物联网下智能充电桩运行管理平台的设计

摘要：本文针对现有的普通充电桩及其后台管理系统的结构不够完善和功能不够健全问题，设计一种基于物联网的充电桩及运行管理平台。综合利用传感技术、电子技术及通讯技术对充电桩的运行状态参数、运行环境参数进行实时监控，并采用集中管理、区域管理和用户自主管理的三级智能化管理方式，保障充电桩的顺利建设与使用。

关键词：充电桩 ；电动汽车；物联网；APP 客户端

0前言

新能源汽车满足了环境保护的要求，具有较强的生命力，因此生产规模与使用与日俱增，随之而来的，是充电基础设施相对短缺，充电基础设施建设相对乏力，充电难的现状日益显现，现有的普通充电桩及其后台管理系统不仅结构不够完善，而且功能也不够健全，不足以保证电动汽车充电站建设顺利进行，因此在现有基础上完善其结构和功能，设计一种新型智能充电桩及运行管理平台，对保障电动汽车行业的发展极为重要。

1国内外研究现状综述

充电桩主要可以分为立式充电桩和壁挂充电桩。立式充电桩无需靠墙，适用于户外停车 位或小区停车位，但是大多数暴露在外面，风吹日晒，防护性不强，需要较强的防水、防潮 、防盗以及抗打击性能，并且占用面积较大，易出现损坏的状况。壁挂式充电桩则依靠墙体固定，适用于室内和地下停车位，但是安装过程较为复杂，成本较高，并且壁挂式充电桩 的主要结构比较复杂，不利于拆卸检修。在充电桩管理系统方面，现有的充电桩管理系统只针对单一的充电站或一些小型的充电桩项目，再加上相关技术并未进入深度实用阶段，目前 的技术应用不过是初级水平。从计费系统方面来说，大规模充电站的运营需要较为高端的计 费管理系统，目前的计费管理系统并不能满足这个要求，也没有计费管理系统的研发和面世；而且，计费管理系统只是应用于某个充电站，各个充电站之间相对独立，没有在计费系统、通信协议、通信借口之间建立统一的可供遵循的标准。

2智能充电桩本体及其网络监控管理体系的设计

2.1智能充电桩网络监控管理体系的设计

与加油站类似，充电桩也是以点状分布于城市的各个角落，但其分布密度及区域要远远大于加油站，针对如何对不断增多的充电桩进行管理，及时了解充电桩的健康及使用状态，为管理者和用户提供充电桩新的状态信息，更好地对这些充电桩进行监测与管理等问题，本文设计了三级监测与管理网络实现对充电桩的智能化管理。网络的三级为充电用户通过手机APP软件自主与充电桩进行协定，完成电动汽车充电。网络的二级为区域监测与管理平台对所属其管理区域内的各充电桩定时进行巡检，采用无人值守的方式，采集各充电桩的状态，包括健康状态、工作状态等，并对各充电桩的状态数据进行存贮。

2.2充电桩本体结构的设计

智能充电桩本体结构，包括以下3个主要部分：充电桩主体、智能充电桩监控模块和智能充电桩后端维护与信息集成平台。本新型智能充电桩应用了大数据平台和 “物联网”技术。在后台管理上，为了提高监控分析的度和可靠度，信息集成平台不仅对收集到的本充电桩的信息进行分析，而且能够与大数据平台中的充电桩的相关信息进行对比，保证要监控的充电桩运行；而“物联网”技术则是两化融合的升级版，将物联网作为充电桩信息化发展的核心特征提取出来，并与充电桩信息集成平台和用户端 APP 全面融合，信息集成平台与用户侧的手机 APP 可以通过“物联网”更好的实现线上的信息传递，不仅方便快捷，而且与时俱进。

