淺析基于云平臺的充電樁用能計量有序充電服務(wù)的應用

摘要：鑒于電動(dòng)汽車(chē)數量未來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)的現象，利用分布式邊緣云模塊化技術(shù)，以服務(wù)功能劃分為有序充電云模塊和遠程自動(dòng)檢測模塊，通過(guò)蜂窩無(wú)線(xiàn)遠距離傳輸的方式，實(shí)現采樣數據及控制信息上下行數據交互的承載。利用云平臺的虛擬化存儲、動(dòng)態(tài)擴展、功能模塊化部署特點(diǎn)，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(guò)軟件形式定期下發(fā)自檢測程序，充電樁啟動(dòng)自檢模式，將檢測報告與裝置內存儲的標準數據進(jìn)行比對，進(jìn)一步改善平臺充電樁監控狀態(tài)。通過(guò)邊緣云平臺信息分區分功能交互的模式，利用虛擬空間構建一個(gè)大容量、高可靠的管控平臺，為車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用提供一種切實(shí)可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：云平臺；自動(dòng)檢測；能源管理；有序充電

今年，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)抓住了疫情影響洼地，迅速找到了發(fā)展突破口，從電動(dòng)汽車(chē)發(fā)行政策到鋰電池開(kāi)發(fā)技術(shù)均出臺了多層面利好消息，未來(lái)一段時(shí)間內會(huì )出現電動(dòng)汽車(chē)乘用車(chē)數量井噴現象，如何滿(mǎn)足如此批量的電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)需求，有必要改善現有車(chē)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺服務(wù)能力。車(chē)聯(lián)網(wǎng)作為充電樁集群式系統管理平臺，可以遠程對充電樁空閑狀態(tài)、運行狀態(tài)、分布位置等進(jìn)行管理，并通過(guò)車(chē)載終端獲取管轄區域內的車(chē)輛充電需求及位置要求，將充電需求與充電樁存量信息進(jìn)行匹配，為車(chē)輛主動(dòng)推送合適的充電方案信息。但隨著(zhù)車(chē)輛數量的快速遞增，傳統車(chē)聯(lián)網(wǎng)管理方法會(huì )逐步表現出處理能力的缺陷，應通過(guò)某些智能化技術(shù)提升管理系統的處理容量和效率。

1 有序充電計量數據管理及樁站管理現狀

傳統車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統數據的管理更側重于對車(chē)輛的管理，例如車(chē)輛運行路徑、車(chē)輛能量剩余情況、車(chē)輛間距、一定空間內車(chē)輛容納數量等信息，以上綜合信息有利于幫助系統了解充電樁附近的車(chē)輛充電需求量，主要目的是為車(chē)輛主動(dòng)推送充電信息，用戶(hù)可以從車(chē)載終端或其他APP上迅速搜索到附近可充電的充電點(diǎn)，節省了用戶(hù)的等待時(shí)間。但電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展速度過(guò)快，導致傳統車(chē)聯(lián)網(wǎng)在數據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(diǎn)：

（1）充電樁數量與電動(dòng)汽車(chē)充電需求數量完全不成正比：充電樁安裝需要安全、有源的空間預留，隨著(zhù)城市智能化建設的加速，可以滿(mǎn)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(wèn)題。

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

（3）車(chē)聯(lián)網(wǎng)缺乏對充電樁聯(lián)網(wǎng)供電能力的評估：目前車(chē)聯(lián)網(wǎng)僅是將每個(gè)充電樁供電水平值采集到系統，當周邊有車(chē)輛預到達時(shí)，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(chē)輛無(wú)電可充，而有可充電的樁站卻空閑。

2 基于云平臺服務(wù)的有序充電應用管理架構

基于以上深度的分析，解決車(chē)聯(lián)網(wǎng)充電服務(wù)問(wèn)題的根本要從兩個(gè)方面入手：一是加強車(chē)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(guò)程序自?xún)?yōu)化方法對充電樁進(jìn)行升級。本文針對兩個(gè)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(shí)現云模塊間的數據耦合與擴展。通過(guò)功能云數據與能源管理系統內其他設備相互聯(lián)系，可支撐整個(gè)充電過(guò)程服務(wù)的實(shí)現。整體架構如圖 1 所示。

車(chē)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(lái)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(guò)程具體可描述為智能配電網(wǎng)將傳統電網(wǎng)或分布式新能源等不同形式能源通過(guò) 10 kV 電纜通道傳輸到能源路由器，由能源路由器根據用戶(hù)需求將能源分配給的汽車(chē)充電，并將充電結果反饋到交易中心進(jìn)行記錄，完成收費過(guò)程。信息外網(wǎng)側重于充電服務(wù)，主要由用戶(hù)電動(dòng)汽車(chē)、用戶(hù)信息交互 APP 及車(chē)聯(lián)網(wǎng)組成，其過(guò)程具體可描述為當車(chē)輛需要充電時(shí)，利用APP軟件將需求發(fā)送到車(chē)聯(lián)網(wǎng)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)根據系統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(guò)程。

