张盛，倪国平，张庆龙

摘 要：随着能源问题的日益严峻，以及环境污染的日益严重，全球主要国家都对新型能源展开了深入的研究。电动汽车作为传统汽车的替代品采用了电能作为驱动能源，具有节约能源、零污染排放，操控性好等优点，受到人们的普遍青睐。电动汽车大规模投入应用，电动汽车充电服务优化越来越重要。从充电服务一体化角度出发，以互联网和大数据技术为核心，采用了自适应解析算法、充电导引技术实现运营管理的智能化和信息化，该平台的建设为电动车用户提供了智能的充电服务，实现了充电设施与用户间的信息交互，有效推动了电动车的广泛应用，提高了充电服务的高效性和便捷性。

关键词：充电设施;一体化平台;智能充电;电动汽车

中图分类号：TM63 文献标识码：A     文章编号：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

如今全球環境问题不断受到社会各界的广泛关注，传统能源逐渐被新能源替代，电动汽车得到了大力发展和广泛应用。由于其发展形成了一定的规模，导致充电设施不能满足其发展需求，从而引起供需不平衡，与之配套的设施不完善，这些限制了电动汽车的发展。因此通过对充电设施进行一体化业务管理可以有效解决上述问题[1]。

随着近几年电动汽车的迅速发展，与之配套的充电设施在国家相关政策的引导和支持下也随之增加，目前正在全国范围内覆盖。但对于分布式充电设施存在分布不均、各设备间无法实现互联、支付繁琐、用户体验差等问题，严重影响运营管理水平。因此对充电设施一体化管理，实现充电设施的互联互通和充电服务的智能化和信息化受到了广泛关注[2-4]。

本文根据电动汽车的充电需求，对充电设施的运营管理特点进行分析，采用互联网和大数据技术实现电动汽车充电设施运营管理的自动化设计和应用，提出一体化充电平台的设计和实现方法，该平台可实现一体化服务，提高了充电设施的运营和系统管理水平。

1 电动汽车充电设施运营特点

1.1 充电服务需求分析

由相关调查结果可知，充电服务是否便捷对用户购买电动汽车的决策具有重要的影响;其次充电设施的数量以及合理的布局是提高电动汽车的发展和用户体验关键因素。电动汽车充电设施建设需要遵循以下原则：

根据城区建设和路网规划情况进行规划，充电设施规划是否合理，会对城市交通产生较大的影响;因此规划时要考虑优化交通，对城区建设起到一定的推动作用。

统筹电动汽车发展规划，保证与其协调发展，为电动汽车发展提供条件，同时推进电动车在城市的推广应用。

结合电网发展规划，满足城市电网要求，在满足充电负荷的基础上，要保证电能的合理利用，提高利用率。

保证与通信网络规划的协调性，通过网络对充电设施运行状态进行监控，设备要与所处的网络环境相匹配。

充电设施规划首先要对充电设施的运行情况进行总结分析，其次对城市中电动汽车的数量进行预测并对充电需求进行分析;然后综合电网、城市规划对充电设施进行分期规划。最后对充电设施的布局进行选址，并对充电设施建设费用进行预算[5]。

1.2 充电设施建设模式

充电设施有充电站和充电桩两种，其中充电桩根据充电时间的长短分为快充桩和慢充桩。充电桩的布局以及数量要满足用户即时、方便的充电需求，同时还要保证充电桩可以从电网获取电能进行自我充电。充电桩的建设要与城市规划和交通规划协调发展，充电桩的布局规划要综合考虑现有的充电需求以及未来发展需求，可根据实际使用情况进行二次优化规划和扩建[6-8]。

充电桩布点完成后，为了提高其利用率，需对其布局及实际运营情况进行评估，根据评估结果优化调整充电桩的数量及布局，从而保证其布局的合理性。

1.3 运营管理系统功能需求

充电桩在空间分布比较分散，而且数量多，以充电桩为基本单元的充电设施构成電动汽车充电网络。充电桩通常在户外安装，所处环境较恶劣，为了保证其运行的稳定性需要对其运行状态进行实时监控。充电桩的运营管理主要是对充电桩工作状态监视、控制参数设置以及资产管理，同时针对客户的不同需求提供相应的服务，包括办卡、充值和卡管理等[9]。充电设施运营管理系统功能由以下几个方面构成：

