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1、智慧充电桩物联网技术白皮书国家提出“新基建”以来,充电基础设施产业跃入人们的视线成为热门话题。充电基础设施作为充电网、车联网、能源网和物联网的连接器,不仅仅连接了充电网络和电动汽车,打通了物理世界与数字世界,还强力推动着交通变革和能源变革。随着海量资本、前沿技术纷纷涌入,充电基础设施在保持快速增长的同时也正在进入变革期,将重构产业的生态场景,一方面,它迎来空前繁荣、焕发出新的生机;另一方面,也面临着前所未有的市场竞争和淘汰。我们有理由相信,万亿级充电基础设施产业正迎来发展的黄金时代。现阶段,在实践中暴露出来的电动汽车充电基础设施发展所面临的挑战和瓶颈主要集中在充电桩运维低效、充电安全保障不到位
2、、用户体验亟需提升和桩网协同方式不完善共四个方面。我们需要找到经济、可靠和绿色的创新模式,破局增长之困。为此,南网电动和华为以智慧物联网技术为载体,采用“云、管、边、端”的整体系统架构建设充电基础设施体系,通过“测、传、管、控”四类方法形成信息采集、边缘处理、云端一体化价值判断和挖掘体系,以智慧为能源流保驾护航,促进充电基础设施与海量智能体全息链接,汇聚无界数字生态。本白皮书由南网电动和华为共同编制,融入两家智慧能源、物联网、先进信息通讯和能源系统架构设计等方面的技术,描绘充电基础设施基于数字引擎强大的连接和云计算能力,结合“四网融合”应用场景的战略思考。以物联网为载体,聚合充电网、车联网和能
3、源网推动产业链数字化进程,更绿色地满足多元化的用户需求,支撑可再生能源与多元化储能协同发展,重塑数字时代电网新业态。在新基建的能源绿色产业链风口尖端,我们希望以智慧充电桩物联网为载体,以四网融合为根基,以建设智慧能源、智慧交通、智慧生活、智慧城市为目标,打造卓越的电动汽车服务运营商、电动汽车产业价值链整合商、绿色能源生态服务商。本白皮书是南网电动与华为的一次创新实践,是一份思考的分享,如有不完善、不全面之处,恳请各位同行批评指正,也期待有更多的生态伙伴与我们一起携手,合力驱动美好未来。序南方电网电动汽车服务有限公司华为技术有限公司南方电网电动汽车服务有限公司:邹大中 陈浩舟 李 勋 葛 静 李
4、蓝特华为技术有限公司:杨晨声 李 宇 黄 伟 刘凯明 张皓翔 邹育泉 柳巧平 参编人员著作单位南方电网电动汽车服务有限公司董事长1.1 电动汽车及充电基础设施发展历程1.1.1 全球电动汽车发展简介1.1.2 国内充电基础设施发展现状1.2 新基建赋予充电基础设施建设新内涵1.2.1 新基建充电桩是以信息化为基础的新型基础设施1.2.2 充电运营商加大新基建充电桩投资与建设1.3 当前电动汽车充电所面临的主要挑战2.1 智慧充电代际划分2.2 智慧充电功能描述2.2.1 L1电气化阶段功能描述2.2.2 L2数字化阶段功能描述2.2.3 L3智能化阶段功能描述2.2.4 L4自动驾驶阶段功能描
5、述2.3 智慧充电典型应用场景2.3.1 公变台区小区停车场智慧充电场景2.3.2 企业园区停车场智慧充电场景2.3.3 专变台区公共停车场智慧充电场景2.3.4 高速公路服务区智慧充电场景0303040505060881.新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战02.智慧充电功能描述和应用场景目 Contents录3.1 智慧充电桩物联网方案架构3.2 边缘计算技术3.2.1 定义与价值3.2.2 容器技术架构3.3 物联网联接技术3.3.1 5G超宽通信3.3.2 HPLC宽带电力线载波通信3.3.3 Wi-Fi 6无线接入3.4 物联网平台3.5 物
6、联网安全3.6 AI人工智能272828293034.1 南网电动深圳民乐P+R充电场站应用案例4.1.1 项目背景及需求4.1.2 智能充电场站方案设计4.1.3 客户价值4.2 南网电动深圳碧新路充电场站应用案例4.2.1 项目背景及需求4.2.2 智能有序充电方案设计4.2.3 客户价值05.总结与未来展望06.术语&缩略语07.参考文献04.智慧充电桩物联网应用案例03.智慧充电桩物联网方案架构和关键技术4040404142424243当今世界,化石能源日益短缺,环境污染日益加重,气候变化日益突出,绿色可再生能源的高效利用已经成为人类社会可持续发展的关键。电能作为
7、优质、高效、可再生的绿色能源,能够满足社会绝大多数的能源需求,电能替代已经成为能源发展的主要方向。新能源电动汽车作为清洁、节能的新型交通工具,可实现传统化石能源的电能替代,已成为了世界各国现代交通发展的共同选择。电动汽车充电桩为电动汽车提供充电服务,充电桩的部署规模和速度已经成为影响电动汽车发展的主要因素。01新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战02电动汽车发展至今,已经有近200年的历史,比现在最为流行的内燃机汽车早出现半个世纪。早在1828年,匈牙利发明家Anyos Jedlik发明了世界上第一台带有电磁转换的换向旋转机电机。随后在1834年,美国的Thomas Davenport发明了世界
8、第一台由直流电机驱动的电动汽车。1859年法国人Gaston Plante发明了铅酸电池,从此电动汽车可以蓄电。1881年,法国发明家Gustave Trouve制造了由一台电动机和六节铅酸蓄电池组成动力装置的电动三轮车,这辆电动汽车在巴黎举行的国际电器展览会上展出时,引起了不小的轰动。由于电动汽车相比内燃机汽车具有噪声低、免换挡和价格低廉等优势,电动汽车在19世纪下半叶、20世纪初在欧美得到了一定的推广。但是自1920年开始,由于石油大规模开发和内燃机技术进步等因素影响,电动汽车速度和里程有限,逐渐失去市场优势,其发展进入停滞期。20世纪末到21世纪初,为保护环境,保障能源安全和经济的可持续
9、发展,清洁高效的电动汽车重新受到了关注,大力发展以电动汽车为代表的新能源汽车,实现交通系统的电气化和信息化,已经成为世界各国的共识。近十年来,各国政府纷纷出台一系列政策和计划,推动电动汽车的发展。2008年,奥巴马提出“汽车替代”计划,并后续通过一系列新能源汽车扶持法案,大力推动美国电动汽车的发展。2009年,德国提出“国家电动汽车发展计划”,以加强德国电动汽车的研究、发展和市场推广;同年,法国公布了旨在发展纯电动汽车和插电式混合动力汽车的“一揽子计划”,目标是在2020年前生产200万辆清洁能源汽车。2010年,日本公布“新一代汽车战略2010”,以国家形式设定了“新一代汽车”的发展目标,预
10、计在2020年电动汽车总保有量达到1350万辆,电动汽车占新车销量比例达50%。中国作为能源消费大国,传统汽车燃油的巨大消耗将危及中国能源安全,并对城市环境造成严重的污染。大力发展以电动汽车为代表的新能源汽车,已经上升到中国的国家战略层面,发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。早在2012年,中国政府发布节能与新能源汽车产业发展规划(2012年-2020年),提出到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆,累计产销量超过500万辆。近年来,为加速新能源电动汽车的普及,国务院和各部委等先后出台一系列支持电动汽车技术和产业发展的相关政策。2019年12月,工信
11、部发布新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)征求意见稿,指出到2025年,新能源汽车销量占当年汽车总销量的20%;到2030年,新能源汽车形成市场竞争优势,销量占当年汽车总销量的 40%,有条件自动驾驶智能网联汽车销量占比70%。2020年4月,发改委、财政部、工信部、科技部联合发布关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知,明确将新能源汽车推广应用财政补贴政策实施期限延长至2022年底。1.1.1 全球电动汽车发展简介1.1电动汽车及充电基础设施发展历程03新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战充电基础设施是指为电动汽车提供电能补给的各类充换电设施,是新型的城市基础设施。国内电动汽车的
12、能源供给方式主要以充电桩充电为主,大力推进、适当超前建设充电桩、充电场站等充电基础设施,有利于解决电动汽车充电难题,是发展新能源汽车产业的重要保障。中国政府高度重视电动汽车充电基础设施的建设。2015年9月,国务院办公厅出台关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见指出,原则上新建住宅配建停车位应100%建设充电设施或预留建设安装条件,大型公共建筑物配建停车场、社会公共停车场建设充电设施或预留建设安装条件的车位比例不低于10%,每2000辆电动汽车至少配套建设一座公共充电站。到2020年,基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系,满足超过500万辆电动汽车的充电需求。2015年1
13、0月,国家发改委发布电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年),提出到2020年,新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个,规划车桩比基本达到11,以满足全国500万辆电动汽车充电需求。根据中国充电联盟的2019-2020年度中国充电基础设施发展报告,截止到2019年12月,我国电动汽车保有量达到381万辆,充电桩保有量为121.9万台,车桩比约为31,我国电动汽车和充电基础设施的发展落后于规划,仍需加快电动汽车的推广和充电桩的部署。1.1.2 国内充电基础设施发展现状图1-1 2015年2019年中国电动汽车及充电桩保有量0.99120.4
14、.677.7121.92002503003504004502015年2016年2017年2018年2019年电动汽车保有量(万辆)充电桩保有量(万台)04新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战信息基础设施融合基础设施信息基础设施主要是指基于新一代信息技术演化生成的基础设施,比如,以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施,以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施,以大数据、数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等。融合基础设施主要是指在信息基础设施基础上,深度应用5G、物联网、大数据、人工智能等技术,支撑传统基础设施转型升级,进而形成的融合基
