電動(dòng)汽車充電設(shè)施一體化平臺(tái)應(yīng)用體系建設(shè)

張盛，倪國(guó)平，張慶龍

摘 要：隨著能源問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，全球主要國(guó)家都對(duì)新型能源展開了深入的研究。電動(dòng)汽車作為傳統(tǒng)汽車的替代品采用了電能作為驅(qū)動(dòng)能源，具有節(jié)約能源、零污染排放，操控性好等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的普遍青睞。電動(dòng)汽車大規(guī)模投入應(yīng)用，電動(dòng)汽車充電服務(wù)優(yōu)化越來(lái)越重要。從充電服務(wù)一體化角度出發(fā)，以互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心，采用了自適應(yīng)解析算法、充電導(dǎo)引技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)管理的智能化和信息化，該平臺(tái)的建設(shè)為電動(dòng)車用戶提供了智能的充電服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了充電設(shè)施與用戶間的信息交互，有效推動(dòng)了電動(dòng)車的廣泛應(yīng)用，提高了充電服務(wù)的高效性和便捷性。

關(guān)鍵詞：充電設(shè)施;一體化平臺(tái);智能充電;電動(dòng)汽車

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）12-0183-04

Application System Construction of Electric Vehicle Charging Facilities Integrated Platform

ZhangSheng， Ni Guoping， Zhang Qinglong

（1.State Grid Hangzhou Yuhang District Power Supply Company， Hangzhou 311100 ，China; 2. Automation Operation and Maintenance Branch， Hangzhou Kaida Electric Power Construction Co.， Ltd.， Hangzhou 311100，China）

Abstract：With the increasingly serious energy problem and the increasingly serious environmental pollution， major countries around the world have carried out in-depth research on new energy sources. As a substitute for traditional cars， electric vehicles use electric energy as a driving energy source， which has the advantages of energy saving， zero pollution emissions， good handling， and so on. Thus electric vehicles are generally favored by people. In addition， with the large-scale application of electric vehicles， the optimization of electric vehicle charging service is becoming more and more important. Starting from the perspective of charging service integration， and with the Internet and big data technology as the core， the adaptive analytical algorithm and charging guidance technology are used to achieve intelligent and information-based operation management. The construction of the platform provides intelligent charging services for electric vehicle users， realizes the information interaction between charging facilities and users， effectively promotes the wide application of electric vehicles， and improves the efficiency and convenience of charging services.

Key words：Charging facilities; Integrated platform; Intelligent charging ; Electric vehicles

0 引言

如今全球環(huán)境問(wèn)題不斷受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，傳統(tǒng)能源逐漸被新能源替代，電動(dòng)汽車得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用。由于其發(fā)展形成了一定的規(guī)模，導(dǎo)致充電設(shè)施不能滿足其發(fā)展需求，從而引起供需不平衡，與之配套的設(shè)施不完善，這些限制了電動(dòng)汽車的發(fā)展。因此通過(guò)對(duì)充電設(shè)施進(jìn)行一體化業(yè)務(wù)管理可以有效解決上述問(wèn)題[1]。

隨著近幾年電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，與之配套的充電設(shè)施在國(guó)家相關(guān)政策的引導(dǎo)和支持下也隨之增加，目前正在全國(guó)范圍內(nèi)覆蓋。但對(duì)于分布式充電設(shè)施存在分布不均、各設(shè)備間無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、支付繁瑣、用戶體驗(yàn)差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)管理水平。因此對(duì)充電設(shè)施一體化管理，實(shí)現(xiàn)充電設(shè)施的互聯(lián)互通和充電服務(wù)的智能化和信息化受到了廣泛關(guān)注[2-4]。

本文根據(jù)電動(dòng)汽車的充電需求，對(duì)充電設(shè)施的運(yùn)營(yíng)管理特點(diǎn)進(jìn)行分析，采用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)管理的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用，提出一體化充電平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一體化服務(wù)，提高了充電設(shè)施的運(yùn)營(yíng)和系統(tǒng)管理水平。

1 電動(dòng)汽車充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)

1.1 充電服務(wù)需求分析

由相關(guān)調(diào)查結(jié)果可知，充電服務(wù)是否便捷對(duì)用戶購(gòu)買電動(dòng)汽車的決策具有重要的影響;其次充電設(shè)施的數(shù)量以及合理的布局是提高電動(dòng)汽車的發(fā)展和用戶體驗(yàn)關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)需要遵循以下原則：