（1） 状态监视。对充电桩的充电过程进行监控，同时根据其不同的分布，对其运行状态、相关参数以及报警信息进行监视。

（2） 参数整定。根据实际运行情况调整系统相关控制、保护参数，并可实现交易费率的调整。

（3） 计费管理。对充电消费进行记录，同时具有数据统计和分析功能。

（4） 资产管理。可以掌握各个充电桩的信息及其利用率，从而保证对其寿命期内的管理。

（5） 分布式管理。采用互联网技术将城市片区分散的充电桩进行统一管理。

（6） 卡管理。根据用户的充电需求建立卡发放和储值服务，实现多网点卡业务办理。

运营管理系统总体结构如图1所示。

管理中心通过安全隔离装置与外网连接，外网与内网之间的数据交互通过访问Web 服务器来实现。通过数据共享，实现充电桩、用户和运维人员的统一管理，从而提高充电效率[10]。

2 一体化平台整体架构

2.1 技术架构

为了提高电动汽车充电服务的质量和效率，采用大数据、物联网和云储存等技术，构建充电设施一体化业务平台，系统的技术架构按层实现，主要包括采集层、数据层、应用层和展现层，系统软件架构如图2所示。

由图2可知，通过一体化平台将不同的应用进行集成，从而实现数据信息资源共享，作为平台与充电设施接口的采集层通过Soket通信实现数据交互;数据层根据应用层下发的业务处理实现业务协议匹配，采集到的数据通过数据库进行存储集群;应用层通过API数据访问数据库中的实时运行数据，为了减小单模块的处理压力，应用层可以实现负载均衡的功能，通过将任务进行分解，提高了多模块并行处理能力，最终实现数据挖掘、APP接口等应用服务;展现层通过Get/post协议实现与用户间的互联互通，用户通过便携式移动终端、浏览网页等形式获取展现层对外展现方式[11-12]。

2.2 运营管理系统软件结构

电动汽车充电设施运营管理系统软件采用分层设计思路，主要由平台层、服务层和应用层构成。其中纵向应用要保证有对应的服务来与之配合，而横向服务间由大数据进行关联，因实际需求增加新服务不会对原有系统和功能造成影响，有利于系统功能扩展。

（1）平台层。针对不同用户的需求，系统开发需兼容Windows、Linux等常见操作系统，同时还要满足多平台和不同平台切换操作的需求。

（2）服务层。通过构建统一的数据交互平台，将应用层和服务层进行统一处理，从而可以提高系统的可扩展性和开放性。同时对底层服务的数据接口和相关指令进行统一处理，为应用层的功能开发提供了重要保证。

（3）应用层。服务层的上层即为应用层，根据不同的服务功能需求对应用层系统进行构建，其功能主要包括充电设施运行情况监视、相关数据信息的图形化表现、数据统计分析及报表输出以及运营数据记录查询等功能。为确保系统数据的安全，需要对用户权限进行严格管理[13]。

2.3 数据结构

分布式充电桩能对自身的实时状态进行检测，同时还具有计量的功能，通过大数据及通信技术对相关数据进行采集和读取，并通过数据库保存。这样既可以实现对实时数据的获取又可以对充电桩的相关运行参数进行远程设置。

数据采集与存储。充电桩通常在户外安装，所处环境较恶劣，而且电磁干扰较大，数据信息交互通常采用GPRS通信，复杂的电磁环境会导致数据通信延时甚至中断。正常运行时充电桩实时上传运行数据，根据实际功能需求对所需的数据进行采集，然后在客户端对所要监视的数据进行展示。根据充电桩技术规范相关规定，数据及事件的记录、数据保存时间都有明确要求，为了实现数据上传的完整性，在数据采集过程中采用启动召唤和定时召唤两种策略，保证所有记录信息录入数据库。

参数远程设置。为了实现分布式充电桩的集中管理，同时为运维提供便捷，充电桩要满足参数远程设置的需求，可以对系统相关保护值、控制参数以及费率进行本地或远程设置，其中费率设置包括调整前费率设置、调整后费率设置及费率切换时间设置，保护设置是指过压、过流保护阀值的设置，控制参数设置是指充电模式选择、充电电流阀值的设置等。工作人员通过网络及操作界面对参数进行远程设置，为了保证系统的安全性，需要对操控权限进行管理，并通过不同功能模块间的协同化来实现[14]。

2.4 一体化平台业务应用体系设计

通过构建电动汽车充电设施一体化平台业务模式，为充电设施运营商和用户提供良好的服务，运营商通过该平台可以对充电桩的运行状态进行监控，有利于运营管理水平的提升;用户通过移动终端即可享受智能充电服务。一体化平台业务功能如图3所示。

3 系统软件设计关键技术

3.1 多协议自适应解析算法

充电桩由不同的生产厂家提供， 采用的协议也会因厂家或者批次的不同而不同，很难实现对区域内分布式充电桩的信息进行统一管理，为了实现充电桩之间数据信息的互联，需要研究一种能够自适应各种协议的解析算法。

