应用创新 开启电动汽车充电站/桩运营管理新模式

1、引言

近年来，随着动力电池技术的发展，电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车，并开始在世界范围内逐渐推广应用。

电动汽车能源供给设施是电动汽车产业链中的重要环节，电动汽车能源供给设施主要包括交流充电桩、充电站、电池更换站3种类型[2],国家电网公司等能源供给企业和相关科研机构在电动汽车能源供给设施关键技术研究、标准体系制定、示范工程建设、运行服务模式探索等方面已取得了一批成果。

电动汽车能源基础服务设施的构成设备数量多、地点分散，GIS能把所有与空间地理位置有关的信息收集起来，建成多源空间信息数据库，综合分析利用，获取有价值的信息，通过地图和表格生动直观地表达出来，供用户有效地管理这些信息，更有效地做出决策。随着 Internet 的快速发展，WebGIS使得空间信息及其服务能够在分布式计算机网络环境中部署，极大地提升了GIS的应用服务水平。

随着电动汽车的推广应用和大量的电动汽车充电站/充电桩的建设，为保障电动汽车供电的基础服务设施，如何对充电站/桩进行有效的运营管理成为一个亟须解决的问题。金宏威公司根据多年电动汽车充电站/桩的建设经验，分析充电站/桩运营管理特点，利用先进的通信技术、数据采集技术、Web和GIS技术，设计并开发了电动汽车充电站/桩的运营和管理自动化系统，为电力企业提高了电动汽车充电站/桩运营和管理水平。

2、电动汽车充电桩运营特点

2.1、充电设施建设模式

电动汽车充电站是不可缺少的电动汽车能源服务基础设施，其电能供给主要有交流、直流充电和电池组快速更换的典型方式。电动汽车用户通过充电站内交流、直流充电桩直接为汽车充电，即时消费电力产品并通过现场付费的模式支付费用，完成交易。充电站较适合为数量较少的公共交通工具提供充电服务。

为满足大规模的家用电动汽车用户及时、方便地充电的需求，采用充电桩充电模式作为最佳选择。在住宅小区或商业大厦的专用停车场安装一定数量的智能充电桩和少量的智能地面充电机，充电桩提供 220 V 或 380 V 交流电源接口，为电动汽车提供应急充电服务。充电桩占地面积很少，建设成本较低，更适合于支撑大规模的家用电动汽车充电。

2.2、系统功能需求

充电桩、充电站的建设是以点为基本特征的充电设施构成一个电动汽车充电网络，充电桩数量众多，且地理位置分散，多数充电桩直接安装在室外，长期处于湿度大、灰尘大、温差大等环境特点，及时掌控其运行状态是保证设备稳定可靠运行的基础。

充电站/桩运营维护管理涉及到对分散于市区内充电设施的资产管理;充电桩充电监视及相关参数的设置管理;电动汽车用户卡的发放、充值、解锁等。

因此，充电站/桩运营管理的功能主要包括：1)远方监视功能，结合充电桩地理位置监视其状态信息、报警信息以及充电监视; 2)远方控制功能，实现对充电桩保护定值、以及交易费率等参数设置;3)计费管理功能，记录充电计费信息，并提供数据分析统计功能;4)资产管理功能，实现对充电设施全生命周期管理，提供其相关信息查询、以及利用率分析功能;5)分布式管理功能，对管理权限设置，通过系统与互联网技术紧密结合,实现城市片区集中管理功能;6)用户卡管理功能，能满足在市内不同片区建立充值卡营销网点，实现电动汽车用户多点发卡与充值功能。

2.3、系统总体结构

根据上述功能需求，金宏威充电站/桩运营管理系统由三个子系统构成，包括数据采集系统、发卡充值系统、WebGIS系统，管理中心(内网)与互联网(外网)通过安全防护相连，外网程序通过访问Web服务器的接口与内网进行数据交互。通过系统共享数据，管理中心可以统一管理，也可以给相关管理人员指定不同区域管理权限，通过互联网实现分布式管理。发卡充值系统可分布在城市各网点。充电站/桩运营管理系统结构如图1所示：

图1充电站/桩运营管理系统结构

通过运营管理系统实现电动汽车用户、充电设施以及运营维护人员有机协调，才能保证电动汽车用户可靠供电，提高充电设备利用率和管理人员的工作效率。

3、系统架构设计

3.1、通信架构

充电桩分布广，没有专门通信通道，有效管理既要保证所有充电设备信息上传，又要降底通信成本，因此需要充分考虑通讯方式。充电桩上行通信信道支持GPRS/CDMA，并具有串口或以太网接口，布置于小区、公用停车场内的充电桩相对集中，可采用数据汇集器实现充电桩信息汇集上传;对于街道沿线分散的单个充电桩直接采用GPRS/CDMA专网方式与管理中心通信;已建监控系统的充电站内充电桩信息可直接通过专网与管理中心信息交互。

3.2、软件结构

电动汽车充电桩运营管理系统软件宜采用三层结构，包括系统平台层、支撑服务层、业务应用层。纵向业务应用与相应支撑服务相关联，横向不同的服务通过数据库松耦合，添加新的服务功能不涉及系统结构也不影响已有的业务，方便系统应用功能的扩充。软件结构如图2所示。

