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

胡勇，刘奇峰

(深圳市金宏威技术股份公司，广东省深圳市518057)

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

胡勇，刘奇峰

(深圳市金宏威技术股份公司，广东省深圳市518057)

为了对分布式电动汽车充电桩进行有效运营管理，根据电动汽车充电设施特点和用户需求，提出分布式电动汽车充电桩运营管理模式。结合当前通信技术、数据采集技术、GIS技术、Web技术，提出了电动汽车充电桩运营管理系统建设方案。运营管理系统包括数据采集系统、发卡充值系统、网络地理信息系统(Web geographic information system，WebGIS)。介绍了运营管理系统应用情况和未来发展方向。

电动汽车;运营管理系统;网络地理信息系统(WebGIS);充电桩;发卡终端

0 引言

电动汽车全部(或部分)以电代油，具有“零排放”和明显降低交通噪声等优点，是解决交通环境污染和节能减排问题，缓解石油危机的有效手段之一。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［1-2］。目前，电动汽车在北美、欧洲地区及日本等发达国家已初步形成规模市场。在《节能与新能源汽车产业发展规划(2011—2020年)》中，我国提出到2020年电动汽车(包括插电式混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车等)保有量应达到500万辆的发展规划。

电动汽车能源供给设施是电动汽车产业链中的重要环节，其建设模式与电动汽车的发展密切相关。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［3］。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。

随着电动汽车广泛应用，其充电设备技术必然伴随着发展。由于电动汽车能源基础服务设施的构成设备数量多、地点分散，地理信息系统(geographic information system，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，GIS技术与计算机网络技术相结合产生了网络地理信息系统(Web geographic information system，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［4］。

文献［5-9］介绍了电动汽车充电站监控系统的设计与运营管理，但对于分布式充电桩运营与管理系统建设方面研究和应用仍然很少。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，如何保障电动汽车供电基础服务设施，对分布式充电桩进行有效的运营管理成为一个亟待解决的问题。本文分析分布式充电桩运营管理特点，论述利用先进的通信技术、数据采集技术、Web和GIS技术，对电动汽车充电桩的运营和管理自动化系统进行设计和应用。该系统可降低工作人员的劳动强度，提高电动汽车充电桩运营和管理水平。

1 电动汽车充电桩运营特点

1.1 充电设施建设模式

目前，国内已建成或在建的充换电设施主要有充电站和充电桩。在充电站中，一般配有多个快速充电插头和少数慢速充电桩。一些城市计划在住宅小区、停车场和超市等公共场所建设充电桩。

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等典型方式。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。但充电站占地面积大、管理成本高，无法支撑大规模的家用电动汽车充电，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即时、方便地充电需求，采用分布式充电桩充电模式是最佳选择。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。且充电桩占地面积很少，建设成本较低，适合于大规模的家用电动汽车充电。

1.2 运营管理系统功能需求

充电桩、充电站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。充电桩数量较多，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、温差大等环境下，及时掌控其运行状态是保证设备稳定可靠运行的基础。

分布式充电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。分布式充电桩运营管理系统的功能主要包括以下方面。

(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控制;

(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。

1.3 运营管理系统总体结构

根据上述功能需求，分布式充电桩运营管理系统由3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。分布式充电桩运营管理系统结构如图1所示。

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。

2 运营管理系统架构设计

2.1 通信架构

充电桩分布广，且没有专门通信通道，有效管理既要保证所有充电设备信息上传，又要降低通信成本，因此需要充分考虑通信方式。充电桩上行通信信道支持GPRS/CDMA，并具有串口或以太网接口［10］，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。充电桩信息通过CAN/RS485/232通信接口与数据汇集装置通信，也可以考虑采用电力载波方式实现信息汇集，数据汇集装置通过已有网络或以GPRS/CDMA专网方式与管理中心通信;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［9］。充电桩运营管理系统通信组网方式如图2所示。

2.2 软件结构

电动汽车充电桩运营管理系统软件宜采用3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。运营管理系统软件结构如图3所示。