根據(jù)城區(qū)建設(shè)和路網(wǎng)規(guī)劃情況進(jìn)行規(guī)劃，充電設(shè)施規(guī)劃是否合理，會(huì)對(duì)城市交通產(chǎn)生較大的影響;因此規(guī)劃時(shí)要考慮優(yōu)化交通，對(duì)城區(qū)建設(shè)起到一定的推動(dòng)作用。

統(tǒng)籌電動(dòng)汽車發(fā)展規(guī)劃，保證與其協(xié)調(diào)發(fā)展，為電動(dòng)汽車發(fā)展提供條件，同時(shí)推進(jìn)電動(dòng)車在城市的推廣應(yīng)用。

結(jié)合電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，滿足城市電網(wǎng)要求，在滿足充電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，要保證電能的合理利用，提高利用率。

保證與通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的協(xié)調(diào)性，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)充電設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)備要與所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相匹配。

充電設(shè)施規(guī)劃首先要對(duì)充電設(shè)施的運(yùn)行情況進(jìn)行總結(jié)分析，其次對(duì)城市中電動(dòng)汽車的數(shù)量進(jìn)行預(yù)測(cè)并對(duì)充電需求進(jìn)行分析;然后綜合電網(wǎng)、城市規(guī)劃對(duì)充電設(shè)施進(jìn)行分期規(guī)劃。最后對(duì)充電設(shè)施的布局進(jìn)行選址，并對(duì)充電設(shè)施建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行預(yù)算[5]。

1.2 充電設(shè)施建設(shè)模式

充電設(shè)施有充電站和充電樁兩種，其中充電樁根據(jù)充電時(shí)間的長(zhǎng)短分為快充樁和慢充樁。充電樁的布局以及數(shù)量要滿足用戶即時(shí)、方便的充電需求，同時(shí)還要保證充電樁可以從電網(wǎng)獲取電能進(jìn)行自我充電。充電樁的建設(shè)要與城市規(guī)劃和交通規(guī)劃協(xié)調(diào)發(fā)展，充電樁的布局規(guī)劃要綜合考慮現(xiàn)有的充電需求以及未來(lái)發(fā)展需求，可根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行二次優(yōu)化規(guī)劃和擴(kuò)建[6-8]。

充電樁布點(diǎn)完成后，為了提高其利用率，需對(duì)其布局及實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果優(yōu)化調(diào)整充電樁的數(shù)量及布局，從而保證其布局的合理性。

1.3 運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)功能需求

充電樁在空間分布比較分散，而且數(shù)量多，以充電樁為基本單元的充電設(shè)施構(gòu)成電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)。充電樁通常在戶外安裝，所處環(huán)境較惡劣，為了保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性需要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。充電樁的運(yùn)營(yíng)管理主要是對(duì)充電樁工作狀態(tài)監(jiān)視、控制參數(shù)設(shè)置以及資產(chǎn)管理，同時(shí)針對(duì)客戶的不同需求提供相應(yīng)的服務(wù)，包括辦卡、充值和卡管理等[9]。充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)功能由以下幾個(gè)方面構(gòu)成：

（1） 狀態(tài)監(jiān)視。對(duì)充電樁的充電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)根據(jù)其不同的分布，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)以及報(bào)警信息進(jìn)行監(jiān)視。

（2） 參數(shù)整定。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整系統(tǒng)相關(guān)控制、保護(hù)參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)交易費(fèi)率的調(diào)整。

（3） 計(jì)費(fèi)管理。對(duì)充電消費(fèi)進(jìn)行記錄，同時(shí)具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能。

（4） 資產(chǎn)管理?？梢哉莆崭鱾€(gè)充電樁的信息及其利用率，從而保證對(duì)其壽命期內(nèi)的管理。

（5） 分布式管理。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將城市片區(qū)分散的充電樁進(jìn)行統(tǒng)一管理。

（6） 卡管理。根據(jù)用戶的充電需求建立卡發(fā)放和儲(chǔ)值服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)點(diǎn)卡業(yè)務(wù)辦理。

運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

管理中心通過(guò)安全隔離裝置與外網(wǎng)連接，外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交互通過(guò)訪問(wèn)Web 服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)充電樁、用戶和運(yùn)維人員的統(tǒng)一管理，從而提高充電效率[10]。

2 一體化平臺(tái)整體架構(gòu)

