張盛，倪國平，張慶龍

摘 要：隨著能源問題的日益嚴峻，以及環(huán)境污染的日益嚴重，全球主要國家都對新型能源展開了深入的研究。電動汽車作為傳統(tǒng)汽車的替代品采用了電能作為驅(qū)動能源，具有節(jié)約能源、零污染排放，操控性好等優(yōu)點，受到人們的普遍青睞。電動汽車大規(guī)模投入應(yīng)用，電動汽車充電服務(wù)優(yōu)化越來越重要。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)實現(xiàn)運營管理的智能化和信息化，該平臺的建設(shè)為電動車用戶提供了智能的充電服務(wù)，實現(xiàn)了充電設(shè)施與用戶間的信息交互，有效推動了電動車的廣泛應(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;智能充電;電動汽車

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：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)境問題不斷受到社會各界的廣泛關(guān)注，傳統(tǒng)能源逐漸被新能源替代，電動汽車得到了大力發(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，這些限制了電動汽車的發(fā)展。因此通過對充電設(shè)施進行一體化業(yè)務(wù)管理可以有效解決上述問題[1]。

隨著近幾年電動汽車的迅速發(fā)展，與之配套的充電設(shè)施在國家相關(guān)政策的引導(dǎo)和支持下也隨之增加，目前正在全國范圍內(nèi)覆蓋。但對于分布式充電設(shè)施存在分布不均、各設(shè)備間無法實現(xiàn)互聯(lián)、支付繁瑣、用戶體驗差等問題，嚴重影響運營管理水平。因此對充電設(shè)施一體化管理，實現(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)電動汽車的充電需求，對充電設(shè)施的運營管理特點進行分析，采用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)電動汽車充電設(shè)施運營管理的自動化設(shè)計和應(yīng)用，提出一體化充電平臺的設(shè)計和實現(xiàn)方法，該平臺可實現(xiàn)一體化服務(wù)，提高了充電設(shè)施的運營和系統(tǒng)管理水平。

1 電動汽車充電設(shè)施運營特點

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)是否便捷對用戶購買電動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汽車的發(fā)展和用戶體驗關(guān)鍵因素。電動汽車充電設(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)劃情況進行規(guī)劃，充電設(shè)施規(guī)劃是否合理，會對城市交通產(chǎn)生較大的影響;因此規(guī)劃時要考慮優(yōu)化交通，對城區(qū)建設(shè)起到一定的推動作用。

統(tǒng)籌電動汽車發(fā)展規(guī)劃，保證與其協(xié)調(diào)發(fā)展，為電動汽車發(fā)展提供條件，同時推進電動車在城市的推廣應(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，通過網(wǎng)絡(luò)對充電設(shè)施運行狀態(tài)進行監(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)劃首先要對充電設(shè)施的運行情況進行總結(jié)分析，其次對城市中電動汽車的數(shù)量進行預(yù)測并對充電需求進行分析;然后綜合電網(wǎng)、城市規(guī)劃對充電設(shè)施進行分期規(guī)劃。最后對充電設(shè)施的布局進行選址，并對充電設(shè)施建設(shè)費用進行預(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)充電時間的長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、方便的充電需求，同時還要保證充電樁可以從電網(wǎng)獲取電能進行自我充電。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發(fā)展需求，可根據(jù)實際使用情況進行二次優(yōu)化規(guī)劃和擴建[6-8]。

充電樁布點完成后，為了提高其利用率，需對其布局及實際運營情況進行評估，根據(jù)評估結(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 運營管理系統(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，為了保證其運行的穩(wěn)定性需要對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。充電樁的運營管理主要是對充電樁工作狀態(tài)監(jiān)視、控制參數(shù)設(shè)置以及資產(chǎn)管理，同時針對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)施運營管理系統(tǒng)功能由以下幾個方面構(gòu)成：

（1） 狀態(tài)監(jiān)視。對充電樁的充電過程進行監(jiān)控，同時根據(jù)其不同的分布，對其運行狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)以及報警信息進行監(jiān)視。