15、础设施,比如智慧充电、智能交通、智能电网、智慧城市等。2020年,全球爆发新冠疫情,随着国内疫情逐步得到控制,如何对冲疫情对经济的影响,如何实现经济的稳定增长,已然成为了社会关注的首要问题。目前,从政府到企业,从专家到媒体,纷纷对以5G(Fifth Generation,第五代移动通信技术)基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等为代表的新型基础设施建设(以下简称“新基建”)寄予厚望。新能源电动汽车充电桩作为新基建的重要建设内容,借助新基建带来的机遇,将有望实现快速增长。其实,早在2018年12月,中央经济工作会议就首次提出“新型基础设
16、施”概念,提出加快5G商用步伐,加强人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设。疫情发生以来,中央、国务院等多次会议中提出加强新型基础设施建设,在当前疫情防控形势持续向好、生产生活秩序加快恢复的形势下,加快新型基础设施建设,有利于推动经济社会发展步入正常轨道。2020年3月,中央政治局明确要求加快新型基础设施建设进度。随后国务院常务会议也要求“部署加快推进信息网络”等新型基础设施建设,在2020年5月,国务院政府工作报告指出重点支持既促消费惠民生又调结构增后劲的“两新一重”建设,加强新型基础设施建设,发展新一代信息网络,建设充电桩,推广新能源汽车,激发新消费需求、助力产业升级。历史上水利、
17、公路、铁路、电力等均在不同阶段轮番支撑着全球经济发展、人类社会进步,可称之为传统基础设施建设。当前,人类社会加速由工业经济时代向数字经济时代转变,以5G、云计算、人工智能、物联网、区块链等为代表的新一代信息技术为新一轮经济发展提供了高经济性、高可用性、高可靠性的技术底座,可以称之为数字新型基础设施建设(以下简称“数字新基建”)。“数字新基建”不同于传统基础设施建设,其科技性、创新性和赋能性更强,是经济社会迈向数字化转型的必要根基。数字新基建主要包括三个方面的内容:1.2.1 新基建充电桩是以信息化为基础的新型基础设施1.2新基建赋予充电基础设施建设新内涵05新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战创
18、新基础设施创新基础设施主要是指支撑科学研究、技术开发、产品研制的具有公益属性的基础设施,比如科教基础设施、产业技术创新基础设施、基础理论、新型材料研究、新型制造工艺等。电动汽车充电运营商主导充电基础设施的投资、建设和运营,并通过充电运营平台向电动汽车用户提供导航、充电、计费等服务,是充电桩产业链的核心环节。电动汽车充电桩作为智能电网的重要组成部分,也得到了电力企业的高度重视。南方电网电动汽车服务有限公司(以下简称“南网电动”)是中国南方电网有限责任公司(以下简称“南方电网”)旗下专业从事电动汽车产业服务的企业,业务范围涵盖电动汽车服务全产业链,以能源服务为核心,以充电服务为基础,以服务出行为导
19、向,搭建产业链生态平台,以建设“智慧能源、智慧交通、智慧生活、智慧城市”为目标,开展“技术、服务、商业模式”创新,坚持以客户为中心,提供“最安全、最便捷、最优惠”的服务,打造卓越的电动汽车服务运营商、电动汽车产业价值链整合商和绿色能源生态服务商。1.2.2 充电运营商加大新基建充电桩投资与建设因此,在数字新基建下,电动汽车充电桩有了新的内涵,新基建充电桩是以5G、AI(Artificial Intelligence,人工智能)、物联网、云计算、大数据等信息化技术为基础,具备数字化、智能化等特征的新型充电基础设施。在数字新基建的浪潮推动下,将形成超万亿级的充电基础设施建设市场。06以信息化技术为
20、基础的新型基础设施电动汽车充电桩特高压城际高铁AI5G云计算大数据物联网信息基础设施图1-2 新基建充电桩是以信息化为基础的新型基础设施新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战图1-3 南网电动20202025年阶段发展目标图1-4 南方电网未来4年充电基础设施投资与建设规模2019年底,南方电网印发实施南方电网公司关于进一步加快电动汽车充电服务业务发展的意见,明确了南网电动的战略定位、发展目标、业务布局以及管理体制机制等,并编制了20202025年充电基础设施投资建设规划。同时,南方电网也强调把推动新基建与“十四五”规划紧密结合起来,加快充电桩的规划与建设。南方电网计划在未来4年投资251亿元建设
21、充电设施,将建成大规模集中充电站150座、充电桩38万个,有效带动电网建设、元器件及设备制造、运营运维、整车销售与售后服务等相关产业投资2000亿元。南网电动作为南方电网专业从事电动汽车产业服务的企业,将承接南方电网充电设施规模建设和运营的任务,并对南方电网五省的电动汽车充电资源进行整合。07新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战立足南方,加快布局,统一电动汽车充电服务平台第一阶段(2021年底)第二阶段(2023年底)第三阶段(2025年底)规模复制,加速拓展,成为国内领先的电动汽车服务产业链整合商稳健发展,创新服务,成为业绩卓越的电动汽车服务产业生态圈领导者251亿 投资38万 充电桩150座
22、 充电站1.3当前电动汽车充电所面临的主要挑战“里程焦虑”、“充电焦虑”、“电池焦虑”、“安全焦虑”是阻碍新能源电动汽车发展的主要障碍,而这些问题都与充电基础设施息息相关,充电桩及充电场站的部署规模和速度已经成为影响电动汽车发展的主要因素。近十年来,电动汽车充电基础设施发展所面临的挑战主要集中在四个方面:充电桩运维、充电安全、用户体验和桩网协同。充电桩的利用率低下很大一部分原因是因为充电桩离线率高的问题。充电模块失效、通信可靠性差、平台运行异常都会导致充电桩离线。目前,充电运营商普遍采用人工运维方式,缺乏远程故障定位手段,需要频繁上站、现场勘查,难以及时处理充电桩离线故障,极大地影响了充电桩的
23、利用率和电动汽车用户的满意度。此外,充电桩分布范围广、数量大,现阶段设备故障、软件升级、通讯配置、设备重启都需要有经验的专业人员上站维护。08图1-5 2019年我国充电量TOP10地区充电桩利用率新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战9.8%5.6%3.0%4.1%2.8%1.6%1.8%3.2%5.2%70,00060,00050,00040,00030,00020,00010,000-12%10%8%6%4%2%0%1.5%广东江苏北京上海山东浙江湖北福建陕西四川充电桩数量(台)利用率目前,充电服务费依旧是充电运营商收入的主要来源和渠道,充电基础设施的利用率是充电运营商收益的保障。根据申港证
24、券电气设备行业深度报告,2019年我国充电桩利用率普遍较低,除了陕西、四川、广东可以达到5%以上的利用率,其余地区利用率基本在4%以下。充电桩运维:充电桩离线率高,人工运维效率低09新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战电动汽车的安全问题是涉及汽车生产设计、交通出行、电池、充电等多个领域的综合性问题。根据2020年电动汽车百人会发布的电动汽车安全报告不完全统计,在2011年至2016年的49例全球电动汽车典型安全事件中,充电事故为7例,占比14%,仅次于汽车自燃事故。近年来,电动汽车充电事故也时有发生,如2020年5月8日,东莞塘厦镇一辆电动汽车在充电时突然自燃,最终导致四台车被烧毁,其中三台车被
25、烧成空壳。因此,充电安全问题需要高度重视。在充电过程中或充满电后静置状态,由于电池管理系统(BMS,Battery Management System)充电管理问题导致过充起火是电动汽车充电安全事故的主要原因。如果充电运营商缺乏智能化、主动化的管理能力,充电安全问题不能被及时发现、及时处置,导致汽车着火将会扩大损失,且车桩之间的责任很难界定引发更大纠纷。另一方面,随着电动汽车的智能化和网联化发展,汽车充电信息安全问题逐渐显露。首先是充电运营系统安全,充电时充电基础设施及BMS存在被外界控制的风险。黑客可以利用汽车系统的漏洞及对车辆相关环境设施的控制对车辆和充电基础设施进行攻击。其次是用户信息安
26、全,黑客可以攻击充电运营系统,或通过与总线通讯交换车辆数据,获取电动汽车用户信息。目前充电基础设施在相关的技术标准、建设规范等方面已经非常成熟,充电安全的重点在于充电基础设施的管理,充电运营商应建立可管可控的实时监测系统,并提升运营系统和用户信息的安全防御手段,以保障充电安全。充电安全:充电安全事故时有发生,无有效监测和预防手段据中国充电联盟统计,我国充电设施保有量超过1万台的运营商有8家,而区域中小运营商多达数千家,其中大部分中小运营商不具备自建信息平台的能力,主要委托其他主流运营商托管运营。不同运营平台用户界面、操作方式、支付方式各不相同,给电动汽车用户的使用造成不便。平台之间的互联互通是
27、为电动汽车用户提供便利服务,增强充电体验服务的重要基础。此外,还有诸多问题也影响电动汽车用户充电体验,比如燃油车霸占电动汽车充电车位、电动汽车充电充满之后长时间占位充电车位、预约充电车位被占用、充电休息区无Wi-Fi上网等。艾瑞咨询在中国公共充电桩行业研究报告中,对全国1034位电动汽车用户进行调研,28.3%的用户遇到过燃油车霸占充电车位的问题,59.1%的用户希望能够增加公共休息区等配套服务。用户体验:无统一平台,操作复杂,燃油车占位等问题突出10新基建下电动汽车充电发展趋势及挑战电动汽车用户用车行为和充电时间与空间分布的不确定性,使得电动汽车充电负荷具有较大的随机性,这种无序充电的行为将