平台在采集系统采用多协议自适应解析算法，可以满足不同充电桩接入平台的需求。对于不同版本的同种协议，采用标签标记法实现自适应解析;对于不同协议的充电设施，采用通道标记法实现自适应解析。将不同的通信协议以数据库的形式进行构建，可以将不同类型的充电桩快速接入平台，为用户提供了极大的便捷，同时为充电设施的互联互通创造了条件[15]。

3.2 评价选址技术

为了对投入运营的充电桩数量及布局进行优化，对其利用率及相关指标进行评价，根据评价结果对扩建或者改址进行选择。

采用随机森林算法搭建选址模型，其中分类变量为充电桩占用率等级，决策变量为收费标准和空間位置和附近邻居。随机森林的分类树为二叉树，其中训练集从根节点划分并按照从上而下递归分裂的原则生成;二叉树的根节点包含全部训练数据，根节点以纯度最小原则分裂成左、右两个节点，并包含数据的一个子集。左、右两个节点以同样的原则继续分裂，按停止规则对其进行判断，当满足条件时不再生长[16]。纯度采用Gini准则进行度量，类属于i 类的概率用 pi来表示，Gini指数表达式如下：

4 一体化平台应用实例

目前电动汽车充电设施一体化平台已经得到了推广应用，该平台可同时接入不同厂家的充电桩，并兼容不同的通信协议。用户通过移动终端APP即可对区域内的充电桩信息进行查询，同时还可以定位导航、预约充电和结算。运营商通过该平台的应用，可以实现站级充电桩的实时监控，根据实际运营情况进行指挥调度，通过大数据对运营信息进行统计和分析。一体化应用平台移动终端APP界面如图4所示。

5 结语

基于电动汽车充电设施实现一体化平台应用体系建设，可满足用户的智能充电和运营商高效管理的需求。该平台通过多协议自适应解析算法和评价选址等先进技术，实现了不同厂家充电桩的广泛接入，提高了运营商的管理水平;同时评价结果为其科学合理的决策提供了支撑，从而优化了充电设施的建设。该平台的建设有效推动了电动汽车的发展，为电动车用户提供了智能的充电服务，实现了充电设施与用户间的信息交互，提高了充电服务的高效性和便捷性，具有很好的应用前景和现实的应用价值。

参考文献

[1]林海英，郭正雄，宋宝松，等. 电动汽车充电服务一体化平台研发与应用[J]. 供用电， 2019， 36（3）：32-36.

[2]李立理. 我国电动汽车充电基础设施政策解读与展望[J].供用电， 2017， 34（1）：2-7.

[3]任思源，李思齐.可达性分析在北京电动汽车充电设施布局上的应用[J].供用电，2018，35（5）：75-78.

[4]王 斐，李正烁，叶 萌，等.电动汽车充电对电网的影响及其优化调度研究述评[J].南方电网技术，2016，10（6）：70-80.

[5]胡 勇，刘奇峰.基于WebGIS的分布式电动汽车充电桩运营管理系统设计与实现[J].电力建设，2014，35（1）：98-103.

[6]王飞龙，孙凯航，李燕青.基于用户分类的电动汽车充电站需求预测[J].黑龙江电力，2013，35（2）：132-134.

[7]王汉华，陈永进.电动汽车充电设施接入配电网的最优布点规划[J].广东电力，2018，31（4）：72-78.

[8]刘熙媛，别朝红，王锡凡. 基于多范式建模与仿真的电动汽车充换电站配置评估研究[J].智慧电力，2017，45（7）：18-24.

[9]刘坚，金亨美.电动汽车参与上海市电力需求响应潜力及经济性研究[J].供用电，2017，34（3）：26-31.

[10]黄小庆，陈 颉，田世明.电动汽车充电站规划、运行中的大数据集成应用[J].电网技术，2016，40（3）：762-767.

[11]王 潼，李 平.中国新能源汽车充电基础设施产业建设研究[J]. 汽车工业研究，2017（1）：4-7.

[12]陈静鹏，艾 芊，肖 斐.基于用户出行需求的电动汽车充电站规划[J].电力自动化设备，2016，36（6）：34-39.

[13]吕海博，郭 旗，刘国峰.电动汽车充电桩信息维护管理系统的设计与应用[J].供用电，2018，35（3）：86-92.

[14]熊 虎，向铁元，祝勇刚，等.电动汽车公共充电站布局的最优规划[J].电力系统自动化，2012，36（23）：65-70.

[15]葛少云，冯 亮，刘 洪，等.电动汽车充电站规划布局与选址方案的优化方法[J].中国电力，2012，45（11）：96-101.

[16] 段 庆，孙云莲，张笑迪，等.电动汽车充电桩选址定容方法[J].电力系统保护与控制，2017，45（12）：88-93.