2.3智能充电桩的设计

2.3.1智能充电桩后端监测模块的设计

据调查，应该由配电监控、充电监控、安全监控等功能组成电动汽车充电桩后端监控模块的功能，监视和控制充电设备、配电设备及其他设备，实现集中的监控管理。充电桩的主体上会有一块显示屏，显示屏上只显示用户关注的实时信息，如故障信息、充电时长、充电剩余时间、交费信息和充电完成提示等。不在电子屏上显示的一些电气参数如电压、电流和综合信息如用户使用信息、谐波信息等，这些信息将送到后台维护与信息集成平台，定期自动将信息整合并传送一级集中监测与管理平台。

2.3.2充电桩后端维护与信息集成平台的设计

基于国内外充电桩管理平台发展现状，开发了一个智能充电桩后端监测与信息集成平台，对充电桩的运行状态进行在线监测，并试图实现对整个充电站的综合状态进行监测，为充电站的运行规划以及巡检维护提供大量可靠的评估数据和策略。

(1)监控功能。监控功能是充电桩监控系统基本的功能，主要分为监测功能和控制功 能。监控系统执行监测功能，是通过对设备的运行状态相关数据以及对设备运行形成较大影响力的相关环境数据进行收集分析，然后判断设备运行处于何种状态以及未来的运行态势，也就是说，主要是进行数据的输入并进行处理后得出结论。监控系统执行控制功能，是通过转换工作人员的控制命令为设备可以识别的信号指令，然后使设备作出必要的回应，以使得工作人员预期的行为得以实现，也就是说，主要是在信息输入后执行命令。

(2 )交互功能。交互功能是监控系统通过人机交互界面的设置，实现人与设备之间的对 话。监控系统包括图文结合、视听结合等多种数据呈现的方式，并且有专门为外接的键盘、鼠标等设备预留接口，方便用键盘、鼠标等设备进行操作，将操作人的指令转化为设备信号然后获得执行，将设备的数据转化为操作人可了解的信息然后进行指令的校正。

3安科瑞AcrelCloud-9000充电站运营平台

3.1平台概述

安科瑞充电站运营平台依托物联网、云计算、互联网、大数据、AI等技术，对充电站配电系统的运行、电能消耗、电能质量、充电安全和行为安全进行实时监控和预警，为充电站的可靠、安全、经济运行提供保障，并及时切除安全隐患、避免电气火灾发生，从而保障人员的生命财产安全，打造“安全、高效、舒适、绿色”的“人—车—桩—电网—互联网—多种增值业务”的智慧充电站，提升充电站的社会和经济价值。

3.2适用场合

可广泛应用于医院、学校、酒店、体育场等公共建筑；商业广场、产业园等综合园区；企业、住宅小区等场所。

3.3系统结构

平台采用分层分布式结构，主要由感知层、网络层和平台层三个部分组成，详细拓扑结构如下：

现场设备层：连接于网络中的各类传感器，包括多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电能质量分析仪表、电气火灾探测器、限流式保护器、烟雾传感器、测温装置、智能插座、摄像头等。

网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

平台管理层：包含应用服务器和数据服务器，完成对现场所有智能设备的数据交换，可在PC端或移动端实现实时监测充电站配电系统运行状态、充电桩的工作状态、充电过程及人员行为，并完成微信、支付宝在线支付等应用。

多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电气火灾探测器、限流式保护器、智能插座可通过全网通4G通讯模组与平台直接通讯。

电能质量分析仪表、烟雾传感器和测温装置通过RS485，摄像头通过RJ45与智能网关通讯，再由智能网关通讯通过4G统一与平台通讯。

限流式保护器既可以通过4G连接平台，也可以通过RS485连接网关。

平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能联网的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

