基于充電安全的電瓶車充電樁云平臺設(shè)計(jì)

張 振， 李 強(qiáng)

(1. 安科瑞電氣股份有限公司，上海 201800；2. 內(nèi)蒙古工大建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，呼和浩特 010000)

0 前言

如今，電瓶車已經(jīng)成為民眾出行的主要交通工具之一。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國使用電瓶車的用戶超過3 億，并且以每年超過3 000 萬用戶的速度在增加。雖然電瓶車給大家?guī)砹吮憷?，但是安全問題依然存在，全國多個城市相繼發(fā)生了多起電瓶車充電和進(jìn)電梯起火事故。 為了預(yù)防和遏制電瓶車火災(zāi)事故發(fā)生，國家出臺各種政策，公安部安委會出臺了《電動自行車集中停放和充電治理方案》。

大部分電瓶車充電過程存在安全隱患，比如電流、電池不匹配，充電設(shè)備簡陋，亂停放、私拉電線現(xiàn)象嚴(yán)重，極易造成火災(zāi)事故。 還有部分人員推著電瓶車進(jìn)電梯，電瓶車在電梯內(nèi)自燃，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡。

另外，傳統(tǒng)的功率控制由充電樁對充電功率進(jìn)行識別，實(shí)現(xiàn)功率分檔，這種機(jī)制僅由充電樁控制輸出功率，并未充分考慮整個充電站配電系統(tǒng)中的其他負(fù)載，會形成充電站變壓器過載，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。

電瓶車充電樁監(jiān)控云平臺使用無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電氣火災(zāi)探測及防護(hù)技術(shù)，與接入平臺的電瓶車充電樁進(jìn)行交互，24 h 不間斷采集數(shù)據(jù)，對充電站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，監(jiān)控電瓶車充電過程，同時對充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障、漏電、過溫、短路、電瓶車進(jìn)電梯等一系列故障和隱患進(jìn)行預(yù)警。 同時，從頂層考慮整個充電站的負(fù)載，監(jiān)測變壓器運(yùn)行狀態(tài)，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障。

該平臺可廣泛應(yīng)用于商場、小區(qū)等物業(yè)環(huán)境；學(xué)校、醫(yī)院等公建；各類企事業(yè)單位；公交樞紐、公路充電站等場所，本地不需要單獨(dú)部署專門的系統(tǒng)，統(tǒng)一接入云端平臺，實(shí)現(xiàn)了充電站和離散充電樁的資源整合，既達(dá)到遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的目的，也能夠保障充電安全，避免發(fā)生火災(zāi)事故。

平臺充電安全方面的主要功能包括:充電過程監(jiān)控、電瓶車進(jìn)電梯監(jiān)控、充電樁功率控制、充電樁參數(shù)遠(yuǎn)程下發(fā)、充電樁異常報(bào)警。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

電瓶車充電樁云平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平臺可以部署在私有云上，也可以部署在如阿里云、騰訊云、華為云等公有云上。 詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電瓶車充電樁云平臺系統(tǒng)架構(gòu)

云端服務(wù)器需要具備固定IP 地址并開放相應(yīng)的端口號，電瓶車充電樁和多功能儀表設(shè)置目標(biāo)IP地址和端口號之后，通過4G 通信模塊與云端服務(wù)器建立TCP 連接，基于TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

電瓶車識別攝像頭通過有線RJ45 網(wǎng)口模塊接入數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，再由數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通過4G 通信模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，基于TCP/IP 的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端平臺直連。

云端服務(wù)器既可以由用戶自己搭建，也可以租賃云服務(wù)器，用于部署數(shù)據(jù)采集程序、B/S 網(wǎng)站、移動端數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫。 平臺采用分布式部署的方式，后期可以根據(jù)電瓶車充電樁、多功能儀表和電瓶車識別攝像頭接入數(shù)量的遞增對服務(wù)器進(jìn)行水平擴(kuò)展，在不修改平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)上滿足高并發(fā)和大數(shù)據(jù)的性能要求。