2.1 技術(shù)架構(gòu)

為了提高電動(dòng)汽車充電服務(wù)的質(zhì)量和效率，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云儲(chǔ)存等技術(shù)，構(gòu)建充電設(shè)施一體化業(yè)務(wù)平臺(tái)，系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)按層實(shí)現(xiàn)，主要包括采集層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展現(xiàn)層，系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，通過(guò)一體化平臺(tái)將不同的應(yīng)用進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源共享，作為平臺(tái)與充電設(shè)施接口的采集層通過(guò)Soket通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互;數(shù)據(jù)層根據(jù)應(yīng)用層下發(fā)的業(yè)務(wù)處理實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)議匹配，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)集群;應(yīng)用層通過(guò)API數(shù)據(jù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為了減小單模塊的處理壓力，應(yīng)用層可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的功能，通過(guò)將任務(wù)進(jìn)行分解，提高了多模塊并行處理能力，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、APP接口等應(yīng)用服務(wù);展現(xiàn)層通過(guò)Get/post協(xié)議實(shí)現(xiàn)與用戶間的互聯(lián)互通，用戶通過(guò)便攜式移動(dòng)終端、瀏覽網(wǎng)頁(yè)等形式獲取展現(xiàn)層對(duì)外展現(xiàn)方式[11-12]。

2.2 運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計(jì)思路，主要由平臺(tái)層、服務(wù)層和應(yīng)用層構(gòu)成。其中縱向應(yīng)用要保證有對(duì)應(yīng)的服務(wù)來(lái)與之配合，而橫向服務(wù)間由大數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，因?qū)嶋H需求增加新服務(wù)不會(huì)對(duì)原有系統(tǒng)和功能造成影響，有利于系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

（1）平臺(tái)層。針對(duì)不同用戶的需求，系統(tǒng)開發(fā)需兼容Windows、Linux等常見操作系統(tǒng)，同時(shí)還要滿足多平臺(tái)和不同平臺(tái)切換操作的需求。

（2）服務(wù)層。通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，將應(yīng)用層和服務(wù)層進(jìn)行統(tǒng)一處理，從而可以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和開放性。同時(shí)對(duì)底層服務(wù)的數(shù)據(jù)接口和相關(guān)指令進(jìn)行統(tǒng)一處理，為應(yīng)用層的功能開發(fā)提供了重要保證。

（3）應(yīng)用層。服務(wù)層的上層即為應(yīng)用層，根據(jù)不同的服務(wù)功能需求對(duì)應(yīng)用層系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，其功能主要包括充電設(shè)施運(yùn)行情況監(jiān)視、相關(guān)數(shù)據(jù)信息的圖形化表現(xiàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及報(bào)表輸出以及運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)記錄查詢等功能。為確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全，需要對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)格管理[13]。

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

分布式充電樁能對(duì)自身的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)還具有計(jì)量的功能，通過(guò)大數(shù)據(jù)及通信技術(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和讀取，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)保存。這樣既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取又可以對(duì)充電樁的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。充電樁通常在戶外安裝，所處環(huán)境較惡劣，而且電磁干擾較大，數(shù)據(jù)信息交互通常采用GPRS通信，復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信延時(shí)甚至中斷。正常運(yùn)行時(shí)充電樁實(shí)時(shí)上傳運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際功能需求對(duì)所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后在客戶端對(duì)所要監(jiān)視的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。根據(jù)充電樁技術(shù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，數(shù)據(jù)及事件的記錄、數(shù)據(jù)保存時(shí)間都有明確要求，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的完整性，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采用啟動(dòng)召喚和定時(shí)召喚兩種策略，保證所有記錄信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置。為了實(shí)現(xiàn)分布式充電樁的集中管理，同時(shí)為運(yùn)維提供便捷，充電樁要滿足參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置的需求，可以對(duì)系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)值、控制參數(shù)以及費(fèi)率進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程設(shè)置，其中費(fèi)率設(shè)置包括調(diào)整前費(fèi)率設(shè)置、調(diào)整后費(fèi)率設(shè)置及費(fèi)率切換時(shí)間設(shè)置，保護(hù)設(shè)置是指過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)閥值的設(shè)置，控制參數(shù)設(shè)置是指充電模式選擇、充電電流閥值的設(shè)置等。工作人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及操作界面對(duì)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，為了保證系統(tǒng)的安全性，需要對(duì)操控權(quán)限進(jìn)行管理，并通過(guò)不同功能模塊間的協(xié)同化來(lái)實(shí)現(xiàn)[14]。