28、加大电网调度控制的难度,对电力系统的运行和规划造成了不可忽视的影响。此外,除了电网接入问题,充电基础设施的建设还涉及用户侧电力设施、道路管线等改造,也会同时增加充电基础设施的建设难度。例如,针对居民小区场景,电网的用电高峰时刻往往是在晚上810点,而此时间段也正是电动汽车充电的高峰期之一,如果此时不对汽车充电行为进行引导,将会出现“峰上加峰”的危险,将导致变压器过载,甚至威胁电网的安全稳定运行。另一方面,由于变压器投资成本高、配网线路改造周期长等原因,也难以满足电动汽车充电需求,在短期内对所有小区配网进行增容改造。因此,在电网容量有限的情况下,如何根据变压器的负荷,有效地引导、控制电动汽车进行
29、有序充电,如何平衡电动汽车充电和正常生产生活用电之间的负荷,已成为充电桩规模部署需要解决的关键问题。桩网协同:无序充电限制充电桩规模接入电网智慧充电技术融合边缘计算、物联网、人工智能等ICT技术,支撑充电基础设施由电气化向数字化、智能化、自动驾驶逐步迭代演进,满足充电场站智能化管理需求,实现充电设施与能源系统灵活互动,保障充电过程与信息系统安全,提升充电用户体验。02智慧充电功能描述和应用场景112015年国务院办公厅关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见和电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)两个重要文件的发布,以及电动汽车充电接口及通信协议等5项国家标准的发布,推动电动汽车
30、充电市场蓬勃发展,充电桩建设进入“跑马圈地”阶段。随着云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术与电动汽车充电、能源交易和平衡的深度融合,电动汽车充电基础设施向着绿色、无线、智能、自动驾驶逐步演进。根据新技术与充电基础设施的融合、应用情况,从技术发展的角度将智慧充电分成四个代际:L1电气化、L2数字化、L3智能化、L4自动驾驶,并从运维、安全、支付体验、桩网协同四个维度介绍每个代际,如图2-1所示,以便于电动汽车充电基础设施运营商评估、规划未来技术发展方向和路径。2.1智慧充电代际划分12智慧充电功能描述和应用场景图2-1 智慧充电代际划分本地管理桩网协同支付体验运维智能排障远程监控智能评估安全
31、价格引导智能预警电气安全故障研判主动防御有序充电双向互动全网互动车桩交易无感支付刷卡充值L4-自动驾驶L3-智能化L1-电气化L2-数字化电子支付智慧充电L1-L4代际从运维、安全、支付体验、桩网协同四个维度,按照电气化、数字化、智能化、自动驾驶四个层级分级,下面将重点介绍智慧充电L2数字化和L3智能化阶段的功能设计。2.2智慧充电功能描述当前国内主流平台通过云计算、大数据、物联网等技术,已初步实现了业务上云、互联互通、刷卡支付等L1电气化功能,TOP级平台已逐步向L2数字化演进。随着5G提供大带宽低时延网络,云端和边缘侧AI算力不断提升,算法逐步丰富以及区块链等新技术的发展,将逐步引领电动汽
32、车充电基础设施向智慧充电L3智能化发展。智慧充电L1电气化阶段主要为满足电动汽车发展和普及初期的充电需求,实现可充电、可支付,并满足基本的保障车辆和人员安全需求等基础功能。由于充电桩是联网设备,因此该阶段存在充电桩离线率高、远程运维管理能力不足、配电容量不足等问题。2.2.1 L1电气化阶段功能描述13表2-1 智慧充电代际描述智慧充电代际运维安全支付体验桩网协同L1电气化L2数字化L3智能化L4自动驾驶本地管理:人工巡检、上站运维智能评估:充电桩健康度评估、主动告警电气安全:故障跳闸、车桩通信异常检测故障研判:基于图像数据进行AI智能识别刷卡充值:预先充值、刷卡支付远程监控:实现配电房、充电
33、桩、充电场站的远程监控、管理和升级主动防御:通过大数据对比保障充电安全,通过网安联动保障数据与支付安全电子支付:扫码支付无感支付:插枪即充,自动结算智能排障:故障预判、智能定位、自动恢复智能预警:故障建模智能预警,信息安全智能感知,AI主动防御车桩交易:数字货币支付,车桩直接交易,可离线支付价格引导:通过价格机制引导错峰充电有序充电:台区(指一台变压器的供电范围或区域)负荷实时监控,充电负荷灵活调整双向互动:根据充电量、充电功率、时间段、电价等,进行智能编排充电,提供差异化服务全网互动:参与电网交易,削峰填谷,双向充放电,实现V2G(Vehicle-to-grid,车辆到电网)协同智慧充电功能
34、描述和应用场景智慧充电L2数字化阶段,从运维、安全、支付体验、桩网协同维度来讲,对应的特征分别为远程监控、主动防御、电子支付、有序充电,下面将进行逐一介绍。2.2.2 L2数字化阶段功能描述远程监控远程监控功能实现配电房(含分布式光伏/储能系统)、充电桩、充电场站的远程监控、管理和升级。它主要依赖统一的物联网平台和边缘计算容器技术实现。物联网平台的数据接入功能实现多种数据的统一接入、按需存储、灵活分发;物联网平台的管理功能,通过与采用容器技术的智能边缘计算物联网关、充电桩智能控制器,实现边缘侧设备的集中管理、远程升级。由于采用了容器技术,实现智能边缘计算物联网关和充电桩智能控制器中的相关应用与
35、底层操作系统解耦,管理平台能够在智能边缘计算物联网关或充电桩智能控制器应用程序死机的情况下,直接对接设备操作系统管理接口,因此保障了管理通道能够常在线,软件故障可以通过远程重启、升级进行恢复。主动防御基于数据实现充电安全和数据本身的信息安全,是智慧充电演进到数字化阶段后必须考虑的两个安全方面。充电安全随着充电桩智能控制器计算、存储能力的提升,利用边缘计算技术,在充电桩智能控制器内,部署一个充电安全管理的辅助应用,实时采集充电过程中的数据,将本地采集数据、BMS传输的车辆侧数据进行实时比对,实现数据异常时快速响应,并发出告警,保障充电安全。14智慧充电功能描述和应用场景图2-2 远程监控多维度管
36、理告警状态性能拓扑视频可视化管理平台移动巡检平台高速公路服务区专变台区公共停车场公变台区小区停车场企业园区停车场电子支付电子支付指的是通过在充电桩智能控制器中开发应用,在充电桩控制屏上实时显示支付二维码,借助通信网络与充电运营平台进行缴费鉴权操作,从而实现灵活的充电支付功能。随着电子支付技术的普及,传统的下载APP(Application,应用)、充值、刷卡等支付方式已不能满足当前充电用户便捷、安全支付需求。通过与银行或第三方支付平台结合,实现充电桩扫码支付成为主流。但目前充电桩控制屏幕显示效果不佳,部分用户手机操作支付软件不熟练,支付流程依赖通信网络可靠性等因素,影响了电子支付的用户体验。有
37、序充电有序充电是指针对充电桩大规模接入电网,通过在充电运营平台和配电台区边缘侧部署有序充电控制软件,对时变性强、功率大的充电桩负荷进行有效引导和控制,避免充电负荷冲击电网。有序充电按应用场景分为公变台区有序充电和专变台区有序充电。公变台区有序充电公变台区有序充电主要解决小区充电桩建设中配电容量不足,以及避免充电负荷与居民用电负荷高峰期双峰叠加的问题。智慧充电桩物联网采用在台区侧部署智能边缘计算物联网关,在智能边缘计算物联网关的容器中部署一个有序充电应用,并通过Wi-Fi+HPLC(High-speed Power Line Communication,宽带电力线载波通信)网络与台区下充电桩、台
38、区总表进行通信,实时监测台区负荷情况。当台区总负荷接近台区容量时,启动有序充电控制功能,降低充电桩输出功率或拒绝新接入充电桩启动充电。另外,通过充电运营平台,可提供充电预约功能,在台区用电负荷下降后自动启动充电,提高充电用户体验。专变台区有序充电专变台区配电容量投资大,其有序充电功能主要提升专变台区容量利用效率。同时,在场站充电桩升级时,减少配电系统升级频次,节省投资。专变台区有序充电同样采用在台区侧部署智能边缘计算物联网关,通过智能边缘计算物联网关与充电桩智能控制器的通信和协同来实现有序充电的目标。但专变台区有序充电可部署多种有序充电控制策略。例如,利用有序充电实现先到先得、锁定部分充电功率
39、保障VIP(Very Important Person,重要客户)客户充电、充电功率智能均分等功能;同时利用智能边缘计算物联网关之间的协同,以及与充电场站停车导引系统进行互联互通,可以有序引导充电场站内多个变压器的负载均衡。智慧充电功能描述和应用场景15信息安全充电桩作为一个具有控制、交易功能的信息终端,易受到信息安全攻击。信息安全利用可信根、认证、加密等安全措施保障充电和支付过程可靠可信。充电桩作为物联终端具有低功耗、低成本、长寿命、可物理接触等特点,智慧充电信息安全功能主要针对这些特点从网络通信、应用服务、控制台接入访问控制、本地总线通信等威胁和攻击平面进行综合设计。智慧充电物联网基于可信
40、根、微应用化可信计算基、针对威胁应用多重缓解的纵深防御、软硬件物理或逻辑隔离、基于证书的认证、安全更新机制、基于云的故障分析系统报告等七个方面进行安全加固,满足充电网络信息安全需求。智能评估智能评估通过对充电场站内多个系统的数据采集和数据融合,构建充电桩健康度评估、充电场站评估模型,对充电桩和充电场站的运维管理进行主动分析、发现异常、主动告警。例如,充电桩健康度评估通过在充电桩智能控制器的容器中部署充电桩健康度评估应用,利用边缘计算和物联技术,实时采集充电桩内部各种传感器、模块的数据,利用边缘侧AI技术提供的算力和推理分析能力,对充电桩健康度进行评估,实现充电桩运维管理智能化。同时,充电桩健康
41、度评估模型,还可通过云端的AI算力进行训练,并下载到智能边缘计算物联网关上运行,不断提高充电桩健康度评估的准确性。如表2-2所示,充电桩健康度评估主要包含以下四大类二十个子项,并可根据客户需要灵活扩展。智慧充电功能描述和应用场景智慧充电L3智能化阶段,从运维、安全、支付体验、桩网协同维度来讲,对应的特征分别为智能评估、故障研判、无感支付、双向互动,下面将进行逐一介绍。2.2.3 L3智能化阶段功能描述16图2-3 有序充电采集充电桩负荷对比变压器负荷获取当前充电策略有序控制汽车充电充电桩1充电桩2充电桩N台区总表企业/居民变压器智能边缘计算物联网关智慧充电功能描述和应用场景故障研判充电桩故障研
42、判功能主要包括故障前的安全分析推理、故障后的安全智能识别,这两项功能分别基于AI的数据推理和图像识别技术实现。安全分析推理利用云上AI算力和历史充电大数据,构建不同车型、不同电池的充电数据故障分析模型,并利用数据持续训练提高模型准确度。首先,需要将故障分析算法下载到智能边缘计算物联网关或充电桩智能控制器;接着,充电启动后,智能边缘计算物联网关或充电桩智能控制器使用5G大带宽,实时下载用户历史充电负荷曲线;然后,利用边缘侧AI算力与故障分析算法进行推理分析,对充电过程中的异常故障作出预判,及时告警。17表2-2 充电桩健康度评估项充电模块健康度充电桩组件及环境健康度充电桩信息安全健康度充电桩智能
