王魁生, 張 晗

(西安石油大學 計算機學院， 西安 710065)

0 引 言

隨著化石燃料的廣泛使用，由此產(chǎn)生的環(huán)境污染、能源危機等問題日益嚴重，已成為全人類面臨的共同問題。提高傳統(tǒng)能源(石油、天然氣、煤等)的利用率、開發(fā)新能源已成為世界各國的共識和相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向[1]。

現(xiàn)如今汽車已成為人們?nèi)粘３鲂斜夭豢缮俚慕煌üぞ撸虼嗽谑澜绶秶鷥?nèi)擁有龐大的汽車數(shù)量，由此帶來的燃油消耗已成為世界石油消耗的主體，并且造成了嚴重的環(huán)境污染。近年來，城市污染的主要原因就是汽車尾氣排放超量所致。要減少對環(huán)境的再度污染，汽車產(chǎn)業(yè)必須向節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展[2-4]。

電動汽車是完全或者部分依賴電力作為驅(qū)動能源的道路交通工具。與傳統(tǒng)以化石能源為動力的汽車相比，電動汽車在節(jié)能、環(huán)保等方面都有巨大的優(yōu)勢[5-6]。正如傳統(tǒng)汽車需要定期加油以補充消耗的燃料一樣，電動汽車也需要為蓄電池補充電能來保障正常行駛。這就需要建設類似于傳統(tǒng)汽車加油站的電動汽車充電站用于為電動汽車補充電能，而電動汽車充電站主要用充電樁為電動汽車進行充電[7]。

目前，新的充電站通常無人值班或少人值班，且已有充電站數(shù)量多、位置分散，這就要求充電站的可靠性和自動化程度更高、功能更加完善、維護更加方便[8-10]。為了降低運維成本并提高效率，開展充電樁智能化健康狀態(tài)評價研究。通過充電樁管理系統(tǒng)得到采集的充電樁運行數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)分析處理，對充電樁設備運行健康狀態(tài)進行評價，以此來制定充電樁運維檢修策略，以指導現(xiàn)場運維工作的展開，提高運維效率。

本文提出建立充電樁檢測評價系統(tǒng)用于解決以上出現(xiàn)的問題，以此降低運維成本和提高工作效率。

1 電動汽車充電樁檢測評價系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)的主要用戶為充電樁的管理人員、運維人員以及研發(fā)人員。因此，根據(jù)不同用戶的工作環(huán)境特點，設計出的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

分布于某個地方的幾千臺充電樁連接到特定服務器上，再連接到云平臺，并將實時運行情況、充電記錄等數(shù)據(jù)信息保存在云平臺上。本系統(tǒng)的服務器通過主動獲取云平臺中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，為Web網(wǎng)頁提供重要的數(shù)據(jù)資料，再通過Web頁面對數(shù)據(jù)進行分析，得到充電樁的健康狀態(tài)并保存在服務器上，運維人員使用APP客戶端得到相應的充電樁的運維數(shù)據(jù)，這樣運維人員就可以對產(chǎn)生故障或健康狀態(tài)不高的充電樁進行維護，以提高充電樁的利用率和運維工作的效率。[11]

Web網(wǎng)頁的主要用戶為管理人員及研發(fā)人員。服務器從云平臺主動獲取得到了相應的充電樁的相關數(shù)據(jù)，通過Web頁面顯示出來，使得管理人員和研發(fā)人員可以清晰地查看到相應的充電樁的狀態(tài)信息。通過數(shù)據(jù)分析方法，得到充電樁的數(shù)據(jù)及充電樁的健康狀態(tài)評價信息，將這些信息顯示在Web頁面并保存到服務器上，為運維人員做相應的指導。

APP客戶端主要的用戶為運維人員。主要是用來進行顯示充電樁的健康狀態(tài)信息并提供給運維人員、接收運維反饋信息等功能，指導運維人員對充電樁進行維護，以此提高維護效率和運維人員工作效率。

2 電動汽車充電樁檢測評價系統(tǒng)的設計

本文僅對Web頁面相關功能進行詳細的分析與設計。電動汽車充電樁檢測評價系統(tǒng)主要利用采集到的充電樁相關數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)充電樁相關健康狀態(tài)的評價，以此形成針對性的運維檢修策略，以指導運維人員的工作[12]。系統(tǒng)基本功能如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)主要功能分析

2.1.1 運行監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

運行監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊是用來展示充電樁運行監(jiān)測信息。信息包括：充電樁運行狀態(tài)、電氣、溫濕度、開關量狀態(tài)、計量信息等。

充電樁運行狀態(tài)信息包括：當前狀態(tài)、模塊信息、是否連接車輛、直流輸出接觸器狀態(tài)、充電樁充電槍座狀態(tài)、充電接口電子鎖狀態(tài)。

電氣信息包括：輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、充電導引電壓、絕緣狀態(tài)。

溫濕度信息包括：充電樁各充電模塊溫度、充電槍溫度。

開關量狀態(tài)信息包括：關鍵繼電器開關狀態(tài)、急停、門控、輸出接觸器、放電接觸器、輔助電源控制、電子鎖反饋點。

計量信息包括：充電電量、充電時長。

圖2 系統(tǒng)基本功能

2.1.2 健康狀態(tài)評價分析

健康狀態(tài)評價分析模塊是基于充電樁設備狀態(tài)關鍵指標庫，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術，制訂充電樁健康狀態(tài)評價策略，為充電樁的綜合情況進行評價。