1.2 系統(tǒng)協(xié)議

充電樁與云端建立連接后，使用表1 所示的協(xié)議，并使用加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，周期性向云端主機(jī)上報(bào)充電數(shù)據(jù)信息及實(shí)時上報(bào)故障信息，主機(jī)在收到上報(bào)數(shù)據(jù)后返回成功應(yīng)答，默認(rèn)周期性上報(bào)數(shù)據(jù)的周期為5min。 主機(jī)在超過15min 未接收到充電樁的任何有效數(shù)據(jù)時判定充電樁離線。 故障狀態(tài)解析如表2 所示。

表1 數(shù)據(jù)上報(bào)格式和定義

表2 故障狀態(tài)解析

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 電瓶車智能充電樁

基于充電安全的考慮，在電瓶車充電過程中，充電樁本身需要對各類故障如充電機(jī)輸入/輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警，并在檢測到漏電、過溫、短路等容易引起電氣火災(zāi)的隱患時切斷對應(yīng)回路的供電。

充電樁主要安全功能:(1)過載保護(hù):具備檢測大功率負(fù)載功能，可以設(shè)定功率報(bào)警值，達(dá)到報(bào)警值時會斷開對應(yīng)充電回路，防止用戶私接插線板給多臺電瓶車充電或大功率設(shè)備進(jìn)行充電；(2)功率識別:具有功率分檔功能，根據(jù)檢測到的功率，按照不同功率檔位設(shè)定的時間開啟充電；(3)故障回路識別:可判斷繼電器故障或計(jì)量故障導(dǎo)致的故障回路，顯示該回路故障信息，并伴有語音提示，斷開回路；(4)空載保護(hù):用戶拔掉充電器或充電器插頭未插緊，若還有剩余時間或電量，則會發(fā)出報(bào)警，同時在已設(shè)定的一定時間內(nèi)關(guān)閉該回路供電；(5)短路保護(hù):每個出線回路均設(shè)置有熔斷器保護(hù)，在發(fā)生短路意外時，會使熔斷器熔斷；(6)箱內(nèi)過溫保護(hù):當(dāng)檢測機(jī)箱溫度過高時，停止充電。

2.2 多功能儀表

在充電站變壓器出線回路安裝多功能儀表，實(shí)時監(jiān)控變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，通過識別變壓器的負(fù)載控制整個充電站的充電樁能否啟動充電，提升用電質(zhì)量，保證用電安全。

多功能儀表主要技術(shù)參數(shù)如下:(1)支持監(jiān)測設(shè)備主動上報(bào)停上電信息；(2)支持標(biāo)準(zhǔn)的DIN35導(dǎo)軌安裝、安裝完成后可加裝鉛封蓋，防止私自拆卸；(3)支持全電力參數(shù)測量(U、I、P、Q、S、PF、F)，電壓及電流不平衡度，電壓電流相位角、電壓、電流2～31 次分次諧波測量及總諧波含量；(4)支持正反向有功、無功電能、四象限無功計(jì)量；支持有功脈沖輸出；支持4 種最大需量及發(fā)生時間統(tǒng)計(jì)；支持上12 月歷史電能(包含各費(fèi)率電能)；(5)支持上三月極值及發(fā)生時間(包括三相電壓、電流、功率、合相功率的極大值和極小值)；(6)支持4 路NTC 測溫功能；(7)支持1 路漏電流測量。

2.3 電瓶車識別攝像頭

在充電區(qū)域和電梯中安裝電瓶車識別攝像頭，實(shí)時監(jiān)控充電行為和電瓶車是否進(jìn)電梯，其中當(dāng)識別到電瓶車進(jìn)入電梯之后產(chǎn)生實(shí)時報(bào)警。 此攝像頭不監(jiān)控電瓶車電池進(jìn)電梯行為。