43、控制单元健康度充电模块输入过电压/低电压告警充电模块输出过电流充电模块内部温度过高充电模块PFC故障告警CAN总线通信质量差充电桩过滤网清洗提醒充电桩内部温度异常充电桩计量误差大充电桩转换效率下降充电桩待机功耗过大智能控制单元可信根扫描智能控制单元通信加密扫描智能控制单元服务和漏洞扫描智能控制单元恶意代码注入扫描智能控制单元密码强度扫描智能控制单元软件版本更新扫描智能控制单元CPU/内存/Flash利用率智能控制单元板上温度过高智能控制单元启动异常智能控制单元接口电路图2-4 充电桩健康度评估示意图充电桩健康度扫描75分80%充电模块扫描充电桩组件扫描充电桩信息安全扫描充电控制/计费单元扫描正
44、在扫描立即处理稍后处理完成已发现异常信息:5查看异常信息完成安全健康度智慧充电功能描述和应用场景智慧充电L4自动驾驶阶段主要面向建设“智慧能源、智慧交通、智慧城市”的目标,支撑充电基础设施和电动汽车由智能化向无人驾驶阶段发展演进。在这一阶段将实现AI技术的大规模应用,实现充电网与能源网的深度融合,实现充电设施运营的无人化,实现充电安全风险的智能预测。其主要功能包括:2.2.4 L4自动驾驶阶段功能描述安全智能识别通过云上AI算力和图像识别算法,建立充电桩起火、充电桩异常损伤模型,持续训练提升识别准确度。将相应算法下载到智能边缘计算物联网关,智能边缘计算物联网关AI算力实时采集分析充电场站摄像头
45、数据。当充电桩损坏或充电过程发生冒烟、起火等险情时,利用图像识别功能快速识别故障,并通过智能边缘计算物联网联动控制充电桩,快速切断故障,自动告警。无感支付利用边缘侧AI和边缘计算技术,通过车牌识别或智能控制器读取车辆VIN(Vehicle Identification Num-ber,车辆识别码),结合智能边缘计算物联网关或充电桩智能控制器上内置的安全加密模块,与充电运营平台以及银联等金融机构进行安全可靠计算,从而实现无需扫码和刷卡,插枪即可充电的功能。无感支付大大简化了充电用户的操作流程,实现了插枪即可充电,同时又保障了充电缴费过程中的数据安全,提升了充电用户体验。双向互动双向互动是在台区有
46、序充电的基础上,实时采集数据,利用边缘AI算力进行电动汽车充电趋势和配电网用电负荷趋势的负荷预测,开发基于多维度多策略响应充电功率控制算法,并结合充电运营平台与用户进行的双向互动智能编排,为充电用户提供智能化的充电服务功能。用户选择相应的功能后,充电服务商将为用户提供最短充电时间、最优充电费用、个性化定制充电策略等多种服务套餐。双向互动功能不仅仅实现了车主与充电运营平台的双向互动,同时也实现了充电桩与电网的双向互动,能够根据电网负荷情况,智能协调充电时间段,优化充电负荷大规模接入对电网带来的冲击,提升用户充电体验。18利用AI实现故障快速定位定界,通过模块化、智能化,软件定义充电桩功能的设计理
47、念,实现90%以上的故障能够远程处理、自动恢复。通过大规模应用AI技术,实现充电桩故障建模、智能预警,信息安全智能感知,AI主动防御。面向未来的自动驾驶需求,车与充电基础设施将实现无线充电,并通过物与物数字货币直接交易,即使车与充电基础设施离线状态下,也能完成支付并充电。充电将无需人的参与。电动汽车充电基础设施作为车联网和能源网实现能源、信息、业务的双向流动。通过V2G的不断演进,将在实现能源的灵活交易,促进清洁能源消纳,提升电网运行稳定性等方面发挥重要作用。智能排障智能预警车桩交易全网互动智慧充电功能描述和应用场景场景和需求描述智慧充电方案设计2.3智慧充电典型应用场景运维与安全设计 1.小
48、区充电桩均采用无人值守的模式运营,采用远程监控功能,实现对充电桩、充电场站、供配电系统的公变台区小区停车场智慧充电场景,适用于居民小区等慢充需求强烈、集中车位较多的场合。居民小区类充电需求主要特点为夜间集中充电,尤其表现为小区居民下班回家后开始充电,早晨上班前车辆充满电即可,大多采用交流慢充桩为主的充电方式。智慧充电有四大典型应用场景,包含公变台区小区停车场、企业园区停车场、专变台区公共停车场和高速公路服务区的智慧充电,下面将对各个场景的需求和充电方案设计进行详细介绍。2.3.1 公变台区小区停车场智慧充电场景19图2-5 公变台区小区停车场智慧充电场景无感支付扫码充电远程管理远程控制可靠连接
49、有序充电智慧充电功能描述和应用场景场景和需求描述通信网络设计1.小区充电桩涉及地上地下车库,尤其是改造项目现场布线困难。采用Wi-Fi 6+HPLC为充电桩提供可靠连接、免部署通信线,同时Wi-Fi 6的MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,多用户多进多出)和OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址接入)技术为充电桩接入提供大带宽低时延,能有效提升充电扫码速度,实现充电终端的高密接入,并能为充电桩未来业务扩展预留足够带宽。利用HPLC技术沿电力线通信的特性,
50、可将智能边缘计算物联网关拉远,将智能边缘计算物联网关灵活部署在地面等公网稳定覆盖区域,从而大大提升充电桩在线率,改善充电用户体验。2.当前小区充电桩已基本实现了智能找桩、扫码充电等功能。部分地下停车场站,由于公网信号差等原因造成用户充电体验差,可结合Wi-Fi 6的多SSID(Service Set Identifier,服务集标识)功能,在实现充电桩接入的同时,提供一个独立的接入SSID为充电用户扫码充电提供服务。为避免蹭网行为,可利用充电APP内置数字证书认证,实现网络接入认证管理,并通过数据流识别,屏蔽非充电APP的数据访问网络。应用与服务设计1.小区停车场充电桩与居民用电共台区部署,公
51、变台区配电变压器容量有限增容改造难。通过有序充电控制功能,实时监测台区总表和各充电桩数据,用电高峰期利用边缘计算实时控制充电功率,并支持插枪排队、预约充电功能,保障台区负荷不过载,居民生活不停电。2.小区停车场通常采用交流慢充桩为主配置,用户充电时间跨度长。采用双向互动功能,通过充电运营平台开发出多种充电套餐,如最低费用、最短时间、个性化定制等,为用户提供个性化服务,合理引导用户充电时间段,支持电网削峰填谷。企业园区停车场智慧充电场景,适用于企业、事业单位等自有公用车位的充电场合。该类场合的充电特点是,白天上班时交流慢充,基本可以满足大部分车辆的充电需求;同时,配置少量直流充电桩终端,用于紧急
52、情况下的快充补电,以满足用户的不同充电需求。2.3.2 企业园区停车场智慧充电场景20远程监控,主动识别充电桩故障、偷漏电、计量偏差大等问题。同时,充电桩支持远程升级,能大幅降低充电场站上站运维压力。2.采用基于容器技术的智能边缘计算物联网关或智能控制器,可内置物联网平台SDK(Software Development Kit,软件开发工具包),通过与物联网平台统一的物模型,充电桩上电即可主动向云端物联网平台注册,无需配置协议和信息量表。采用MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)协议上行通信,支持不同级别的QoS(Quality o
53、f Service,服务质量)报文,支持终端自描述,实现充电桩免调试即插即用,缩短充电桩建设过程中的现场调试时间,实现业务快速上线。智慧充电功能描述和应用场景运维与安全设计1.企业园区充电桩运维主要依赖物业管理人员,人员少,专业化程度不高。采用远程监控功能,不仅能实现充电桩、停车场的远程监控,还能结合园区能源管理系统,实现统一管理,提升场站能源效率。对拥有分布式光伏、储能的企业园区,远程监控功能还能整合园区内光储充系统,实现园区微电网集中调度,降低园区配电容量需求,有效消纳新能源发电,节约企业用电成本。2.针对园区的少量直流快充桩,利用故障研判功能中的安全分析推理,实时分析充电桩采集的充电数据
54、和BMS系统传输的车辆侧充电数据,并利用云端存储的充电负荷数据进行比对,发现充电异常数据,自动告警。3.利用智能评估功能,在智能边缘计算物联网关或充电桩智能控制器容器中部署充电桩健康度评估APP,通过定期或远程召唤方式对充电桩相关设备的运行状态进行扫描,实时监测充电模块、充电桩内部各个组件、充电桩智能控制器、充电桩信息安全等异常信息,并支持故障远程恢复。4.园区充电场站部署有大量视频监控摄像头,通过对其进行改造,使其具备边缘AI功能,借助故障研判功能中的安全智能识别,对充电桩物理损坏、充电车辆冒烟、起火等故障,利用视频监控进行图像识别,快速发现定位故障,联动切断电源。21图2-6 企业园区停车
55、场智慧充电场景智慧充电方案设计无感支付充电桩健康度评估可靠连接有序充电安全智能识别远程监控安全分析推理光储充综合管理智慧充电功能描述和应用场景场景和需求描述通信网络设计园区停车场包含地上停车场和地下停车场两种场景,与公变台区小区停车场场景类似,可参照公变台区小区停车场场景的通信网络设计方案,采用Wi-Fi 6+HPLC免布线为充电桩提供可靠连接。应用与服务设计企业园区停车场充电桩,通常与办公或生产用电共台区部署。通过有序充电控制功能,实时监测台区总表和各充电桩数据。用电高峰期,利用边缘计算实时控制充电功率,并支持插枪排队、预约充电功能,保障台区负荷不过载,确保企业生产办公用电安全。专变台区公共
56、停车场智慧充电场景,是目前应用最广的一种充电场景,它以直流充电桩为主,一般配套部署少量交流充电桩。充电用户最大的诉求是快速找到可用桩,充电时间快,支付流程简单。另外,充电运营商的诉求是充电桩易运维、易管理、有序充电,能有效提升充电桩的在线率,部分场站无人值守,需要考虑解决油车占位的问题。2.3.3 专变台区公共停车场智慧充电场景22图2-7 专变台区公共停车场智慧充电场景无感支付扫码充电远程管理远程控制有序充电智慧充电功能描述和应用场景通信网络设计1.提升充电桩在线率,保障设施高可用性是充电运营商的重要诉求。充电桩智能控制器故障、公网通信中断是造成通信不稳定的主要因素。在专变充电场站采用Wi-
57、Fi 6+HPLC作为充电场站内接入网,并采用双网冗余的架构,Wi-Fi 6可提供10ms的低时延加快充电桩响应时间,提升用户体验。同时,Wi-Fi 6大带宽大连接,能够满足单个充电场站多台充电桩的可靠接入需求。2.在充电场站到充电运营平台的回传网络中,可以选择运营商5G网络和专线网络互为备份,双通道冗余自动倒换,能够有效提升回传网络的可靠性,保障充电桩高在线率。应用与服务设计1.专变台区公共停车场充电桩往往建设有独立的供配电系统,对充电桩、充电场站、供配电系统有统一管理远程监控需求。远程监控功能,可实现充电桩、充电场站、配电房的统一接入和远程管理,实时监控充电数据,及时发现场站内异常数据。例