(1)系统平台层。为适应不同用户的要求，系统的开发需兼容多种主流操作系统(Windows/UNIX/ Linux)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等，使上层的应用层开发可以专注于业务功能的实现，无须关心底层服务的实现。

(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。

3 运营管理系统实现

3.1 软件结构实现

系统的软件结构是基于易扩展、松耦合机制实现的。参考当前充电监控系统［5-9］与电力监控系统的技术实现路线［10］及发展趋势，采用平台化、模块化、组件化设计思想。系统选用C/C++语言底层开发，进行模块化设计，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。系统服务模块或程序间采用软总线(Softbus)技术信息交互，通过基于SOA的订阅、发布的方式进行功能模块间信息交互。不同服务模块订阅需要信息，完成特定的功能后把结果发布到总线上。在图形系统方面，采用了QT作为底层图形库。QT不仅使代码的编制实现了统一，而且运行界面风格不再受操作系统和图形环境的限制，在所有的平台上具有统一的风格。运营管理系统逻辑结构如图4所示。

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，如系统提供统一的数据库接口的数据库访问组件，其他模块访问数据时无须关注具体的访问实现，直接调用组件可访问各种类型的数据库数据;事件通道组件用来注册、订阅所需要的事件，实现事件更新功能;软总线组件实现各个程序、功能模块间的数据通信;应用组件包括实现图形处理、报表曲线、事件报警、数据查询、权限管理等多个组件。在此组件基础上整合业务应用，构筑不同业务监控人机操作界面。

由通道组件、软总线组件及规约组件等组成通信服务功能模块，进行与实际通道相应的通道的建立、打开关闭、数据通信、规约解析、数据预处理并发送至数据采集服务功能模块。

3.2 数据采集系统实现

分布于市区各地的充电桩具备计量及监测功能，读取充电桩运行数据并保存到数据库，是系统的基础。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。

(1)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通信方式，数据上传难免会出现短时间内通信中断或延时。通信正常时，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10 000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［11］。因此，为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，可确保所有充电记录均已录入系统数据库。数据采集处理流程如图5所示。

(2)远方参数设置处理。为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［12］，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，系统程序由人机界面、控制服务、通信服务等模块协同处理。远方参数设置程序处理流程如图6所示。

3.3 发卡充值系统实现

发卡充值是分布式充电桩运营管理系统工作任务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。

充电桩发卡系统主要向用户提供了新卡发放、已发卡管理的功能。新卡发放即是对一张空白卡的初始化过程;已发卡管理包括卡片的充值、解锁、余额以及充值次数的查询等功能，解锁是针对充电桩出故障导致卡片灰锁的恢复处理。发卡充值程序设计流程如图7所示。

3.4 WebGIS系统实现

目前，通用的GIS系统在市面上已有成熟的支撑平台，如ArcGIS、MapInfo等，在电力企业有着广泛应用［13］。对平台的选择可根据系统的功能需求特点及支撑平台的性能价格比等因素，结合实际情况进行选择，本系统采用ArcGIS平台进行设计。

分布式充电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，其功能层结构如图8所示。WebGIS系统采用Java技术开发，提高了扩展性和兼容性。

GIS服务提供数据服务和功能服务，其中，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，提供可以对外的数据服务接口，对用户提供数据发布、浏览、查询、计算等功能。

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。

WebGIS定位显示流程如图9所示。首先由用户通过页面导航树选择关注的充电桩，浏览器分别向Web Server和WebGIS Server发送定位显示和地图请求，由Web Server根据请求返回充电桩定位数据(如经纬度、图标、状态等信息)，由WebGIS Server根据请求返回地图图形数据，浏览器根据返回数据，调用ArcGIS API创建充电桩GIS对象，并使该对象显示在地图上。

WebGIS查找功能流程如图10所示。首先由用户输入要查找的关键字，浏览器调用ArcGIS API向WebGIS Server发送查找请求，WebGIS Server根据请求的关键字查找匹配GIS信息，返回查找结果并在浏览器通过列表或地图显示。