電瓶車識別攝像頭主要技術(shù)參數(shù):(1)調(diào)整角度:水平:0°～360°，垂直:0°～75°，旋轉(zhuǎn)0°～360°；(2)日夜轉(zhuǎn)換方式:白天、夜晚、自動、定時、報(bào)警觸發(fā)；(3)常規(guī)報(bào)警:移動偵測，遮擋報(bào)警，聲音報(bào)警輸出，閃光燈報(bào)警輸出，網(wǎng)線斷，IP 地址沖突，非法登錄，存儲器滿，存儲器錯；(4)行為分析:越界偵測，區(qū)域入侵偵測，進(jìn)入/離開區(qū)域偵測；(5)智能報(bào)警:人體、車體分類報(bào)警；(6)聯(lián)動報(bào)警:支持聯(lián)動白光報(bào)警、支持聯(lián)動聲音報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

充分考慮系統(tǒng)兼容性、高并發(fā)、可擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用分離，保障系統(tǒng)的高可用性，建立數(shù)據(jù)通訊安全相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，保障數(shù)據(jù)通訊的安全性、規(guī)范化、合理化。

系統(tǒng)分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、持久層和數(shù)據(jù)庫層，其中數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，保證數(shù)據(jù)的高并發(fā)、可靠性和完整性。 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫mysql 讀寫、統(tǒng)計(jì)方便，用于保存基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫redis 讀寫速度快，用于存儲設(shè)備端上報(bào)的實(shí)時數(shù)據(jù)及訪問頻率高的數(shù)據(jù)。 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫mongodb 存儲容量大，數(shù)據(jù)讀取效率高，用于存儲設(shè)備端上報(bào)的歷史數(shù)據(jù)及報(bào)警記錄。 持久層與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，對數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化增刪改查。業(yè)務(wù)層對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算。 表現(xiàn)層為用戶提供交互式操作的界面。 體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3.2 云端數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)

為了滿足充電過程監(jiān)控和安全管理功能，云端數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)要滿足以下功能:數(shù)據(jù)采集、解析、存儲、數(shù)據(jù)分析、邏輯運(yùn)算和與充電樁進(jìn)行指令交互。

(1)數(shù)據(jù)采集:負(fù)責(zé)定時采集已注冊的充電樁的狀態(tài)和充電數(shù)據(jù)，采集頻率可設(shè)。 實(shí)時采集充電樁的故障和隱患信息。

(2)數(shù)據(jù)解析與存儲:對充電樁數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，區(qū)分實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)與報(bào)警數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

(3)報(bào)警提醒:觸發(fā)失聯(lián)、故障、產(chǎn)生隱患的充電樁報(bào)警提醒，提醒方式包括手機(jī)短信、郵件、App消息推送等。

(4)指令交互:將控制指令遠(yuǎn)程下發(fā)給現(xiàn)場的充電樁，并等待指令執(zhí)行的回送。

(5)邏輯運(yùn)算:判斷數(shù)據(jù)是否異常、識別充電站變壓器負(fù)載并對充電樁進(jìn)行功率控制。

3.3 B/S 云平臺

B/S 云平臺為用戶提供充電過程監(jiān)控和安全管理功能，主要功能包括:充電過程監(jiān)控、電瓶車進(jìn)電梯監(jiān)控、充電樁功率控制、充電樁參數(shù)遠(yuǎn)程下發(fā)、充電樁異常報(bào)警。

(1)實(shí)時監(jiān)控:展示充電樁的狀態(tài)和充電過程中的實(shí)時電流、電壓、功率、漏電、溫度，其中充電樁狀態(tài)包括失聯(lián)、故障、異常和正常，支持查看歷史充電數(shù)據(jù)。

(2)故障管理:展示充電樁的故障記錄，并將故障記錄派發(fā)給相關(guān)人員進(jìn)行處理，故障類型包括過壓、欠壓、絕緣檢測故障、漏電、過溫、短路等。