58、如,充电场站能耗异常、充电桩待机功耗过大,充电桩转换效率下降等问题。对配置有分布式光伏、储能的充电场站,远程监控功能,能基于负荷预测有效调度储能资源,减少充电用户高峰期充电时间,提升用户体验。23运维与安全设计1.专变台区公共停车场充电站主要面向出租车、网约车、物流车或大巴车等用户,这些用户充电具有潮汐的特性,按供电容量配置充电桩,往往造成配电容量闲置。为最大限度利用专用变压器容量,采用有序充电功能,能够帮助充电场站在实现150%容量超装的前提下,变压器不过载。2.在专用变压器采用有序充电功能,不仅可以选择在高峰期充电功率负载均摊模式,还能选择先到先得、部分功率保障模式,利用电动汽车不同充电阶
59、段的负荷需求曲线,灵活调配充电功率输出,满足充电用户快速充电需求。同时,采用双向互动功能,利用边缘侧AI实现充电功率的负荷预测,为充电用户提供充电时间预测,实现智能充电编排,提升用户体验。3.有序充电功能不仅能用于新建充电场站,在老站改造中,由于配电设施的长寿命和充电桩充电功率快速增长诉求时间不匹配,利用有序充电功能,能够有效减少配电系统增容改造投资。4.专变台区大量采用直流快充桩,使用频率高,运维压力大,可采用智能评估功能。通过在充电桩智能控制器容器内,部署充电桩健康度评估应用,利用边缘计算和物联技术实时采集充电桩内部各种传感器、模块的数据,利用边缘侧AI技术提供的算力和推理分析能力,对充电
60、桩健康度进行评估,实现充电桩运维管理智能化。同时,结合远程升级功能,对一些软件故障实现远程快速处理,硬件故障快速定位,明确故障点和故障类型,高效上站、快速解决故障。智慧充电方案设计智慧充电功能描述和应用场景场景和需求描述高速公路服务区智慧充电场景中,高速公路具有封闭性,电动汽车到达充电场站后需要快速找到可用充电桩。对充电桩的需求主要是充电桩在线、充电快速,并支持网络离线状态下的充电。同时高速公路服务区充电场站无人值守,充电运营商对充电桩的运维、管理难度大,希望能支持远程运维和充电桩的智能管控。2.3.4 高速公路服务区智慧充电场景24图2-8 高速公路服务区智慧充电场景运维与安全设计1.高速公
61、路服务区为满足长途车辆快速补电需求,大量采用了直流快充桩,利用智能评估功能的充电桩健康度评估,可实时掌握充电桩运行状况和故障情况,及时合理安排运维时间和计划,实现充电桩运维管理智能化。2.专变台区公共停车场充电场站可部署无感充电功能,利用边缘侧AI和边缘计算技术,通过车牌识别或智能控制器读取车辆VIN,结合智能边缘计算物联网关或充电桩智能控制器上内置的安全加密模块,与充电运营平台以及银联等金融机构进行安全可靠计算,从而实现无需扫码和刷卡,插枪即可充电的功能。同时,无感充电和故障研判中的安全智能识别、充电场站车牌识别、智能管理停车位地锁等功能可共用边缘AI算力,实现了充电场站非智能摄像头的智能图
62、像识别,实现同一摄像头不同AI算法的统一部署,统一管理。智慧充电方案设计远程管理远程控制可靠连接有序充电离线充电智慧充电功能描述和应用场景通信网络设计高速公路服务区充电站可采用Wi-Fi 6作为充电场站内接入网,提供低时延大带宽网络,加快充电响应时间,提升用户体验;在充电场站到充电运营平台的回传网络中,可以选择运营商5G网络和专线网络互为备份,双通道冗余自动倒换,能够有效提升回传网络的可靠性,保障充电桩高在线率。应用与服务设计高速公路服务区充电场站可部署无感充电功能,利用边缘侧AI和边缘计算技术,通过车牌识别或智能控制器读取车辆VIN,结合智能边缘计算物联网关或充电桩智能控制器上内置的安全加密
63、模块,与充电运营平台以及银联等金融机构进行安全可靠计算,从而实现无需扫码和刷卡,即插即充的功能。部分偏远区域,高速公路服务区可能存在公网信号不稳定问题,未来采用基于数字货币技术的离线充电技术,可实现离线充电,数字货币本地直接结算,网络恢复后上传记账,提升用户充电体验。252.高速公路服务区人员流动性大,通过统一的边缘AI算力,充分调动服务区既有摄像头和充电站新部署摄像头,实现故障研判的安全智能识别功能,能够快速对充电过程中的故障实现智能图像识别。3.高速公路服务区充电场站的运维管理难度大,需要配置远程监控功能,对充电桩、停车位、供配电系统进行远程监控。同时,结合视频识别管理停车位、地锁,对高速
64、公路服务区的有限充电车位进行保障,避免油车占位。03智慧充电桩物联网方案架构和关键技术26智慧充电桩物联网采用“云-管-边-端”的边缘计算物联网架构,融合5G、AI、Wi-Fi 6等技术,实现充电基础设施由数字化向智能化演进。智慧充电桩物联网方案架构设计,如图3-1所示。云端:物联网平台具备广泛协议的南向接入能力,通过构建桩、车、储能等物模型,为各类设备提供接入和管理的功能,支持即插即用。同时提供基于规则引擎的北向开放接口,支撑行业客户灵活扩展、升级充电服务业务和各类增值服务业务。管道:接入层采用Wi-Fi 6、HPLC、以太网等有线无线通信技术,满足充电场站各类终端高可靠、低延时通信的接入需
65、求。回传层采用5G无线回传网络或Internet专线回传网络,为充电场站远程智能化管理提供高可靠、大带宽的网络通道,保障业务的实时性和良好的用户体验。边缘:边缘侧网关基于硬件平台化、软件APP化的设计理念,针对充电网与能源网智能互动、业务灵活扩展、系统持续演进等需求,实现网关功能软件定义。同时,智能边缘计算物联网关可与高性能边缘AI模块协同,实现充电桩远程运维、充电场站智能化管理、负荷预测、故障智能分析功能。终端:采用多容器技术设计的充电桩智能控制器,实现了底层操作系统与容器中应用软件解耦,容器中应用软件资源可配置,应用软件造成的软件故障不会影响到底层操作系统安全运行。同时容器之间也可实现故障
66、隔离,大幅提升充电桩在线率。由于管理通道直接管理底层操作系统,云端管理平台能够在充电桩智能控制器3.1智慧充电桩物联网方案架构27图3-1 智慧充电桩物联网架构图智慧充电桩物联网方案架构和关键技术平台层边缘计算层采集终端层网络层云管边端应用层无线:5G/4G/3G有线:Internet/专线客户服务远程升级V2G集中监控统计分析远程运维充电缴费能效管理智慧充电物联网平台资产管理数据整合分析研判IoT大数据AI直流桩变压器地锁视频监控储能智能边缘计算物联网关智能控制器智能边缘计算物联网关公共充电场站小区/园区充电Wi-Fi 6资产标签上网有序充电远程运维充电监控停车管理微网调度车辆检测有序充电缴
67、费鉴权充电监控协议转换交流桩变压器视频监控交流桩边缘计算是指在靠近数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台,就近提供边缘智能服务,满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。它可以作为连接物理和数字世界的桥梁,使能智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。智慧充电桩物联网方案涉及的关键技术,包含边缘计算、物联网联接、物联网平台、物联网安全和AI人工智能等,下面将进行逐一介绍。边缘计算的价值总结为“CROSS”,具体是指:联接的海量与异构(Connection)网络是系统互联与数据聚合传输的基石。伴随联接设备数量的剧增,网
68、络运维管理、灵活扩展和可靠性保障面临巨大挑战。同时,工业现场长期以来存在大量异构的总线联接,多种制式的工业以太网并存,边缘计算可以实现多种联接的兼容并且确保联接实时可靠。业务的实时性(Real-time)业务系统检测、控制、执行的实时性高,部分场景实时性要求在10ms以内。如果数据分析和控制逻辑全部在云端实现,难以满足业务的实时性要求。3.2.1 定义与价值3.2边缘计算技术图3-2 边缘计算价值28智慧充电桩物联网方案架构和关键技术应用程序死机的情况下,对容器和容器内的应用进行远程停止、重启、升级等操作,保障管理通道能够常在线。边缘计算价值(CROSS)智能Smart数据优化Data Opt
69、imization实时Real-Time联接Connection安全Security边缘计算数据控制数据控制网络计算存储应用数据获取汇聚和整理数据感知数据归一化指标分析协同与控制数字世界深度分析与计算行业应用端到端商业应用AI物理世界云计算物联网视频VR/AR系统控制边缘计算时延10s10kbps1Mbps100Mbps10Gbps带宽1s 100ms 10ms1ms100us容器(Container)是一种虚拟化技术,是将软件打包成标准化单元,用于开发、交付和部署。容器赋予了业务功能的独立性,使其免受外在环境差异(如开发环境)影响,有助于减少运行在相同基础设施上的不同软件冲突。基于容器技术,
70、边缘计算能够更加灵活地支撑业务扩展和移植。容器技术架构主流的有两种:一种是Linux Container,即LXC(Linux系统容器);另一种是Docker公司发布的Docker,是在LXC基础上进一步封装的容器技术架构。LXC容器技术架构LXC是一种操作系统层虚拟化(Operating system level virtualization)技术,提供轻量级的虚拟化隔离进程和资源。它将应用软件系统打包成一个软件容器(Container),内含应用软件本身的代码,以及所需要的操作系统核心库。通过统一的名字空间和共用API(Application Programming Interface,应
71、用编程接口)来分配不同软件容器的硬件资源,创造出应用程序的独立沙箱运行环境,使得Linux用户可以容易的创建和管理系统或应用容器。3.2.2 容器技术架构数据的优化(Optimization)当前工业现场存在大量的多样化异构数据,边缘计算通过数据优化实现数据的聚合、数据的统一呈现与开放,灵活高效地服务于边缘应用的智能。应用的智能性(Smart)业务流程优化、运维自动化与业务创新驱动应用走向智能,边缘侧智能能够带来显著的效率与成本优势。以预测性维护为代表的智能化应用场景正推动行业向新的服务模式与商业模式转型。安全与隐私保护(Security)安全跨越云计算和边缘计算之间的纵深,需要实施端到端防护
72、。网络边缘侧由于更贴近万物互联的设备,访问控制与威胁防护的广度和难度因此大幅提升。边缘侧安全主要包含设备安全、网络安全、数据安全与应用安全。29图3-3 容器技术架构智慧充电桩物联网方案架构和关键技术LXC toolLinux kernelnamespaceCgroup网络管理镜像管理ExecDriverNetDriverGraphDriverDocker tool物联网涉及各种应用场景,终端设备类型也多种多样,主要的物联网联接技术有HPLC、RS485/RS232、M-Bus、CAN等有线通信技术,以及5G、Wi-Fi、ZigBee、LoRa、RF等无线通信技术。针对充电场站应用场景,物联网