图2 软件结构

1、系统平台层

为适应不同用户的要求,系统的开发需兼容等多种主流操作系统,支持跨平台和混合平台操作。

2、支撑服务层

支撑服务层为增强系统的开放性和可扩展性，建立统一规范的底层交互平台，实现服务层与应用层的分离。提供统一的数据传输接口,数据库访问接口以及控制命令接口。

3、业务应用层

业务应用层建立在支撑服务层之上，通过服务功能模块搭建出不同的应用系统基础，实现实时状态监视、图形化展示、控制交互操作、业务数据记录查询、统计分析、报表曲线等多种功能。此外，提供严格的用户管理和授权管理，保证系统数据的安全性。

4、系统实现

4.1、软件结构实现

系统的软件结构实现基于易扩展、松耦合机制。参考当前充电监控系统与电力监控系统的技术实现路线及发展趋势，采用平台化、模块化、组件化设计思想，选用C/C++语言底层开发，进行模块化设计。完成系统平台化、模块化、组件化设计，首先要开发系列跨平台的组件，将系统功能开发分解为多个组件的开发，组件是构成系统最小功能单位，在运行时期重新装配，创建出组件的克隆共同创建一个应用程序。系统在所有的平台上具有统一的风格,运行界面风格不再受操作系统和图形环境的限制。

4.2、数据采集系统实现

分布于市区各地的充电桩具备的计量及监测功能，读取充电桩运行数据并保存到数据库。数据采集系统通过通信网络获取各充电桩计量信息、状态信息及报警事件信息等，也可实现对充电桩的参数远程设定，从而做到主动安全、主动管理、主动控制，是运营管理系统核心。

数据采集处理

充电桩通常安装在室外,电磁干扰较大，环境较为恶劣，主要采用GPRS/CDMA通讯方式，数据上传难免会出现短时间内通信中断或延时，通讯正常时，充电桩会主动上送数据,采集服务会产生相应事件存到临时事件表，并立即发送给各监视客户端,但并不能保证此前无记录缺失。充电桩技术规范规定充电桩可保存10000条充电记录数据，关键事件的存储不少于100条，安全存储周期至少达7 天。因此，为了保证所有充电桩记录上传，利用充电桩内保存充电记录的流水号连续性，采集服务程序设计中采取启动召唤、定时召唤策略，确保所有充电记录均已录入系统数据库。

远方参数设置处理

为了确保充电桩易于运营维护及统一管理，深圳市市场监督管理局制定了充电桩技术规范，充电桩支持本地或远方费率设置和保护定值设置，其中费率设置包括当前费率单价设置、备用费率单价、备用费率单价切换时间,定值设置包括过压过流保护等定值以及延时时间、提示余额低金额、充电最小电流阀值参数等。对远方充电桩参数设定过程主要涉及到维护人员、工作界面、通信网络及远方设备，充分考虑了系统安全性，系统程序由的人机界面、控制服务、通讯服务等模块协同处理。

4.3、发卡充值系统实现

发卡充值是充电站/桩运营管理系统的一个重要组成部分。发卡充值直接面对用户，集中用户到同一地点发卡充值不利于用户，因而利用互联网特性，采用B/S结构设计，共享管理中心数据库，在市区各地设置充值网点，安装发卡终端和发卡充值应用程序，实现卡片的发放、充值、解锁等功能。

4.4、WebGIS系统实现

充电站/桩只有在地理图形建立了模型, 才能够完整准确地描述充电设施，管理系统与GIS平台之间通过数据库关联，集成Web和GIS功能，从而实现有效的管理。

GIS服务提供数据服务和功能服务.数据服务通过服务接口向外提供空间数据，功能服务通过接口向外提供对空间数据的操作和处理功能。WEB服务通过应用程序对业务数据处理，提供可以对外数据服务接口，对用户提供数据发布、浏览、查询、计算等应用;

GIS服务功能通过Web技术发布WebGIS扩展接口，使Web系统可以整合GIS功能，Internet用户可以通过网页查看充电桩的地理位置、充电状态、计费信息、业务处理软件分析计算结果和存储空间数据等;浏览WebGIS站点中的空间数据、以及进行各种空间数据检索和空间分析，实现空间数据的增值。

5、系统应用

系统实现了对市区所有充电桩的充电信息进行监视，并提供充电桩远方参数批量设置、发卡充值、计费管理以及相关数据的查询和统计分析等功能;地理图形信息有效地辅助和增强了充电设施管理，为充电桩的运营、维护管理部门提供了处理信息的协同作业平台，在可视化、直观化的环境下提高设备管理工作的效率。

6、结语

金宏威公司紧承未来新能源汽车的主要发展方向，构建基于WebGIS统一电动汽车的充电体系信息管理平台，能够适应电动汽车用电对移动性和多样性的要求，有利于充电网络建设统一规划，促进充电服务产业规范有序发展，有利于发挥规模效益，降低运营成本，形成区域内电动汽车充电业务及功能的互联互通，实现统一化管理。