（2） 參數(shù)整定。根據(jù)實際運行情況調(diào)整系統(tǒng)相關(guān)控制、保護參數(shù)，并可實現(xiàn)交易費率的調(diào)整。

（3） 計費管理。對充電消費進行記錄，同時具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能。

（4） 資產(chǎn)管理?？梢哉莆崭鱾€充電樁的信息及其利用率，從而保證對其壽命期內(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)放和儲值服務(wù)，實現(xiàn)多網(wǎng)點卡業(yè)務(wù)辦理。

運營管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

管理中心通過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)交互通過訪問Web 服務(wù)器來實現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)充電樁、用戶和運維人員的統(tǒng)一管理，從而提高充電效率[10]。

2 一體化平臺整體架構(gòu)

2.1 技術(shù)架構(gòu)

為了提高電動汽車充電服務(wù)的質(zhì)量和效率，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云儲存等技術(shù)，構(gòu)建充電設(shè)施一體化業(yè)務(wù)平臺，系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)按層實現(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，通過一體化平臺將不同的應(yīng)用進行集成，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源共享，作為平臺與充電設(shè)施接口的采集層通過Soket通信實現(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)處理實現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)議匹配，采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫進行存儲集群;應(yīng)用層通過API數(shù)據(jù)訪問數(shù)據(jù)庫中的實時運行數(shù)據(jù)，為了減小單模塊的處理壓力，應(yīng)用層可以實現(xiàn)負載均衡的功能，通過將任務(wù)進行分解，提高了多模塊并行處理能力，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、APP接口等應(yīng)用服務(wù);展現(xiàn)層通過Get/post協(xié)議實現(xiàn)與用戶間的互聯(lián)互通，用戶通過便攜式移動終端、瀏覽網(wǎng)頁等形式獲取展現(xiàn)層對外展現(xiàn)方式[11-12]。

2.2 運營管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

電動汽車充電設(shè)施運營管理系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計思路，主要由平臺層、服務(wù)層和應(yīng)用層構(gòu)成。其中縱向應(yīng)用要保證有對應(yīng)的服務(wù)來與之配合，而橫向服務(wù)間由大數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，因?qū)嶋H需求增加新服務(wù)不會對原有系統(tǒng)和功能造成影響，有利于系統(tǒng)功能擴展。

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

（2）服務(wù)層。通過構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺，將應(yīng)用層和服務(wù)層進行統(tǒng)一處理，從而可以提高系統(tǒng)的可擴展性和開放性。同時對底層服務(wù)的數(shù)據(jù)接口和相關(guān)指令進行統(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)功能需求對應(yīng)用層系統(tǒng)進行構(gòu)建，其功能主要包括充電設(shè)施運行情況監(jiān)視、相關(guān)數(shù)據(jù)信息的圖形化表現(xiàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及報表輸出以及運營數(shù)據(jù)記錄查詢等功能。為確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全，需要對用戶權(quán)限進行嚴格管理[13]。

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

分布式充電樁能對自身的實時狀態(tài)進行檢測，同時還具有計量的功能，通過大數(shù)據(jù)及通信技術(shù)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集和讀取，并通過數(shù)據(jù)庫保存。這樣既可以實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的獲取又可以對充電樁的相關(guān)運行參數(shù)進行遠程設(shè)置。

數(shù)據(jù)采集與存儲。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)境會導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信延時甚至中斷。正常運行時充電樁實時上傳運行數(shù)據(jù)，根據(jù)實際功能需求對所需的數(shù)據(jù)進行采集，然后在客戶端對所要監(jiān)視的數(shù)據(jù)進行展示。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)保存時間都有明確要求，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的完整性，在數(shù)據(jù)采集過程中采用啟動召喚和定時召喚兩種策略，保證所有記錄信息錄入數(shù)據(jù)庫。