73、联接需要具备高可靠、低时延、广覆盖等特点。因此,推荐5G、HPLC和Wi-Fi技术作为智能充电场站的主要物联网联接技术。3.3物联网联接技术Docker容器技术架构Docker容器又叫APP容器,即每个Docker容器是一个独立的APP,Docker将APP打包成一个镜像,在其它地方需要使用此APP时,直接获取到此镜像即可,方便部署与安装。在LXC的基础之上,Docker提供了一系列更强的功能。在可移植性方面,LXC仅仅实现了进程沙盒化,并不能在不同机器上进行移植,而Docker定义了一种新的格式,将应用和其依赖环境全部打包到一个单一对象中,这个对象可以在任何安装有Docker的机器上共享,从
74、而提高了容器的可移植性。简单来说,在Docker架构下,一个APP应用程序就是一个容器,而对于LXC,目前最多支持4个容器,1个容器可以部署多个APP。当前华为边缘计算在LXC容器技术基础上进行了增强,吸收了Docker的一些优势,增加了构建方式、版本控制、LXC容器内的APP管理、容器签名校验等新功能。目前华为新一代智能边缘计算物联网关和第二代核心板AR CORE系列采用Debian 10容器操作系统,APP应用程序通过Docker镜像对外发布。将基于容器的边缘计算技术应用于充电场站智能边缘计算物联网关和充电桩智能控制器,能够实现智慧充电功能的灵活扩展。同时容器实现了底层操作系统与上层应用的
75、安全隔离,底层操作系统可远程管理,在容器内应用死机时,也不影响管理通道,能够有效提升充电桩在线率和可管理能力。30图3-4 LXC容器技术架构虚拟机1虚拟机2智慧充电桩物联网方案架构和关键技术Linux KernelLinux KernelHost RootfsHost RootfsWindowsContainer Rootfs大规模物联网(mMTC,massive Machine Type Communications)5G即第五代移动通信技术。5G技术将带来更加丰富的沟通方式和更加真实的体验,将从多个层面提升生活质量。与以往移动通信系统相比,5G需要满足更加多样化的场景和性能的需求。基于未
76、来移动互联网和物联网主要场景和业务需求特征,ITU-R M.2083 明确提出三种典型的5G应用场景,即:在智能充电场站中,主要使用5G的增强移动宽带场景,实现智能边缘计算物联网关超宽上行通信,将场站中的物联网、视频监控等业务回传至充电运营平台,并为广大电动汽车用户提供宽带上网服务。面向环境监测、智能抄表、智能农业等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接的特点,要求支持百万/平方公里连接数密度。通常传输少量的非延迟敏感数据,即对带宽和时延的要求比较低。3.3.1 5G超宽通信电力线载波通信(PLC,Power Line Communication),是指利用电
77、力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。PLC技术诞生于上世纪20年代,但由于信号衰减、噪声严重等技术问题,导致PLC技术在21世纪以前未能有大规模应用。随着智能电网和PLC技术的发展,PLC已广泛应用于智能电网、工业控制、物联网以及家庭网络等众多领域。3.3.2 HPLC宽带电力线载波通信31智慧充电桩物联网方案架构和关键技术高可靠低时延通信(URLLC,Ultra-Reliable and Low Latency Communications)面向车联网、工业控制、智能制造、远程医疗手术,智能电网中的配电自动化,运输安全及垂直行业的特殊应用需求,为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业
78、务可靠性保证。增强移动宽带(eMBB,enhanced Mobile Broadband)移动宽带解决了以人为中心访问多媒体内容,服务和数据的场景。对移动宽带需求的持续增长,需要增强的移动宽带。增强移动宽带作为移动通信最基本的方式,包括连续广域和局部热点高容量覆盖,需要满足移动性、连续性、高速率和高密度需求。典型应用如随时随地高清视频直播和分享、虚拟现实、随时随地云存取、高速移动上网(高铁)、人工智能等。华为宽带电力线载波通信HPLC,基于IEEE 1901.1标准,结合IPv6(Internet Protocol version 6,第六版因特网协议)技术,面向物联网场景提供中频带电力线载波
79、通信技术。HPLC通信频段为700KHz12MHz之间(频段可配置),应用层速率100Kbit/s1.8Mbit/s之间。点到点传输距离约500米到1公里,通过多级中继形成Mesh网络,可将传输距离扩展至数公里。采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术,抗噪声和抗干扰能力优越。同时,支持多级组网与自动选路等特性,完全满足智能充电场站应用场景中对带宽、通信距离和可靠性的需求。华为实现了中频带PLC技术的IP(Internet Protocol,互联网协议)化。所谓IP化,是指在IEEE 1901.1链路层之上承载IPv
80、6协议,使应用不再直接运行在链路层之上,而是运行在IP层之上,所有节点都会获得IPv6地址。由于采用了6LoWPAN(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks,基于IPv6的低速无线个域网标准)报文压缩技术,可将40字节的IPv6报头压缩到412个字节,报文开销不会显著增加。基于开放标准的IPv6技术,不同类型的末端设备可以共享PLC网络,物联网关主机侧应用和容器内多个应用也可共享同一个PLC网络,独立访问各自管理的末端设备而互不影响,提升PLC网络的并发能力和通信效率。其次,基于IPv6可通过TCP(Transmission Co
81、ntrol Protocol,传输控制协议)/UDP(User Datagram Protocol,用户数据报协议)承载丰富的物联网协议,如基于标准化的CoAP(Constrained Application Protocol,受约束的应用协议)实现高效数据传输,以及通过DTLS(Datagram Transport Layer Security,数据报传输层安全)协议实现末端设备接入认证和数据加密传输,提升安全性。开发者还可以在网关的容器中和尾端模块的 SDK 上,参考以太网开发方式,基于Socket接口访问PLC网络节点,并且可以借助大量开源软件的成熟能力,快速开发应用,大大简化了PLC的
82、开发难度。32图3-5 PLC技术标准演进发展智慧充电桩物联网方案架构和关键技术窄带PLC中频带PLC中频带 PLCIEEE 1901.1宽带PLCOFDM窄带PLC标准IEC61334PRIMEG3-PLCITU-T G.hnemIEEE P1901.22007宽带PLC标准20002001HomePlug 1.0HomePlug AV1.0HomePlug AV2HomePlugGreenPHYIEEE P1901,ITU-T G.hn2002200320042005200062008200920013萌发阶段发展阶段成熟阶段20世纪20年代-用
83、于发电厂与变电站高压电线-频率1MHz-多媒体数据通信,家庭网络,智能楼宇-高通信质量、高性能、高速Wi-Fi技术从1999年提出至今已有20多年的发展历程,已成为当今世界无处不在的无线接入技术,为数十亿设备和终端提供连接。最初,IEEE发布了802.11a/b标准,802.11a工作频率为5GHz,最大传输率54Mbit/s;802.11b运行在2.4 GHz频段,传输速率为11Mbit/s。2003年,802.11a标准的OFDM技术也被改编为在2.4 GHz频段运行,从而产生了802.11g。对Wi-Fi影响比较重要的标准是2009年发布的802.11n,该标准对Wi-Fi的传输和接入进
84、行了重大改进,引入了MIMO、安全加密等新概念,以及基于MIMO的一些高级功能(如波束成形,空间复用等等),传输速率达到600Mbit/s。随后,移动业务的快速发展和高密度接入对Wi-Fi网络的带宽提出了更高的要求,在2013年发布的802.11ac标准引入了更宽的射频带宽(提升至160MHz)和更高阶的调制技术(256QAM),传输速率高达1.73Gbit/s,进一步提升Wi-Fi网络吞吐量。然而,随着视频会议、无线互动VR(Virtual Reality,虚拟现实)、移动教学等业务应用越来越丰富,Wi-Fi接入终端越来越多,IoT(Internet of Things,物联网)的发展更是带
85、来了更多的移动终端接入无线网络,甚至以前接入终端较少的家庭Wi-Fi网络也将随着越来越多的智能家居设备的接入而变得拥挤。因此Wi-Fi网络仍需要不断提升速度,同时还需要考虑是否能接入更多的终端,适应不断增长的客户端设备数量以及不同应用的用户体验需求。为了更好地推广 Wi-Fi 技术,Wi-Fi 联盟参考通讯技术命名方式,重新命名 Wi-Fi 标准,802.11n 被命名为 Wi-Fi 4,802.11ac 被命名为 Wi-Fi 5,以此类推。Wi-Fi 6是下一代3.3.3 Wi-Fi 6无线接入33图3-6 Wi-Fi标准演进历程智慧充电桩物联网方案架构和关键技术充电场站天然具备丰富的电力线
86、资源,HPLC技术基于电力线传输数据,免布通信线,“网随电通”,极大地提高了通信的部署效率。4802.11b1999年802.11a/g2003年802.11n2009年802.11ac2013年802.11ax2019年Wi-Fi 45Wi-Fi 56Wi-Fi 6在充电场站场景中,采用Wi-Fi 6物联技术能够支持免布线快速接入,为智能充电场站提供了低时延、大带宽的联接,提升充电桩的在线率,同时为未来新兴业务的发展提供带宽保障。OFDMA:OFDMA(正交频分多址接入)是从OFDM演进过来的,最早应用于通信技术,Wi-Fi 6标准里也采纳了这种技术来提高频谱的利用效率。在传统方式中,每个用
