基于充電安全的電瓶車充電樁云平臺設計

張 振， 李 強

(1. 安科瑞電氣股份有限公司，上海 201800；2. 內蒙古工大建筑設計有限責任公司，呼和浩特 010000)

0 前言

如今，電瓶車已經成為民眾出行的主要交通工具之一。 據統計，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。雖然電瓶車給大家帶來了便利，但是安全問題依然存在，全國多個城市相繼發生了多起電瓶車充電和進電梯起火事故。 為了預防和遏制電瓶車火災事故發生，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，充電設備簡陋，亂停放、私拉電線現象嚴重，極易造成火災事故。 還有部分人員推著電瓶車進電梯，電瓶車在電梯內自燃，導致嚴重的人員傷亡。

另外，傳統的功率控制由充電樁對充電功率進行識別，實現功率分檔，這種機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中的其他負載，會形成充電站變壓器過載，影響電網安全運行。

電瓶車充電樁監控云平臺使用無線通信技術、物聯網技術和電氣火災探測及防護技術，與接入平臺的電瓶車充電樁進行交互，24 h 不間斷采集數據，對充電站點和充電樁進行遠程集中監控，監控電瓶車充電過程，同時對充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障、漏電、過溫、短路、電瓶車進電梯等一系列故障和隱患進行預警。 同時，從頂層考慮整個充電站的負載，監測變壓器運行狀態，為充電站的可靠、安全、經濟運行提供保障。

該平臺可廣泛應用于商場、小區等物業環境；學校、醫院等公建；各類企事業單位；公交樞紐、公路充電站等場所，本地不需要單獨部署專門的系統，統一接入云端平臺，實現了充電站和離散充電樁的資源整合，既達到遠程集中監控的目的，也能夠保障充電安全，避免發生火災事故。

平臺充電安全方面的主要功能包括:充電過程監控、電瓶車進電梯監控、充電樁功率控制、充電樁參數遠程下發、充電樁異常報警。

1 方案設計

1.1 總體結構

電瓶車充電樁云平臺采用分層分布式結構設計，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。 詳細拓撲結構如圖1 所示。

圖1 電瓶車充電樁云平臺系統架構

云端服務器需要具備固定IP 地址并開放相應的端口號，電瓶車充電樁和多功能儀表設置目標IP地址和端口號之后，通過4G 通信模塊與云端服務器建立TCP 連接，基于TCP/IP 協議進行數據交互。

電瓶車識別攝像頭通過有線RJ45 網口模塊接入數據網關，再由數據網關通過4G 通信模塊接入互聯網，基于TCP/IP 的數據交互協議，與云端平臺直連。

云端服務器既可以由用戶自己搭建，也可以租賃云服務器，用于部署數據采集程序、B/S 網站、移動端數據服務、數據庫。 平臺采用分布式部署的方式，后期可以根據電瓶車充電樁、多功能儀表和電瓶車識別攝像頭接入數量的遞增對服務器進行水平擴展，在不修改平臺架構的基礎上滿足高并發和大數據的性能要求。

1.2 系統協議

充電樁與云端建立連接后，使用表1 所示的協議，并使用加密技術和秘鑰分發技術，周期性向云端主機上報充電數據信息及實時上報故障信息，主機在收到上報數據后返回成功應答，默認周期性上報數據的周期為5min。 主機在超過15min 未接收到充電樁的任何有效數據時判定充電樁離線。 故障狀態解析如表2 所示。

表1 數據上報格式和定義

表2 故障狀態解析

2 產品設計

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輸入/輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警，并在檢測到漏電、過溫、短路等容易引起電氣火災的隱患時切斷對應回路的供電。

充電樁主要安全功能:(1)過載保護:具備檢測大功率負載功能，可以設定功率報警值，達到報警值時會斷開對應充電回路，防止用戶私接插線板給多臺電瓶車充電或大功率設備進行充電；(2)功率識別:具有功率分檔功能，根據檢測到的功率，按照不同功率檔位設定的時間開啟充電；(3)故障回路識別:可判斷繼電器故障或計量故障導致的故障回路，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: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，則會發出報警，同時在已設定的一定時間內關閉該回路供電；(5)短路保護:每個出線回路均設置有熔斷器保護，在發生短路意外時，會使熔斷器熔斷；(6)箱內過溫保護:當檢測機箱溫度過高時，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，實時監控變壓器的運行狀態，通過識別變壓器的負載控制整個充電站的充電樁能否啟動充電，提升用電質量，保證用電安全。

多功能儀表主要技術參數如下:(1)支持監測設備主動上報停上電信息；(2)支持標準的DIN35導軌安裝、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、四象限無功計量；支持有功脈沖輸出；支持4 種最大需量及發生時間統計；支持上12 月歷史電能(包含各費率電能)；(5)支持上三月極值及發生時間(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