4 运营管理系统应用情况

目前电动汽车充电桩运营管理系统已在多个城市试运行，根据市、区、商业中心或居民小区建立一个树形结构管理模型，对市内所有充电桩进行管理。

运营管理系统实现了对市区所有充电桩的监视，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了设备管理工作的效率。

除上述功能，运营管理系统还提供了对片区充电桩的充电量、充电次数、充电时域等数据进行综合分析的高级应用功能，在地图上动态地显示区域充电设备占有率以及使用率等信息;并可发挥GIS功能进行充电桩、充电站的选址分析;当市场发生变化时，利用GIS功能还可以制定出最佳的应对措施和资产配置方案。该系统能及时高效地调整调度，科学控制和利用资源，保证了充电桩的可靠性、可用性和扩展性，为电动汽车充电提供更好的服务。

5 结语

电动汽车是未来新能源汽车的主要发展方向，而充电体系的建立是其发展的前提和基础。构建基于WebGIS统一信息管理平台，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，降低系统运营维护成本。随着充换电服务网络建设逐步开展，最终形成区域内电动汽车充电业务及功能的互联互通，实现电动汽车充电桩统一化管理。

［1］何永秀，周波，熊威.北京市电动汽车用户响应度研究［J］.电力建设，2013，34(1):1-6.

［2］崔玉峰，杨晴，张林山，等.国内外电动汽车发展现状及充电技术研究［J］.云南电力技术，2010，38(2):9-12.

［3］Q/GDW 478—2010电动汽车充电设施建设技术导则［S］.

［4］李清霞，秦勇.面向服务架构的WebGIS系统的设计［J］.应用科技，2008，35(8):39-42.

［5］严辉，李庚银，赵磊，等.电动汽车充电站监控系统的设计与实现［J］.电网技术，2009，33(12):15-19.

［6］王健，姜久春.电动汽车充电站信息管理系统的设计与实现［J］.微计算机信息，2006，22(15):16-17.

［7］王云艳，姜久春，牛利勇.电动汽车充电站管理系统［J］.微机发展，2005，15(11):57-59.

［8］赵明宇，王刚，汪映辉，等.电动汽车充电设施监控系统设计与实现［J］.电力系统自动化，2011，35(10):65-69.

［9］胡勇，郭子健，刘奇峰，等.基于IEC61970/61850的电动汽车充电站监控系统建模方案［J］.电力系统自动化，2013，37(2)91-96.

［10］王晓波，樊纪元.电力调度中心统一数据平台的设计［J］.电力系统自动化，2006，30(22):89-92.

［11］GB/T 28569—2012电动汽车交流充电桩电能计量［S］.北京:中国标准出版社，2012.

［12］SZDB/Z 29.5—2010电动汽车充电系统技术规范第5部分:交流充电桩［S］.深圳:深圳市市场监督管理局，2010.

［13］杨琴，徐学军，曾致远.基于GIS的配电服务信息系统设计［J］.电力建设，2005，26(9): 68-71.

(编辑:卢文艳)

Design and implementation of Operation Management System for Distributed EV Charging Pile Based on WebGIS

HU Yong，LIU Qifeng
(1.Shenzhen Golden Highway Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，Guangdong Province，China)

In order to realize the effective operation management of distributed electric vehicle＇s(EV)charging pile，according to the characteristics of EV charging facility and the requirement of users，the operation management mode of distributed EV charging pile was put forward.In combination with the current communication technology，data acquisition technology，GIS technology and Web technology，this paper proposed the construction scheme for the operation management system of EV charging pile，which included data acquisition system，card management system and web geographic information system.Finally，the application situation and future development direction of operation management system were introduced.

electric vehicle(EV);operation management system;Web geographic information system(WebGIS); charging pile;card issuing terminal

TM 910.6

A

1000－7229(2014)01－0098－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.019［HT］

2013-07-12

2013-10-15

胡勇(1968)，男，硕士，高级工程师，从事电力系统保护及调度自动化、新能源研究工作，E-mail:wilard@21cn.com;

刘奇峰(1980)，女，工程师，主要研究方向为电力系统通信、新能源。