87、户要发送数据(无论数据包的大小)都会占用整个信道,由于无线网络中传输大量的管理帧与控制帧,这些帧虽然数据包小但还是要占有整个信道,就像一辆大公共汽车只拉了一个乘客。使用OFDMA在频域上将无线信道划分为多个子信道(子载波),形成一个个频率资源块,用户信息承载在每个资源块上,而不是占用整个信道,从而实现在每个时间段内多个用户同时并行传输,不必排队等待、相互竞争,提升了效率,降低了排队等待时延。OFDMA技术可以提高充电桩通信的可靠性。MU-MIMO:采用MU-MIMO(多用户多进多出)技术,单个AP(Access Point,无线接入点)节点可以同时向多个支持MU-MIMO的客户端发送数据包,解
88、决了无线AP之前一次只能和一个终端通信的问题。OFDMA与MU-MIMO都是Wi-Fi 6的关键技术,分别在频率空间和物理空间上提供多路并发技术,带来了网络整体性能与速度的极大提升,单个AP可达10.75Gbit/s吞吐率,全面满足智能充电场站用户上网、视频监控的大带宽需求。TWT:TWT(目标唤醒时间)是Wi-Fi 6支持的另一个重要的资源调度功能,它允许设备协商什么时候和多久会唤醒发送或接收数据,无线接入点可以将客户端设备分组到不同的TWT周期,从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间,从而大大提高了电池寿命。TWT可以为电池供电的IoT设备节约30%以上的电量
89、,满足智能充电场站物联网终端低功耗的要求。BSS Coloring:当在封闭的空间里部署多个AP时,AP可以听到其他所有同信道AP的帧,即使是最强大的调频算法也难以解决同频干扰问题。为了提升密集部署环境中系统整体性能和频谱资源的有效利用,Wi-Fi 6提出了一种信道空间复用技术BSS Coloring(基本服务集着色),即在帧中增加了6个bit的标识符,可以区分不同AP相同信道的BSS,从而避免不同AP之间的同频干扰。34智慧充电桩物联网方案架构和关键技术802.11ax标准的简称,Wi-Fi 联盟在 2019 年对 Wi-Fi 6 产品进行认证,因此 2019 年被看作是 Wi-Fi 6 元
90、年。Wi-Fi 6 是未来5年Wi-Fi市场的主力技术,天然具有大带宽、高并发、低时延的优势。Wi-Fi 6具备的OFDMA、MU-MIMO、TWT(Target Wake Time,目标唤醒时间)、BSS Coloring(Basic Service Set Coloring,基本服务集着色)等关键特性,可以在智能充电场站提供更可靠、更高效的连接。网络平台开放Agile Controller-IoT基于ODL架构,提供了标准的北向API接口,合作伙伴和企业用户可使用开放接口开发第三方应用和增值服务,与华为一起构建云生态链,不断推动企业业务创新。业务拓展灵活Agile Controller-I
91、oT支持EC(边缘计算)管理,主要包含容器和应用的全生命周期管理。用户可以通过Agile Controller-IoT在边缘计算物联网关上安装容器LXC,并根据业务需要开发自己的APP部署在容器上,从而灵活扩展功能,满足业务快速发展的诉求。集中部署管理Agile Controller-IoT采用物理共享、逻辑隔离的云化管理模型,支持多种部署方式,具备无缝扩展能力,未来最高可以支撑百万级物联网关的集中管理。物联网管理平台支持对智能边缘计算物联网关和充电桩智能控制器提供设备、网络、容器、应用的远程管理,为远程升级、应用下载提供了管理平台。物联网是一个庞大且复杂的系统,如何解决海量终端的联接和管理,
92、以及海量数据的实时分析和处理,成为行业数字化转型的现实难题。Agile Controller-IoT物联网管理平台应用云计算技术支持百万级终端弹性扩容,实现网络、设备、容器及应用的自动化可视化管理,同时提供开放的北向接口,支持与行业应用系统灵活对接,帮助企业降低运维成本。Agile Controller-IoT是针对边缘计算物联网解决方案场景的管理控制系统,支持设备管理、文件管理、FAN网络管理、设备即插即用、License管理、设备业务配置、性能监控、运维、系统管理等特性,提供大数据分析的能力,同时提供开放的接口、支持与其他平台集成。通过Agile Controller-IoT可以实现在多租
93、户网络中独立开展业务开通配置、日常运维等工作,实现规模设备的云化管理。3.4物联网平台物联网技术将物联终端带入了数字世界,带来了可视可管、万物智能互联的便利性,改变了人们的生活,同时随之而来的安全威胁也从数字世界带入物理世界,严重的甚至危及人身安全。物联网安全威胁贯穿从终端、网络、IoT平台及应用系统的端到端交互流程,每一层的攻击模型、攻击手段都有所区别,需要制定相应的物联网安全方案。3.5物联网安全35智慧充电桩物联网方案架构和关键技术36智慧充电桩物联网方案架构和关键技术终端安全终端启动安全:保证终端的OS(Operating System,操作系统)及应用等不被仿冒或篡改。终端接入安全:
94、支持一、二次认证,证书认证,确保身份不被仿冒。数据加密传输:基于TLS(Transport Layer Security,传输层安全)/DTLS加密传输,确保终端数据传输安全。网络安全终端准入安全:支持只有指定的IoT终端才能接入网络,防止仿冒终端接入。网络链路传输安全:IoT终端至接入设备间链路安全,园区内网络链路安全,流量加密,防篡改,防窃听,保护IoT业务数据安全。物联网终端安全策略管理:对物联网终端最小访问权限控制,物联网终端接入安全策略自动下发,降低手工下发策略带来的安全风险。物联网整网安全防范/态势感知:针对边界网关、园区内部网络攻击防范,特别是对物联协议MQTT/CoAP报文进行
95、识别和QoS保证、畸形报文攻击防护,确保物联协议安全。目前,华为智能边缘计算物联网关具备包过滤防火墙、容器磁盘加密、非特权容器、APP签名校验等信息安全功能。物联网安全技术面向海量充电桩广覆盖、业务连接上云、终端物理可接触等特点,基于可信的理念,从云-管-边-端各个层面提供信息安全保障。应用及平台安全平台及上层应用系统通信安全:物联网平台与应用系统业务访问,北向接口安全,API接口认证,防止非法的数据访问/异常访问攻击。物联网业务接入安全及终端管理:物联网平台南向接入安全,物联网终端在平台侧入网、双向认证及终端远程安全升级等,非法终端无法接入到平台。数据传输安全:物联网网关与物联网平台数据传输
96、安全,CoAP、MQTT物联协议加密传输,防篡改、窃听。数据隔离及安全存储:对终端PKI证书、OS大包、配置文件、日志、应用层数据库等数据进行逻辑隔离,并加密存储,确保安全性。人工智能诞生并快速发展但技术瓶颈难以突破第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮热度时间002010模型突破带动初步产业化但推广应用存在成本障碍信息时代催生新一代人工智能,但未来发展存在诸多隐忧图3-7 人工智能发展历程人工智能(Artificial Intelligence,AI)是指机器,特别是计算机系统,不断感知、模拟人类的思维过程,从而达到甚至超越人类的智能。人工智能自从1956
97、年在美国达特茅斯会议上提出,迄今为止已有60多年的发展历程。人工智能大致经历了三个重要的发展阶段:3.6AI人工智能19561970年代:人工智能自首次提出之后得到了快速发展,提出了机器学习,推动人工智能进入第一个发展高潮期,并于此后 70 年代末期出现了专家系统,标志着人工智能从理论研究走向实际应用。但由于模型存在局限,人工智能的瓶颈逐渐显现,机器学习只能完成指定的工作,对于超出范围的任务则无法应对,智能水平较为低级,局限性较为突出。19802000年代:进入 20世纪 80 年代,人工智能再次回到了公众的视野当中。人工智能相关的数学模型取得了一系列重大发明成果,其中包括著名的多层神经网络和
98、 BP(Backward Propagation)反向传播算法等,使得专家系统得以应用。期间,研究者专门设计了LISP语言与LISP计算机,最终由于成本高、难维护,导致人工智能又一次步入低谷。2000至今:当前人工智能处于第三个发展高潮期。随着互联网和移动互联的普及,全球网络数据量急剧增加,海量数据为人工智能大发展提供了良好的土壤。大数据、云计算等信息技术的快速发展,GPU37智慧充电桩物联网方案架构和关键技术(Graphical Processing Unit,图形处理单元)、NPU(Neural-network Processing Unit,神经网络处理单元)、FPGA(Field Pr
99、ogrammable Gate Array,现场可编程门阵列)等各种人工智能专用计算处理器的应用,极大地提升了机器处理海量视频、图像等的计算能力,人工智能技术得到快速发展。38智慧充电桩物联网方案架构和关键技术算据、算法和算力是人工智能发展的“三驾马车”,算据是基础,算法是核心、算力是关键。人工智能对算力要求很高,以往人工智能受限于算力,需要对算据进行裁剪,算法的模型也不能过于复杂。人工智能计算处理器的出现,提供了强大的算力,加速了深层神经网络的训练迭代速度,让大规模的算据处理效率显著提升,算法模型也得以不断优化,极大地促进了人工智能行业的发展。现在AI的应用技术方向主要有三个:计算机视觉、语
100、音处理和自然语言处理。计算机视觉计算机视觉是研究如何让计算机“看”的科学,计算机视觉是三个AI应用技术中最成熟的技术,计算机视觉应用场景主要包括图像分类、目标检测、图像分割、目标跟踪、文字识别和人脸识别等。语音处理语音处理是研究语音发声过程、语音信号的统计特性、语音识别、机器合成以及语音感知等各种处理技术的统称。语音处理应用场景主要包括语音识别、语音合成、语音唤醒、声纹识别、音频事件检测等。其中最成熟的技术是语音识别,在安静室内、近场识别的前提下能达到96%的识别准确度。自然语言处理自然语言处理是利用计算机技术来理解并运用自然语言的学科。自然语言处理的应用场景主要包括机器翻译、文本挖掘和情感分
101、析等。自然语言处理的技术难度高,技术成熟度较低。因为语义的复杂度高,仅靠目前基于大数据、并行计算的深度学习很难达到人类的理解层次。在智能充电场站,运用人工智能技术,可以完成图像、视频的识别与分析,并为负荷预测、智能编排等数据分析与推理提供算力,提升充电场站智能化水平。深圳新能源汽车发展全国领先,电动出租车保有量约2.2万辆,有证网约车约5.3万辆(油电置换阶段),物流车突破3万辆。同时,由于政策引导加上深圳市充电基础设施不断完善,私家车也将成为未来新能源汽车增长的主力军,充电基础设施建设和运营行业整体发展持续向好,具有高成长性。04智慧充电桩物联网应用案例39深圳民乐P+R(Park and