基于邊緣云平臺的車(chē)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)架構與傳統架構的不同之處在于，部分原由能源交易管理系統執行的功能下放到車(chē)聯(lián)網(wǎng)內。BMS（Battery ManagementSystem）是動(dòng)力電池管理系統的約束，掌握電池的狀態(tài)，保證充放電過(guò)程的安全，功能模塊集成在車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺中；能源管理系統對每個(gè)充電樁運行狀態(tài)數據通過(guò)數據邏輯形式發(fā)送到車(chē)聯(lián)網(wǎng)云端，進(jìn)行鏡像存儲，車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的控制云能更充分結合用戶(hù)用能行為習慣，將用戶(hù)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(hù)等待時(shí)間、充電樁群綜合供能效率、車(chē)輛服務(wù)移動(dòng)綜合距離等評價(jià)參量，保證分配方案的合理化。將控制權下放到車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統中，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，相比能源管理系統集中式處理方式，效率和準確率均會(huì )有所提升，也能降低集中數據管理的負擔；2.它與用戶(hù)直接接觸，可以較靈活地根據用戶(hù)充電習慣的改變而優(yōu)化能源分配模型，實(shí)時(shí)更新云數據庫空間內容，以更多數據服務(wù)形式滿(mǎn)足用戶(hù)服務(wù)的要求。

其次基于邊緣云平臺增加的檢測云模塊，通過(guò)在系統主站部署一套智能化檢測裝置，提前將常規性充電樁運行狀態(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(huì )自動(dòng)啟動(dòng)自檢功能，完成線(xiàn)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(wèn)題節點(diǎn)會(huì )將警示消息傳輸到車(chē)聯(lián)網(wǎng)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)會(huì )根據充電樁狀態(tài)實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)現

車(chē)聯(lián)網(wǎng)有序充電服務(wù)過(guò)程以用戶(hù)側需求為主，按照先預測用戶(hù)充電需求趨勢來(lái)提前部署充電樁分配方案。如果采用傳統的需求與充電樁實(shí)時(shí)匹配方案，經(jīng)常出現充電樁無(wú)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(dòng)汽車(chē)用戶(hù)接收到的信息可能包括電價(jià)信息、獎勵和懲罰信息、充放電功率限制、充放電時(shí)間限制等。這些信息可能來(lái)自于不同的主體，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)根據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(gè)用戶(hù)使用，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)并不是直接的電力用戶(hù)。在這些公共停車(chē)位上，包含了長(cháng)時(shí)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(hù)識別和充電費用結算功能。多輛電動(dòng)汽車(chē)充放電協(xié)調控制的目標包括：1.執行上級控制命令；2.滿(mǎn)足各電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的充電需求。在控制過(guò)程中，電動(dòng)汽車(chē)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(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行調整，可見(jiàn)控制策略是有序充電規則制定的核心。本文采用基于密度聚類(lèi)的方式對用戶(hù)充電行為數據進(jìn)行分析，具體測算過(guò)程如下：

（1）構建一個(gè)三維的信息采集坐標，橫坐標為用戶(hù)需要充電時(shí)間，縱坐標為充電電量，空間坐標為發(fā)出充電需求時(shí)車(chē)輛所在位置。

（2）對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，選擇不同時(shí)間段的充電行為進(jìn)行采集，在三維坐標軸上記錄下多方面信息，在坐標軸上標識出的一個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)車(chē)輛在某個(gè)空間位置需要充電的電量信息，最終在坐標軸上形成多個(gè)標識位置不同的節點(diǎn)。

（3）將 n 個(gè)訓練節點(diǎn)均標識在坐標軸上，從圖面上初步確定了核心節點(diǎn)k，以這k個(gè)核心節點(diǎn)為起點(diǎn)，設定距離門(mén)限值δ，分別計算k個(gè)核心節點(diǎn)周?chē)濣c(diǎn)的距離，計算條件如下：

通過(guò)計算，可以形成 k 個(gè)不同范圍密度圈。

計算遺漏節點(diǎn) t，將每個(gè)遺漏點(diǎn)再分別與k個(gè)密度圈的節點(diǎn)計算距離，選擇小的距離值，然后納入到此密度圈中；依次計算，直到遺漏節點(diǎn)劃分完畢，記錄t個(gè)節點(diǎn)距離值L，并備注為特殊節點(diǎn)。具體映射模型如圖3所示。

至此，完成用戶(hù)充電行為的坐標描述，用能行為直觀(guān)地表示成不同的能量密度圈，機器可以容易計算出每個(gè)密度圈中表示的充電總量、車(chē)輛數量、聚集時(shí)間段和充電區域，從而可以大致描繪出詳細的充電行為曲線(xiàn)圖。依照此行為曲線(xiàn)圖中位置及電量參量，將充電樁群進(jìn)行密度劃分，同樣形成不同的密度集，將兩個(gè)密度集進(jìn)行比對，構建兩個(gè)參量的密度圈一對一、一對多的映射關(guān)系。

