电动汽车充电站综合管理平台的设计方案

• 关键词：充电桩管理系统,物联网,云计算
• 作者：汪海燕
• 摘要：实现了对充电站场的运营管理、运维管理、安防管理等，提高了充电站场的整体管理效率，保障了充电站场的运营安全。

摘要：随着新能源汽车的飞速普及，充电站大力发展建设，充电站场[1]的安全、高效、智能化运营管理显得尤为重要，文章基于云计算[2]、物联网[3]和大数据[4]的运用，建设充电站运营运维管理平台，实现了对充电站场的运营管理、运维管理、安防管理等，提高了充电站场的整体管理效率，保障了充电站场的运营安全。

关键词：充电桩管理系统；充电站运营；物联网；云计算；大数据；数据采集

0引言

为了节能减排，保护环境，近年来，国家大力发展新能源汽车，随着新能源汽车保有量的不断增大，新能源汽车充电桩、充电站也正在大力发展建设，目前大部分充电站场的运营、运维、消防等管理比较薄弱，尤其是直流充电桩都是高电压，汽车电池充电异常，使充电站场存在一定的安全隐患，因此为了解决这些问题，提高充电桩的运营、运维管理效率，需要构建一套开放、智能、互动、高效、安全的电动汽车充电站场综合管理服务平台，实现对充电站场远程运营、运维管理及消防管理，尤其是对充电过程数据的实时监控及集成站场监控系统，实现对站场的全面监控管理，尽可能地杜绝一切安全隐患。本文根据充电站场管理的实际需求，采用大数据处理、云服务、物联网等技术，采用C/S数据采集，B/S的应用架构，实现充电站综合管理服务平台，管理人员通过PC浏览器登录平台，运维人员可通过手机App登录，充电用户通过手机App或微信公众号登录。建设充电站运营运维管理平台，实现运营管理、运维管理、安防管理，从而实现对充电站场全面、高效、安全的全方位管控。

1需求分析

充电站场多，地理位置分布比较散而远，管理成本高且难度大。充电站的主要充电设施是充电桩，充电桩的运作情况对整个充电站的运营影响非常大。充电桩运维效率低，设备管理混乱，严重影响站场正常运营。站场内充电桩数量多，人员复杂，高压设备等，存在一定的安全隐患。

本平台不仅实现充电桩的运营管理、运维管理、安防管理，还通过对车辆充电过程的实时数据监测，同时对站场、箱变环境参数及烟感状态进行采集，发现异常及时预警，并自动停止充电，如遇突发情况，通过平台调用现场监控设备，可以远程了解现场情况，指挥现场处置。主要需求模块如下：

1)运营管理模块，主要包括用户管理、订单管理、充值管理、价格管理、发票管理、统计报表、效益分析等，主要实现根据用户具体充电时间计价，按充电量或充电时长计费，生成订单并完成结算，能够通过多个维度统计分析各个充电站场的运营情况及经营效益。

2)运维管理模块，主要包括运维人员管理、巡检管理、维修管理等，主要实现通过现场监控设备督促巡检人员对设备巡检计划的有效执行，及时发现并解决问题隐患。设备出现故障，可由系统自动配单到维修人员或由工作人员手动派单，并对维修情况及维修结果资料进行管理。

3)安防管理模块，主要包括安防监控摄像头管理、消防器材管理、监控设备配置管理、站场环境参数采集监测、异常情况的图片及视频资料管理等，主要通过监控设备的人脸识别技术、场景识别技术，实现对危险人员、危险操作的及时识别、预警，并保存记录。

4)车辆管理模块，主要包括车辆信息管理、车辆运行轨迹监控、车载电池信息监测等，本模块主要针对自有或合作单位有营运车辆，主要通过车辆VIN码，实现插抢即充电，无须现场结算。实现对车载电池信息的实时监测，能够对电池使用过程中出现的异常进行预警，通过对数据分析，对电池可能将要出现的故障，进行提前提醒。

5)设备监控模块，主要包括充电桩运行状态监测，充电电池监测，故障监测等，本模块主要是对充电桩和车载电池运行情况进行持续实时监测，尤其是对电池充电过程的交互数据进行监测分析，出现异常情况（如电池温度超高等），充电桩自动终止充电，平台通知与充电桩绑定的监控设备发出声光报警，并在站场内监控屏幕显示报警信息。