參數(shù)遠程設(shè)置。為了實現(xiàn)分布式充電樁的集中管理，同時為運維提供便捷，充電樁要滿足參數(shù)遠程設(shè)置的需求，可以對系統(tǒng)相關(guān)保護值、控制參數(shù)以及費率進行本地或遠程設(shè)置，其中費率設(shè)置包括調(diào)整前費率設(shè)置、調(diào)整后費率設(shè)置及費率切換時間設(shè)置，保護設(shè)置是指過壓、過流保護閥值的設(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。工作人員通過網(wǎng)絡(luò)及操作界面對參數(shù)進行遠程設(shè)置，為了保證系統(tǒng)的安全性，需要對操控權(quán)限進行管理，并通過不同功能模塊間的協(xié)同化來實現(xiàn)[14]。

2.4 一體化平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用體系設(shè)計

通過構(gòu)建電動汽車充電設(shè)施一體化平臺業(yè)務(wù)模式，為充電設(shè)施運營商和用戶提供良好的服務(wù)，運營商通過該平臺可以對充電樁的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，有利于運營管理水平的提升;用戶通過移動終端即可享受智能充電服務(wù)。一體化平臺業(yè)務(wù)功能如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計關(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)議也會因廠家或者批次的不同而不同，很難實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)分布式充電樁的信息進行統(tǒng)一管理，為了實現(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的需求。對于不同版本的同種協(xié)議，采用標簽標記法實現(xiàn)自適應(yīng)解析;對于不同協(xié)議的充電設(shè)施，采用通道標記法實現(xiàn)自適應(yīng)解析。將不同的通信協(xié)議以數(shù)據(jù)庫的形式進行構(gòu)建，可以將不同類型的充電樁快速接入平臺，為用戶提供了極大的便捷，同時為充電設(shè)施的互聯(lián)互通創(chuàng)造了條件[15]。

3.2 評價選址技術(shù)

為了對投入運營的充電樁數(shù)量及布局進行優(yōu)化，對其利用率及相關(guān)指標進行評價，根據(jù)評價結(jié)果對擴建或者改址進行選擇。

采用隨機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，決策變量為收費標準和空間位置和附近鄰居。隨機森林的分類樹為二叉樹，其中訓練集從根節(jié)點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)點包含全部訓練數(shù)據(jù)，根節(jié)點以純度最小原則分裂成左、右兩個節(jié)點，并包含數(shù)據(jù)的一個子集。左、右兩個節(jié)點以同樣的原則繼續(xù)分裂，按停止規(guī)則對其進行判斷，當滿足條件時不再生長[16]。純度采用Gini準則進行度量，類屬于i 類的概率用 pi來表示，Gini指數(shù)表達式如下：

4 一體化平臺應(yīng)用實例

目前電動汽車充電設(shè)施一體化平臺已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用，該平臺可同時接入不同廠家的充電樁，并兼容不同的通信協(xié)議。用戶通過移動終端APP即可對區(qū)域內(nèi)的充電樁信息進行查詢，同時還可以定位導(dǎo)航、預(yù)約充電和結(jié)算。運營商通過該平臺的應(yīng)用，可以實現(xiàn)站級充電樁的實時監(jiān)控，根據(jù)實際運營情況進行指揮調(diào)度，通過大數(shù)據(jù)對運營信息進行統(tǒng)計和分析。一體化應(yīng)用平臺移動終端APP界面如圖4所示。

5 結(jié)語

基于電動汽車充電設(shè)施實現(xiàn)一體化平臺應(yīng)用體系建設(shè)，可滿足用戶的智能充電和運營商高效管理的需求。該平臺通過多協(xié)議自適應(yīng)解析算法和評價選址等先進技術(shù)，實現(xiàn)了不同廠家充電樁的廣泛接入，提高了運營商的管理水平;同時評價結(jié)果為其科學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)。該平臺的建設(shè)有效推動了電動汽車的發(fā)展，為電動車用戶提供了智能的充電服務(wù)，實現(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)實的應(yīng)用價值。

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