（1）充電樁聚集密度太零散，用戶(hù)需求側一個(gè)密度圈會(huì )對應多個(gè)能量側密度圈。

（2）用戶(hù)用能量過(guò)大，同樣需要多個(gè)能量側密度圈來(lái)映射。

（3）一對一的情況是指用戶(hù)側需求剛好在同區域的能量圈范圍內[8]。

無(wú)論哪種映射關(guān)系，具體到圈內每個(gè)節點(diǎn)的映射關(guān)系均是在能量維度滿(mǎn)足的條件下，距離短原理來(lái)計算。按照需求側和能源側負荷曲線(xiàn)匹配結果形成充電序列，車(chē)聯(lián)網(wǎng)以設定順序下發(fā)充電樁分配指令，電動(dòng)汽車(chē)依照指令完成充電路徑。通過(guò)本文設計的有序充電服務(wù)計算模型，實(shí)現了充電樁運行狀態(tài)與用戶(hù)需求的共同聯(lián)網(wǎng)分析，分析模型在控制云中集成實(shí)現，適應用戶(hù)需求改變和充電樁狀態(tài)不穩定的現象，可以實(shí)時(shí)更新模型條件及映射關(guān)系，保持車(chē)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模型的適應性。

4 基于云架構下的遠程自動(dòng)檢測有序充電管理單元設計與實(shí)現

充電樁自檢功能是車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺中新增的部分，通過(guò)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(guò)多個(gè)無(wú)線(xiàn)通道同時(shí)對多臺充電樁進(jìn)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據庫軟件服務(wù)器部分，硬件部分主要實(shí)現充電樁狀態(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，所有數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)多通道并行上傳到檢測裝置的測試接口，高精度數字功率計可以將充電樁實(shí)時(shí)的三相電流、電壓及瞬時(shí)功率值計算出來(lái)，并通過(guò)可編程交流負載，模擬不同電阻檔位進(jìn)行測試，驗證充電樁運行電路中各個(gè)觸電電量值及開(kāi)關(guān)量狀態(tài)是否在安全運行標準數值范圍內。按照充電樁檢測用例過(guò)程要求編寫(xiě)測試程序，下發(fā)到充電樁中，可

自動(dòng)完成自檢測過(guò)程[9]。其次對于充電樁環(huán)境監測是在傳感器參量處理電路中執行，將采集的溫度、濕度、電磁等參量的數據融合采集、分類(lèi)計算，同樣將數據結果與歷史故障門(mén)限值數據進(jìn)行比對，對于超過(guò)安全運行標準的數據進(jìn)行報警，如故障在可自動(dòng)修復范圍內，系統會(huì )下發(fā)優(yōu)化程序，充電樁進(jìn)行自調優(yōu)完善過(guò)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據庫服務(wù)器中集成存儲，結構化數據庫按照檢測數據、處理模型、故障庫等類(lèi)型、優(yōu)化程序等將數據存儲在不同的容器中，根據系統自檢過(guò)程順序調取不同數據，配合完成各項自測項目。

5安科瑞充電樁收費運營(yíng)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(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)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(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)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(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據層和客戶(hù)端層。

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

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)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(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)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(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)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(shí)時(shí)監控

實(shí)時(shí)監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(guò)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(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)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(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

5.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)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(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

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

5.4.8充電小程序

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

5.5系統硬件配置

6 總結

本文主要針對電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)水平急需提升的問(wèn)題，設計了邊緣云的深度解決方案。通過(guò)調研目前充電樁與電動(dòng)汽車(chē)數量不匹配及充電樁運行不穩定的現狀，分別利用基于密度聚類(lèi)計算的邊緣算法分析車(chē)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，合理分配有效的充電裝置，共同制定充電樁分配方案。本文研究了一套基于云平臺服務(wù)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)數據管理架構方案，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(shí)現原因進(jìn)行了研究，驗證車(chē)聯(lián)網(wǎng)集成平臺新增值檢測業(yè)務(wù)的功效。賦予新功能的車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺不僅實(shí)現了車(chē)輛充電數據的實(shí)時(shí)采集、存儲及可視化控制功能，還實(shí)現了充電樁站設備的自動(dòng)檢測能力，節約了大量人力的常規檢查。

參考文獻

1. 劉卓然, 陳健, 林凱, 等. 國內外電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現狀與趨勢

2. 張本松，張樂(lè )平，吳昊文，謝文旺，彭建忠，王杰．基于云平臺的充電樁用能計量有序充電服務(wù)應用模式研究

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

作者介紹：王曉昭 安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)系統研發(fā)工作，郵箱:2881068609@qq.com，手機：18702112137（微信同號），QQ:2881068609