6)告警模块，主要包括告警规则配置，报警设备绑定管理等，本模块主要实现告警规则的配置，报警终端配置，如果站场内发生事故，可以远程通过平台绑定的监控设备，实时查看现场画面，方便上级领导及时对现场处置进行指挥。

2系统总体设计

图1网络拓扑结构图

充电桩和监控摄像头均采用无线连接方式，接入本平台，无线信号不稳定的地方，则改用有线连接入网。集成视频监控系统，监控图像数据分别送往存储设备进行存储，视频服务器进行解码显示在监控设备上。监控摄像机抓的图像、人脸识别等数据，通过移动网络发送到运营平台，平台也可以对摄像头进行的控制操作。

平台后端监管，可以分站场和总部，进行两级部署，站场部署大屏，显示本站充电桩运营状态，异常时，自动发出告警，无须专人值守。

图2系统架构图

1)设备层

设备层主要是监控摄像机、直流充电桩、环境监测相关传感器，摄像机及充电桩都集成数据传输设备，支持有线及无线连接网络。本层用于完成设备运行数据的采集和系统下发控制指令的接收及执行。采集的数据包括摄像头抓拍的图像，充电桩空闲时的心跳，充电桩充电的签权及交易数据，充电电压、电流、车载电池的参数及实时温度。本系统还支持第三方软件接口的集成，主要用于电池的实时温度监测及车辆GPS定位等。

2)网络层

网络层主要是将设备采集的数据通过无线或有线网络传输到云端数据服务器，根据实际场地环境选择网络连接方式。移动网络信号稳定的地方，选择4G/5G网络；移动网络信号不稳定或信号很弱的地方，选择Internet有线网络。

3)数据层

数据层主要有数据采集服务、数据处理服务、数据存储服务，实现数据的接收、分析计算、处理存储、数据查询等，交易数据存储在业务数据库，设备状态监测数据先暂存于实时数据库，经过处理后，再转存到业务数据库。

4)应用层

应用层主要是负责基础数据的编辑，交易数据的统计分析，监测数据的异常检测预警、分析，数据汇总展现、报表统计查询等业务处理。

3数据采集子系统实现

本平台主要是对充电桩运行状态，尤其是对充电过程中状态参数及电池系统的实时状态参数的监测，以及对充电交易的信息交互，因此设备数据采集对本平台至关重要。平台通过监控摄像头内置的传输设备实现图像信息采集，通过充电桩设备内置的传输设备实现状态监测及充电实时数据采集。

数据采集处理过程采用分布式处理，以保证系统高并发时的可靠性。

图3数据上行处理流程

充电桩等设备与云端数据采集Netty服务器通过TCPSocket长连接的方式，进行数据传输，充电桩以2秒一次向Netty服务器发送心跳，以保持在线状态。

Netty服务器接收到数据后，经过解析后转发到RabbitMq消息队列中。

消息处理程序持续地从消息队列中读取消息，进行解析处理，根据设定的编码规则，将消息数据重新编码，逐条存入文件中，文件按设备和日期独立存储；解析过程中检查报文类型，如果类型为温度、电压等异常告警时，即将该状态数据存入Redis中，Redis根据字段值的变化，触发相应的事件处理程序。

数据处理程序不断地遍历数据文件，读取文件中新写入的数据，进行解析处理，根据数据内容，分别存储到临时数据库和业务数据库，临时数据库中存储的数据，主要是电池充电过程中的进度、温度、电流等实时变化数据，用于对近期指定充电过程的统计分析，对设备异常及交易异常的分析。

充电设备上线数据报文通用的数据类型标识语义如下：

消息处理程序从消息队列中读取消息，解析消息报文内容，再根据报文类型进行重新编码后，以十六进制格式存入文件。文件根据充电设备及日期分类存储。

文件编码格式示例如下：

消息处理程序在解析消息的同时，检查消息类型，如果类型为需要实时监测的状态信息时，即将该状态数据存入Redis中，利用Redis的键空间通知，实现自动触发事件，启动相应的处理程序，例如将充电桩心跳数据存入Redis键值中，然后Redis开始对该键值更新时间进行倒计时，如果在设定时间内没有对该键值进行数据更新，则触发超时事件，即充电设备离线告警。