(1)健康狀態(tài)評價構(gòu)成要素

① 基礎評價：交接試驗合格，具備投運條件的新設備，或檢修之后驗收試驗合格可重新投運的設備，對其狀態(tài)進行一次評價，作為之后評價的基礎。

② 健康度評價：是指基于大數(shù)據(jù)分析技術對運行設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行的評價。

③ 不良工況評價：設備經(jīng)受高溫、雷電、冰凍、洪澇等自然災害、外力破壞等環(huán)境影響以及超溫、超負荷、外部短路等工況后，對設備進行的評價。

④ 家族缺陷評價：由于制造廠設計、材質(zhì)、工藝等同一共性因素導致的設備缺陷、異常、故障或隱患被稱為家族缺陷。對這一缺陷進行的評價。

(2)健康狀態(tài)評分規(guī)則

充電樁健康狀態(tài)評分公式為：

L=B×R×E×F

(1)

其中，B為基礎評分；R為健康度評分；E為不良工況評分；F為家族缺陷評分。L取值范圍0～100分，當計算值為負數(shù)時，L值為零。

①基礎評分B：

B=100-Y

(2)

其中，Y為運行年數(shù)，[運行年數(shù)]=[系統(tǒng)日期]-[投運日期]，取整數(shù)。根據(jù)運行年限進行扣分，扣完為止。

②健康度評分R:

健康度評價是由大數(shù)據(jù)分析模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行收集、治理、建模和調(diào)優(yōu)及評估后得出的分數(shù)。

③不良工況評分E:

E=Ei×Ex×Ey×100%

(3)

其中，Ei惡劣天氣評分；Ex溫濕度評分；Ey電氣參數(shù)評分。不良工況評分E在100%～0%之間，而0%對應于對設備狀態(tài)影響最嚴重的不良工況(包括其累積效應)。

④家族缺陷評分F:

有家族缺陷時，那些尚未發(fā)生或檢出家族缺陷的設備，在隱患消除之前，其狀態(tài)評分應通過下式評估家族缺陷的影響。

(4)

其中，N為家族設備總臺數(shù)，n為發(fā)生該家族缺陷的設備臺數(shù)(N>n≥1)。計算家族缺陷評分時，f依據(jù)缺陷影響的程度確定。設備大修之后，如果涉及家族缺陷的隱患已消除，即不再考慮其影響。根據(jù)缺陷影響程度不同進行取值，f取值規(guī)則見表1。

表1 f取值規(guī)則表

(3)健康狀態(tài)評級規(guī)則

系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)技術，實時展示充電樁的健康狀態(tài)，并對健康狀態(tài)進行評分、評級，用不同顏色進行區(qū)分。詳細說明如下：

健康狀態(tài)等級：根據(jù)狀態(tài)評分，制定狀態(tài)等級。

健康狀態(tài)顏色：用不同顏色對狀態(tài)等級進行區(qū)分。

健康狀態(tài)描述：對狀態(tài)等級進行的描述。

健康狀態(tài)評分、評級、顏色、描述對應關系說明見表2。

表2 健康狀態(tài)評分表

2.1.3 充電設施風險管理

充電設施風險管理模塊是基于充電樁健康狀態(tài)評價模塊，結(jié)合特殊時期、特殊地域、特殊事件等因素，對充電樁風險進行分析。結(jié)合上述因素得到充電樁的風險評分S:

S=L(1-Tx-Ty-Tz)

(5)

其中，L是健康預測評分；Tx特殊時期評分；Ty特殊地域評分；Tz特殊事件評分。

特殊時期評分Tx：是指重大保電活動、電網(wǎng)迎峰度夏、迎峰度冬前等需要對充電樁運行狀態(tài)特別注意的關鍵時期，對應評分說明見表3。

表3 特殊時期評分表

特殊地域評分Ty：是指特殊地理位置對充電樁產(chǎn)生的影響，對應評分說明見表4。

表4 特殊地域評分表

特殊事件評分Tz：是指由于充電樁外部原因，如汽車技術改造等，對充電樁產(chǎn)生的影響事件，對應評分說明見表5。

表5 特殊事件評分表

2.1.4 充電設施檢修策略

充電設施檢修策略模塊根據(jù)充電樁健康狀態(tài)、風險狀態(tài)，生成的充電設施檢修方法，讓充電樁檢修工作更加合理而有效。生成的充電樁檢修策略分為：例行巡視、計劃檢修、部件更換、整樁更換。根據(jù)充電樁健康狀態(tài)評價模塊給出的充電樁健康狀態(tài)可以生成2個檢修策略：部件更換和整樁更換。根據(jù)充電設施風險管理模塊給出的充電樁風險評價可以生成4個檢修策略：例行巡視、延長巡視、計劃檢修和延長檢修。這樣就可以更好更合理地進行充電樁的檢修工作。

3 結(jié)束語

本文對于電動汽車充電樁檢測評價系統(tǒng)進行了分析和設計，描述了該系統(tǒng)的基本框架和基本功能，并且簡單地介紹了充電樁檢修策略的制定過程，為充電樁的維護工作提供了重要的信息，使得維護工作更加合理有效。文本的不足在于并沒有詳細介紹如何實現(xiàn)每一個功能，后續(xù)會完善相關功能分析和詳細設計。本文所介紹的充電樁檢修策略制定過程可以很好的指導充電樁檢修工作，提高運維人員的工作效率和充電樁的使用率。