102、Ride,停车+换乘)充电场站一期项目是南网电动投资建设运营的交通枢纽集中式充电场站,位于深圳市中心位置。该站点为全国的最大交通枢纽集中式充电场站,2017年11月起开始投运,共建设200台充电桩,其中42kW交流桩168台、60kW直流桩32台,至2019年12月累计服务费收益1400万元。该站点当初设计目标主要是满足置换的纯电动出租车充电需求,以交流桩为主。但是,随着市场和技术的变化,营运、服务类车辆电动化迅速发展,充电场站定位发生变化,不再只是单一服务出租车,现在充电车辆种类包含:出租车、网约车、物流车、环卫车、通勤车等,这些车辆都统一采用直流快充的技术路线,而目前已有的42kW交流桩已
103、不符合市场技术的发展,且由于设备前期使用频次高,元器件老化,充电电流下降,610月高温天气跳枪频繁,极大地影响了客户充电体验,造成客户流失。4.1.1 项目背景及需求南网电动拟对深圳民乐P+R充电场站充电设施进行改造,并采用智慧充电桩物联网解决方案实现充电场站的智能化,同时匹配先进的能效管理方案。4.1.2 智能充电场站方案设计4.1南网电动深圳民乐P+R充电场站应用案例40智慧充电桩物联网应用案例充电场站站内通信方案设计充电场站站内通信方案基于先进、成熟的原则,灵活选择IP化HPLC、Wi-Fi 6等多种通信技术,充分验证集中通信技术在充电场站内通信的可靠性和经济性,为南网电动后续充电场站建
104、设提供依据。通信方案设计以实用性为基础,从传输带宽、通信时延、数据传输可靠性、数据传输安全等几个方面进行规划,满足有序充电及充电场站其他业务通信需求。能效管理方案设计同时,南网电动在充电场站规划建设充电桩、充电站两级能源管理体系,实现对充电桩转换效率、待机功耗、充电站辅助用电、变压器损耗和线路损耗的定量化管理。同时以能源管理系统为核心,逐步完善企业能源管理流程和制度,达到提高能源管理效率的目的。能源管理系统接入台区总表、场站辅助用电支路分表、充电桩交流表、充电桩直流表采集数据等用能采集终端设备,并利用智能边缘计算物联网关,部署边缘计算应用,实现场站、充电桩能源数据多维度分析,必要时可根据业务需
105、要,灵活部署智能控制功能,实现节能控制。深圳民乐P+R充电场站为全国的重量级交通枢纽集中式充电场站,占据深圳市中心位置,在整个南网电动充电网络中具有重大意义,从品牌和效益来说一直是重点示范站。场站设备更新及配套设施完善后,更加凸显聚合效益,可与普通充电场站拉开差距。改造后将采用目前国内领先的设备、系统,技术成熟稳定,保障客户投资。4.1.3 客户价值通信方案采用智能边缘计算物联网关为枢纽,下行提供对充电场站内充电桩、变压器台区总表、及配电系统各节点采集终端的通信接入,上行提供与云端运营平台的数据通信,以实现基于云-管-边-端互动的有序充电控制、充电场站能耗数据采集与分析和配电系统监控等远程监控
106、功能。41图4-1 深圳民乐P+R充电场站通信组网图智慧充电桩物联网应用案例充电桩充电桩充电桩充电桩充电桩120kW双枪直流充电桩Wi-FiWi-Fi 6AP万兆三层交换机台区总表充电桩智能控制器智能边缘计算物联网关AR502H电力载波通信智慧充电桩物联网应用案例南网电动碧新路充电场站是位于深圳市龙岗区碧新路的集中式直流充电场站。整个场站按规划将部署55台120kW直流双枪充电桩,可同时为110辆电动汽车提供快充电服务。原计划采用3台2000kW变压器进行供电,但是因为周边电网的容量有限,短期内难以进行配网改造,只能支持1台变压器正常工作。如果不对充电进行引导和控制,单台变压器容量只能支持19
107、台充电桩满功率充电,剩余36台充电桩将长时间无法投运,造成极大的投资浪费。4.2.1 项目背景及需求4.2南网电动深圳碧新路充电场站应用案例为解决上述问题,南网电动基于智慧充电桩物联网,提出“智能有序充电”方案。该方案通过智能边缘计算物联网关加载“有序充电”APP,实时采集变压器负荷和充电桩充电负荷信息,按照“先到先得”、“功率均分”等动态均衡配置原则制定智能有序充电策略,从而控制充电桩输出功率,避免变压器在充电高峰期过载。4.2.2 智能有序充电方案设计42图4-2 南网电动碧新路充电场站智慧充电桩物联网应用案例“智能有序充电”方案在电网不扩容、不改造,不影响用户正常充电体验的情况下,充分挖
108、掘现有电力资源,利用“车-桩-网”互联互动,有序控制充电桩输出功率,避免变压器在用电高峰期过载,保障电网安全,大幅降低了场站投资建设成本。另外,还可依据电网实时电价,在电价低谷期智能引导电动汽车充电,减少用户充电费用,进一步利用价格引导作用,最终实现“为电网减负、为车主省钱”的目标。4.2.3 客户价值43图4-3 碧新路充电场站通信组网图充电桩 1充电桩 2充电桩 552000kW变压器有序充电先到先得功率均分05总结与未来展望44总结与未来展望随着未来充电网、车联网、能源网与物联网的四网融合,充电基础设施作为交通网和能源网的信息耦合点,将在推动绿色能源消纳与能源灵活交易,支撑新能源大规模接
109、入平衡,自动驾驶,大规模车辆检测与管理等方面具有广泛的应用前景。未来,V2G车网互动将是最具商业前景的应用。电动汽车V2G技术是指电动汽车与电网双向充放电技术。V2G将某一区域内(如台区、微网、地区电网、省级电网等)电动汽车的可放电负荷进行聚合,按照电网的需求对区域内电动汽车的能量进行统一调度,按照每个用户的不同需求计算每台车的最佳充放电策略,生成特定的管理策略,并利用云端平台与车辆用户实时交互,利用边缘智能实现区域范围内的智能分析管控,智能控制每台汽车的充放电过程。随着可再生能源系统(如太阳能,风能等)大量接入电网,可再生能源本身具有的时变性和不连续性,会在发电侧引起大幅波动,需要通过多种方
110、式(如抽水蓄能、电池储能系统、负荷侧需求响应等)进行调节和补偿,以平滑波动降低电网冲击,保证电网频率稳定并抑制由反向功率流引起的电压上升。而电动汽车V2G技术就是综合利用大量电动汽车的电池作为短期的可灵活调度的储能系统,为可再生能源大规模并网造成的电网大幅波动提供缓冲。电动汽车通过V2G技术并入电网,不仅在电网支撑、稳定性和负荷调平方面对配电网有利,而且有利于储能的普及利用。45图5-1 V2G组网图和功能图电网配电房电网负荷曲线3.02.521.50612V2G充电V2G放电(a)1824写字楼居民区V2HV2G智能边缘计算物联网关Load(x10KW)术语&缩略语06术语&缩略语46缩略语
111、5G6LoWPANAIAPAPIAPPBMSBPBSS ColoringCoAPDTLSFPGAGPUHPLCIoTIP第五代移动通信技术基于IPv6的低速无线个域网标准人工智能接入点应用编程接口应用电池管理系统反向传播基本服务集着色受约束的应用协议数据报传输层安全现场可编程门阵列图形处理单元宽带电力线载波通信物联网互联网协议英文全称中文全称Fifth GenerationIPv6 over Low Power Wireless Personal Area NetworksArtificial IntelligenceAccess PointApplication Programming In
112、terfaceApplicationBattery Management SystemBackward PropagationBasic Service Set ColoringConstrained Application ProtocolDatagram Transport Layer SecurityField Programmable Gate ArrayGraphical Processing UnitHigh-speed Power Line CommunicationInternet of ThingsInternet Protocol术语&缩略语47缩略语IPv6LXCMQTT
113、MU-MIMONPUOFDMOFDMAOSP+RPLCQoSSDKSSIDTCPTLSTWTUDPV2GVINVIPVR第六版因特网协议Linux系统容器消息队列遥测传输多用户多进多出神经网络处理单元正交频分复用正交频分多址接入操作系统停车换乘电力线载波通信服务质量软件开发工具包服务集标识传输控制协议传输层安全目标唤醒时间用户数据报协议车辆到电网车辆识别码重要客户虚拟现实英文全称中文全称Internet Protocol version 6Linux ContainerMessage Queuing Telemetry TransportMulti-User Multiple-Input Mu
114、ltiple-OutputNeural-network Processing UnitOrthogonal Frequency Division MultiplexingOrthogonal Frequency Division Multiple AccessOperating SystemPark and RidePower Line CommunicationQuality of ServiceSoftware Development KitService Set IdentifierTransmission Control ProtocolTransport Layer Security
115、Target Wake TimeUser Datagram ProtocolVehicle-to-gridVehicle Identification NumberVery Important PersonVirtual Reality1 孙宏斌,等.能源互联网.科学出版社,20192 刘振亚.全球能源互联网.中国电力出版社,20153 EVCIPA中国电动汽车充电基础设施促进联盟.2019-2020年度中国充电基础设施发展报告.20204 申港证券研究所.电气设备行业深度报告.20205 电动汽车百人会.电动汽车安全报告.20166 艾瑞咨询.中国公共充电桩行业研究报告.20207 前瞻产业研究院.中国电动汽车充电桩行业研究报告.20198 边缘计算产业联盟(ECC)与工业互联网产业联盟(AII).边缘计算参考架构2.0.20179 Q.Wu,W.Liu,A.Farrel.Service Models Explained.IETF,201810 华为技术有限公司.释放Wi-Fi的潜能,20192023企业级Wi-Fi 6产业发展与展望白皮书.201911 中国电信.5G技术白皮书.201812 中国信通院.人工智能发展白皮书(技术架构篇).2018参考文献07参考文献48