2.4 一體化平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用體系設(shè)計(jì)

通過(guò)構(gòu)建電動(dòng)汽車充電設(shè)施一體化平臺(tái)業(yè)務(wù)模式，為充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)商和用戶提供良好的服務(wù)，運(yùn)營(yíng)商通過(guò)該平臺(tái)可以對(duì)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，有利于運(yùn)營(yíng)管理水平的提升;用戶通過(guò)移動(dòng)終端即可享受智能充電服務(wù)。一體化平臺(tái)業(yè)務(wù)功能如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多協(xié)議自適應(yīng)解析算法

充電樁由不同的生產(chǎn)廠家提供， 采用的協(xié)議也會(huì)因廠家或者批次的不同而不同，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)分布式充電樁的信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，為了實(shí)現(xiàn)充電樁之間數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)，需要研究一種能夠自適應(yīng)各種協(xié)議的解析算法。

平臺(tái)在采集系統(tǒng)采用多協(xié)議自適應(yīng)解析算法，可以滿足不同充電樁接入平臺(tái)的需求。對(duì)于不同版本的同種協(xié)議，采用標(biāo)簽標(biāo)記法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)解析;對(duì)于不同協(xié)議的充電設(shè)施，采用通道標(biāo)記法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)解析。將不同的通信協(xié)議以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式進(jìn)行構(gòu)建，可以將不同類型的充電樁快速接入平臺(tái)，為用戶提供了極大的便捷，同時(shí)為充電設(shè)施的互聯(lián)互通創(chuàng)造了條件[15]。

3.2 評(píng)價(jià)選址技術(shù)

為了對(duì)投入運(yùn)營(yíng)的充電樁數(shù)量及布局進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其利用率及相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)擴(kuò)建或者改址進(jìn)行選擇。

采用隨機(jī)森林算法搭建選址模型，其中分類變量為充電樁占用率等級(jí)，決策變量為收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和空間位置和附近鄰居。隨機(jī)森林的分類樹為二叉樹，其中訓(xùn)練集從根節(jié)點(diǎn)劃分并按照從上而下遞歸分裂的原則生成;二叉樹的根節(jié)點(diǎn)包含全部訓(xùn)練數(shù)據(jù)，根節(jié)點(diǎn)以純度最小原則分裂成左、右兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，并包含數(shù)據(jù)的一個(gè)子集。左、右兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以同樣的原則繼續(xù)分裂，按停止規(guī)則對(duì)其進(jìn)行判斷，當(dāng)滿足條件時(shí)不再生長(zhǎng)[16]。純度采用Gini準(zhǔn)則進(jìn)行度量，類屬于i 類的概率用 pi來(lái)表示，Gini指數(shù)表達(dá)式如下：

4 一體化平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

目前電動(dòng)汽車充電設(shè)施一體化平臺(tái)已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用，該平臺(tái)可同時(shí)接入不同廠家的充電樁，并兼容不同的通信協(xié)議。用戶通過(guò)移動(dòng)終端APP即可對(duì)區(qū)域內(nèi)的充電樁信息進(jìn)行查詢，同時(shí)還可以定位導(dǎo)航、預(yù)約充電和結(jié)算。運(yùn)營(yíng)商通過(guò)該平臺(tái)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)站級(jí)充電樁的實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行指揮調(diào)度，通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)營(yíng)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。一體化應(yīng)用平臺(tái)移動(dòng)終端APP界面如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

基于電動(dòng)汽車充電設(shè)施實(shí)現(xiàn)一體化平臺(tái)應(yīng)用體系建設(shè)，可滿足用戶的智能充電和運(yùn)營(yíng)商高效管理的需求。該平臺(tái)通過(guò)多協(xié)議自適應(yīng)解析算法和評(píng)價(jià)選址等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同廠家充電樁的廣泛接入，提高了運(yùn)營(yíng)商的管理水平;同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果為其科學(xué)合理的決策提供了支撐，從而優(yōu)化了充電設(shè)施的建設(shè)。該平臺(tái)的建設(shè)有效推動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展，為電動(dòng)車用戶提供了智能的充電服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了充電設(shè)施與用戶間的信息交互，提高了充電服務(wù)的高效性和便捷性，具有很好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。

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