(3)視頻管理:實(shí)時監(jiān)控充電區(qū)域的充電行為和電瓶車進(jìn)電梯情況，支持查看歷史視頻回放。

(4)隱患管理:識別電瓶車進(jìn)電梯之后產(chǎn)生報(bào)警，并觸發(fā)短信、郵件、App 消息推送等方式的報(bào)警提醒，支持查看異常抓拍圖片。

(5)參數(shù)設(shè)置:遠(yuǎn)程設(shè)置充電樁相關(guān)報(bào)警參數(shù)，包括越限報(bào)警值設(shè)定、過溫報(bào)警設(shè)定、漏電報(bào)警設(shè)定、過壓報(bào)警設(shè)定、欠壓報(bào)警設(shè)定及是否開啟相關(guān)報(bào)警等。

(6)統(tǒng)計(jì)分析:按日/月/季度/年統(tǒng)計(jì)時間段內(nèi)的故障情況，展示故障趨勢分析圖、故障狀態(tài)圖、故障類型圖、故障列表等。

3.4 手機(jī)App

運(yùn)維人員可以通過使用App 對充電樁進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和安全管理，主要功能包括:充電過程監(jiān)控、充電行為監(jiān)控、電瓶車進(jìn)電梯監(jiān)控、充電樁參數(shù)遠(yuǎn)程下發(fā)、充電樁異常報(bào)警。

(1)實(shí)時監(jiān)控:展示充電樁的狀態(tài)和充電過程中的實(shí)時電流、電壓、功率、漏電、溫度，其中充電樁狀態(tài)包括失聯(lián)、故障、異常和正常，支持查看歷史充電數(shù)據(jù)。 (2)故障處理:對派發(fā)給當(dāng)前用戶的故障記錄進(jìn)行確認(rèn)和閉環(huán)處理。 (3)隱患管理:查看電瓶車進(jìn)電梯的報(bào)警記錄，支持查看異常抓拍圖片。(4)參數(shù)設(shè)置:遠(yuǎn)程設(shè)置充電樁相關(guān)報(bào)警參數(shù)，包括越限報(bào)警值設(shè)定、過溫報(bào)警設(shè)定、漏電報(bào)警設(shè)定、過壓報(bào)警設(shè)定、欠壓報(bào)警設(shè)定及是否開啟相關(guān)報(bào)警等。

4 系統(tǒng)的意義及收益

基于電瓶車充電及進(jìn)電梯引發(fā)火災(zāi)的危害，各級政府部門高度重視這些行為帶來的火災(zāi)隱患。隨著電瓶車充電樁建設(shè)的逐漸普及，電網(wǎng)的負(fù)載壓力越來越大，如何有效地降低電網(wǎng)負(fù)載對于提高配電效率、保證充電安全有著較好的經(jīng)濟(jì)效益及安全意義。 本文設(shè)計(jì)了一種基于充電安全的電瓶車充電樁云平臺方案，該系統(tǒng)能夠?qū)F(xiàn)場所有統(tǒng)一協(xié)議的離散電瓶車充電樁接入云平臺，進(jìn)行集中管理，方便用戶運(yùn)維，同時通過充電樁本身的安全監(jiān)控與控制，結(jié)合多功能儀表和電瓶車識別攝像頭的輔助管理，在發(fā)生火災(zāi)隱患后向用戶實(shí)時發(fā)出警告信息，能夠及時有效的杜絕充電過程中和電瓶車進(jìn)電梯后存在的火災(zāi)隱患。 同時，充分考慮整個充電站配電系統(tǒng)的負(fù)載，通過判斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)執(zhí)行功率控制，保證充電站運(yùn)行和充電樁使用的安全可靠。

基于充電安全的電瓶車充電樁云平臺讓充電更安全、更放心。 為政府部門、運(yùn)營商和管理人員提供基于無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電氣火災(zāi)探測及防護(hù)技術(shù)的管理手段，便民利民，能夠切實(shí)保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。