在充電區域和電梯中安裝電瓶車識別攝像頭，實時監控充電行為和電瓶車是否進電梯，其中當識別到電瓶車進入電梯之后產生實時報警。 此攝像頭不監控電瓶車電池進電梯行為。

電瓶車識別攝像頭主要技術參數:(1)調整角度:水平:0°～360°，垂直:0°～75°，旋轉0°～360°；(2)日夜轉換方式:白天、夜晚、自動、定時、報警觸發；(3)常規報警:移動偵測，遮擋報警，聲音報警輸出，閃光燈報警輸出，網線斷，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，區域入侵偵測，進入/離開區域偵測；(5)智能報警:人體、車體分類報警；(6)聯動報警:支持聯動白光報警、支持聯動聲音報警。

3 系統軟件設計

3.1 軟件體系結構

充分考慮系統兼容性、高并發、可擴展性，系統采用分布式架構設計，將數據存儲、數據服務、數據應用分離，保障系統的高可用性，建立數據通訊安全相關規范標準，保障數據通訊的安全性、規范化、合理化。

系統分為表現層、業務層、持久層和數據庫層，其中數據庫采用關系型數據庫和非關系型數據庫相結合，保證數據的高并發、可靠性和完整性。 關系型數據庫mysql 讀寫、統計方便，用于保存基礎數據。 內存數據庫redis 讀寫速度快，用于存儲設備端上報的實時數據及訪問頻率高的數據。 非關系型數據庫mongodb 存儲容量大，數據讀取效率高，用于存儲設備端上報的歷史數據及報警記錄。 持久層與數據庫進行交互，對數據進行持久化增刪改查。業務層對數據進行分析和計算。 表現層為用戶提供交互式操作的界面。 體系結構如圖2 所示。

3.2 云端數據服務子系統

為了滿足充電過程監控和安全管理功能，云端數據服務子系統要滿足以下功能:數據采集、解析、存儲、數據分析、邏輯運算和與充電樁進行指令交互。

(1)數據采集:負責定時采集已注冊的充電樁的狀態和充電數據，采集頻率可設。 實時采集充電樁的故障和隱患信息。

(2)數據解析與存儲:對充電樁數據進行解析，區分實時數據、歷史數據與報警數據，進行數據存儲。

(3)報警提醒:觸發失聯、故障、產生隱患的充電樁報警提醒，提醒方式包括手機短信、郵件、App消息推送等。

(4)指令交互:將控制指令遠程下發給現場的充電樁，并等待指令執行的回送。

(5)邏輯運算:判斷數據是否異常、識別充電站變壓器負載并對充電樁進行功率控制。

3.3 B/S 云平臺

B/S 云平臺為用戶提供充電過程監控和安全管理功能，主要功能包括:充電過程監控、電瓶車進電梯監控、充電樁功率控制、充電樁參數遠程下發、充電樁異常報警。

(1)實時監控:展示充電樁的狀態和充電過程中的實時電流、電壓、功率、漏電、溫度，其中充電樁狀態包括失聯、故障、異常和正常，支持查看歷史充電數據。

(2)故障管理:展示充電樁的故障記錄，并將故障記錄派發給相關人員進行處理，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:實時監控充電區域的充電行為和電瓶車進電梯情況，支持查看歷史視頻回放。

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

(5)參數設置:遠程設置充電樁相關報警參數，包括越限報警值設定、過溫報警設定、漏電報警設定、過壓報警設定、欠壓報警設定及是否開啟相關報警等。

(6)統計分析:按日/月/季度/年統計時間段內的故障情況，展示故障趨勢分析圖、故障狀態圖、故障類型圖、故障列表等。

3.4 手機App

運維人員可以通過使用App 對充電樁進行遠程監控和安全管理，主要功能包括:充電過程監控、充電行為監控、電瓶車進電梯監控、充電樁參數遠程下發、充電樁異常報警。

(1)實時監控:展示充電樁的狀態和充電過程中的實時電流、電壓、功率、漏電、溫度，其中充電樁狀態包括失聯、故障、異常和正常，支持查看歷史充電數據。 (2)故障處理:對派發給當前用戶的故障記錄進行確認和閉環處理。 (3)隱患管理:查看電瓶車進電梯的報警記錄，支持查看異常抓拍圖片。(4)參數設置:遠程設置充電樁相關報警參數，包括越限報警值設定、過溫報警設定、漏電報警設定、過壓報警設定、欠壓報警設定及是否開啟相關報警等。

4 系統的意義及收益

基于電瓶車充電及進電梯引發火災的危害，各級政府部門高度重視這些行為帶來的火災隱患。隨著電瓶車充電樁建設的逐漸普及，電網的負載壓力越來越大，如何有效地降低電網負載對于提高配電效率、保證充電安全有著較好的經濟效益及安全意義。 本文設計了一種基于充電安全的電瓶車充電樁云平臺方案，該系統能夠將現場所有統一協議的離散電瓶車充電樁接入云平臺，進行集中管理，方便用戶運維，同時通過充電樁本身的安全監控與控制，結合多功能儀表和電瓶車識別攝像頭的輔助管理，在發生火災隱患后向用戶實時發出警告信息，能夠及時有效的杜絕充電過程中和電瓶車進電梯后存在的火災隱患。 同時，充分考慮整個充電站配電系統的負載，通過判斷變壓器的運行狀態執行功率控制，保證充電站運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、運營商和管理人員提供基于無線通信技術、物聯網技術和電氣火災探測及防護技術的管理手段，便民利民，能夠切實保障人民群眾生命財產安全。