数据处理程序从存储的文件中，读取并解析数据，根据业务逻辑运算，分别将数据存储到临时数据库和业务数据库。

4系统界面功能实现

平台采用Java语言开发，后端包括Web应用程序及数据处理程序，Web应用系统采用B/S模式，前端采用JSP、JS、Ajax等脚本语言，图表控件使用开源的Echarts。

Web应用程序采用JavaEE应用的分层设计与开发，系统中的对象按层分为：数据对象，业务对象和展现层对象，分别负责系统的数据持久化、业务逻辑处理和页面渲染展示。利用统一的接入服务，业务对象可以为不同的客户端提供服务，同时也能方便地转换为WebService发布。

分层体系结构，将系统逻辑、业务逻辑与数据逻辑相分离，提高了系统的并行操作能力及系统的整体运行性能，基于Spring框架的开发，降低编码开发难度和成本，同时降低了程序组件间的耦合度，极大地增强了程序的可维护性和可扩展性。

平台业务应用系统根据不同的用户分为三个部分，分别为充电客户使用的终端App，设备运维人员的终端App，平台管理系统。

充电客户使用的App，供使用充电桩充电的车主用户使用，主要为用户提供充电站查找、地图导航、扫码充电、充电结算、充电进度查看、消费记录查询等功能。

设备运维人员的终端App，供站场内充电桩日常巡检及维修的人员使用，主要功能有站场地图、地图导航、派单通知、工单完成进度、工单查询、巡检记录等。

平台管理系统，供管理人员使用，实现对充电站场的全面运营管理、信息维护、经营分析，系统主要包含运营管理、运维管理、安防管理、车辆管理、设备管理、告警/配置、设备状态监测、站场管理、账号管理、日志管理等功能模块。

图4系统功能

运营管理模块主要实现充电交易的管理，主要功能为：订单的管理、电费单价管理、充电服务费管理、充值管理、发票管理、统计报表、经营分析等。

运维模块主要实现对充电桩的日常巡检及维护的管理，主要功能为：巡检管理、维修管理、运维人员管理等。

设备监测主要实现对充电桩充电过程中的实时参数采集、分析，发现异常及时终止充电并发出告警信息；检测到交易终止条件时，通知充电设备终止充电。

5安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

5.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

5.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

5.4安科瑞充电桩云平台系统功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

5.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。

5.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

5.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

5.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

5.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

5.4.7运APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

5.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

5.5系统硬件配置

6结束语

云计算、物联网和大数据代表了信息技术领域*新的技术发展趋势，也是当前*热门的信息应用技术，在很多行业领域中都得到了成功的运用。本文介绍的充电站场运营综合管理平台，通过将终端充电设备进行联网，对设备运行信息及站场的环境的在线数据采集，大数据量分析，实现对零散分布在各个区域的充电站场进行全面管理，也是云计算、物联网技术的一个实际应用。本平台已上线应用，实际应用效果比较显著，实现了地理上分散的充电站场整体综合管理；实现了车辆通过VIN码，插抢自动识别充电，简化人工操作；系统的数据统计，帮助管理人员了解各充电站场的充电桩的使用效率；系统的运维管理，提高了管理人员对充电桩设备的日常巡检及维护的管理效率，结合现场监控设备，实现了对日常巡检及维护工作的监督；平台的异常监测告警和现场监控摄像机的实时监控及异常抓拍，为充电站场的安全运营，提供了保障。

参考文献：

[1]董华冰.客车充电站设计安全维护与故障处置分析[J].商用汽车新闻,2021(21):11-14.

[2]顾炯炯.云计算架构技术与实践[M].2版.北京:清华大学出版社,2016.

[3]廖建尚.企业级物联网开发与应用[M].北京:电子工业出版社,2018.

[4]王兆波.充电站运营综合管理平台的设计与实现.

[5]安科瑞企业微电网应用手册2020.06版.