3.4相关产品介绍

3.4.1 7KW交流充电桩AEV-AC007D

产品功能

1）智能监测：充电桩智能控制器对充电桩具备测量、控制与保护的功能，如运行状态监测、故障状态监测、充电计量与计费以及充电过程的联动控制等。

2）智能计量：输出配置智能电能表，进行充电计量，具备完善的通信功能，可将计量信息通过RS485分别上传给充电桩智能控制器和网络运营平台。

3）云平台：具备连接云平台的功能，可以实现实时监控，财务报表分析等等。

4）保护功能：具备防雷保护、过载保护、短路保护，漏电保护和接地保护等功能。

5）材质可靠：保证长期使用并抵御复杂天气环境。

6）适配车型：满足国标充电接口，适配所有符合GB/T20234.2-2015国标的电动汽车，适应不同车型的不同功率。

7）资产安全：产品全部由中国平安保险承保，充分保障设备、车辆、人员的安全。

3.4.2直流充电桩系列

3.4.3电气火灾探测器ARCM300-Z

名称	图片	功能
电气火灾监控装置		三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、COSφ），视在电能、四象限电能计算，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，2路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，1路独立RS485/Modbus通讯，支持4G/NB等多种无线上传方案，支持断电报警上传功能。

3.4.4限流式保护器ASCP200

产品功能：

1）短路保护：保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号；

2）过载保护：当线路电流过载且持续时间超过动作时间（3~60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号；

3）表内超温保护：当保护器内部器件工作温度过高时，保护器实施超温限流保护，并发出声光报警信号；

4）组网通讯：保护器具有1路RS485接口，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。

3.5平台功能

3.5.1首页

平台首页显示充电站的位置及在线情况，统计充电站的充电数据。

3.5.2实时监控

1）充电站监控

可以按站点名称进行筛选，显示站点详情、充电枪列表、统计订单信息、故障记录，点击某个充电枪编号后在进入充电枪监控页面实时监测变压器负荷（搭配ACM300T、ADW300），当负荷超过50%时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为50%，当变压器负荷超过80%时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。如图所示：

统计当前充电站各充电桩回路的数据；通过卡片的形式展现充电桩的数据；显示故障列表；如图所示：

2）充电桩监控

显示充电桩充电数据；显示各回路的充电状态；可以对充电中的回路进行手动终止；显示订单信息、故障信息；如图所示：

3）设备监控

显示限流式保护器的状态，包括线路中的剩余电流、温度及异常报警，如图所示：

3.5.3故障管理

1）故障查询

故障查询中记录了登录用户相关联的所有故障信息。如图所示：

2）故障派发

故障派发中记录了当前待派发的故障信息。如图所示：

3）故障处理

故障处理中记录了当前待处理的故障信息。如图所示：

3.5.4能耗分析

在能耗分析中，可查看规定时段关联站点和关联桩的能耗信息并显示对应的能耗趋势图。如图所示：

3.5.5故障分析

在故障分析中，可查看相关时间内的故障数、故障状态、故障类型、趋势分析以及故障列表。如图所示：

3.5.6财务报表

在财务报表中，可根据时间查看关联站点的财务数据。如图所示：

3.5.7收益查询

在收益查询中，可查看总的收益统计、收益变化曲线图、支付占比饼图以及实际收益报表。如图所示：

4结语

（1）新型智能充电桩通过改变其结构，有效节约占地面积。通过完善后台管理系统的功能，不仅可以实现监测充电桩运行状态的功能，充电桩结构和功能的改进，可以推动电动汽车行业的发展，并在一定程度上有利于节能减排 。

（2）新型智能充电桩运用集成监测网络体系。采用三级监测与管理网络实现对充电桩的智能化管理，保证各区域要监控的充电桩正常运行，采集的数据在充电桩的规划与建设方面起决策作用。

参考文献

[1]张允,陆佳政,李波.利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩[J].高电压技术,2011,37(1):150-156.

[2]孙小慧,刘锴,左志.考虑时空间限制的电动汽车充电站布局模型[J].地理科学进展,2012,31(6):686-692.

[3]伞晨峻,艾芊.多代理框架下的电动汽车充电站协调控制[J].低压电器,2014,442 (1):61-65.

[4]蒋涛,秦奋,俞伟勇,胡坚,李题印,胡伟.基于物联网的智能充电桩及运行管理平台的设计[J].产业与科技论坛,2017,16(1).

[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版.

作者简介：闻什益  手机：[phone]（微信同号）

审核编辑 黄宇