)據(jù)，配合完成各項自測項目。

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。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6. 總結

本文主要針對電動汽車充電服務水平急需提升的問題，設計了邊緣云的深度解決方案。通過調研目前充電樁與電動汽車數(shù)量不匹配及充電樁運行不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，分別利用基于密度聚類計算的邊緣算法分析車輛充電的行為習慣，勾勒出用電密集度行為圈；并結合遠程充電樁自檢驗模式，定期檢測設備運行健康指數(shù)，合理分配有效的充電裝置，共同制定充電樁分配方案。聯(lián)系：172 - 69 75- 86 33本文研究了一套基于云平臺服務的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理架構方案，分析其中各云管理模塊的功能及組成，針對充電樁遠程自檢實現(xiàn)原因進行了研究，驗證車聯(lián)網(wǎng)集成平臺新增值檢測業(yè)務的功效。賦予新功能的車聯(lián)網(wǎng)平臺不僅實現(xiàn)了車輛充電數(shù)據(jù)的實時采集、存儲及可視化控制功能，還實現(xiàn)了充電樁站設備的自動檢測能力，節(jié)約了大量人力的常規(guī)檢查。

審核編輯 黃宇