基于DTU的充電樁電氣安全大數據管控平臺研究

劉皓天，陳 楓，吳振勇，趙 沖，楊 雷

（1.中船重工縱橫科技有限公司，湖北 宜昌443000；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

1 引言

隨著電動汽車的快速發展，對汽柴油市場的影響日益凸顯，預計2030年前后，電力、氫能源將逐漸接管汽車動力市場[1]。國家電網公司于2006開始進入電動汽車充電設施建設投資領域，截止目前，累計接入充電樁總數16.8萬個[2]，根據由國家發展改革委等四部門編制的《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015～2020年）》的要求，至2020年我國車樁比例將達到接近1:1的合理水平，我國充電設施建設快速增長[3]。

一旦忽略充電樁運行過程中存在的安全隱患，引發起火事故，將會造成極大的經濟損失,并產生不良的社會影響。因此，針對這一問題，對目前充電樁運行過程中存在的安全隱患進行分析，研究各類安全指標，利用現有的物聯網、DTU無線通信、Web、大數據技術，開發了一套基于DTU的充電樁電氣安全大數據管控平臺，用于實時分析海量充電樁群的運行數據，準確捕捉電氣火災隱患，確保電氣火災防患于未“燃”。

2 系統整體架構

基于DTU的充電樁電氣安全大數據管控平臺的整體架構如圖1所示，主要分為感知層、控制層、網絡層、接入層、應用層等。其中：

感知層：利用傳感器獲得被測量（物理量、化學量或生物量）的模擬信號，并負責把模擬信號量轉換成數字信號，也包括從電子設備（如串口設備）中采集到的直接的數字信號，最終由傳輸層轉發到應用層。

控制層：主要負責控制終端設備執行由接入層傳遞到應用層的動作命令。

網絡層：主要負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

接入層：用戶進行在線監控、資產管理、數據統計分析等業務操作的界面。

平臺層：在整個體系架構中起著承上啟下的關鍵作用，它不僅為上層提供應用開發和統一接口，構建了設備和業務的端到端通道，同時，還提供了業務融合以及數據價值孵化的土壤，為提升產業整體價值奠定了基礎。

應用層：根據業務需求建立相應的應用服務，為接入層提供在線監控、資產管理、數據統計分析等業務處理的應用服務集合。

數據層：為核心外部輸入以及系統運行過程中產生的相關數據提供數據存儲支持。

圖1系統總體邏輯架構

從充電設備數據采集、傳輸、儲存、分析、決策，建立“一平臺雙保險三級控”，實現對充電站“人財物”事前、事中、事后的管控。所謂“一平臺”即搭建一個大數據平臺；“雙保險”即充電設備異常時，消防設備可通過自動和遠程手動兩種方式動作；“三級控”即從區域級、站點級、設備級對相關充電設備進行管控。對“人財物”的管控，對人即為對充電站中人的行為進行管控，確保行為可追溯；對財即為對充電站中資產進行管控，確保資產信息有記錄；對物即為對充電站中設備的狀態進行管控，確保充電設備安全平穩運行。

3 系統設計

3.1 硬件設計

本設計的硬件模塊結構如圖2所示。所設計的主控制器信號輸入端連接是用于檢測充電樁內溫度的溫度傳感器和用于監測充電樁內CO氣體濃度的氣體傳感器；信號輸出端連接是用于觸發氣溶膠滅火器的滅火脈沖信號輸出、電源故障報警燈；主控制器上包含控制電路（包含電源電路以及信號采集電路等）以及CAN總線接口。

圖2硬件模塊結構圖

主控制器控制電路中的電源電路（電源電路的電源采用充電樁內部已有的直流開關電源）同時給信號采集電路、CAN總線電路、滅火脈沖輸出電路、顯示及報警電路提供電源，信號采集電路將溫度傳感器和氣體傳感器的信號傳輸給控制電路，再由控制電路傳輸給主控制器。主控制器分別控制滅火脈沖輸出電路和CAN總線電路，滅火脈沖輸出電路與氣溶膠滅火器相連接。充電站內的每個充電樁連接一個主控制器，各個主控制器通過CAN總線接口與數據信號集中器相連。

設計的數據信號集中器包含CAN總線接口、DTU無線通信模組以及控制電路（包含電源電路以及信號采集電路等）。DTU無線通信模塊作為移動網絡數據傳輸接入層，提供終端設備與移動網絡的數據轉換功能。在通信過程中，它建立串口與IP數據網絡的傳輸鏈路，并對數據進行格式轉換和數據校驗，它已經逐漸替代了傳統的長距離有線傳輸成為了主要的遠程管控系統數據傳輸手段[4-5]。電源電路同時給DTU無線通信模組電路和CAN總線電路提供電源，CAN總線電路與滅火主控制器的CAN總線電路相連接，DTU無線通信模組電路將數據通過網絡層上傳至主中心服務器。

設計的顯示及報警電路采用LED燈，可根據實際情況進行報警，若是充電樁內狀態正常則LED燈呈現綠色；若氣體濃度超過閾值報警，或溫度超過閾值，則LED燈呈現黃色；若系統內損壞，則LED燈呈現為閃爍狀態。

3.2 軟件設計

平臺的軟件模塊結構如圖3所示。開發的主控制器模塊通過模糊理論算法確定相應的報警閾值。模糊理論算法是在模糊集的基礎上發展而來的，適用于多傳感器的數據融合。模糊集第一次是由L.A.Zadeh在1965年的時候提出的。模糊算法在此處的應用，是把傳感器節點采集到的數據信息模糊化，使得之前元素與集合關系的絕對化變為了概率化。數據模糊化之后利用特定的方法把所有的數據進行統一的加工處理，最終的結果即為系統需要的融合結果或是決策。模糊算法因其本身的特性非常適用于對模糊的傳感器節點數據進行融合[6]。傳感器采集的溫度、氣體濃度值以及由模糊理論算法融合溫度、氣體濃度值得到的報警信號通過CAN總線上傳，同時也可以通過CAN總線下發由主中心服務器發送的滅火信號。

圖3軟件模塊結構圖

開發的數據信號集中器模塊采集各個主控制器的信號并對各個主控制器的信號進行集中、整合，通過DTU通信模組進行數據傳輸，DTU將串口數據轉換為IP數據，由傳輸鏈路將十六進制數據上傳至主中心服務器。

開發的基于NIO數據交換模塊通過非阻塞通信技術——NIO（Non-blocking IO）來實現高并發通信，它是一種基于通道和緩沖區來執行輸入輸出流的新方式[7]。在NIO中訪問數據，都是通過緩沖區操作[8]，同時通過多路復用Selector來實現選擇已就緒的任務的功能，突破了最大連接句柄的限制。相對于傳統的BIO（Blocking IO），NIO可以在短時間內響應請求并處理消息，而非阻塞線程等待數據的到來，提高了數據交換模塊并發處理數據的能力，在一定程度上減少了資源的消耗。基于NIO數據交換模塊接收由傳輸鏈路上傳的數據，傳遞給數據處理模塊。

開發的數據處理模塊通過分布式消息隊列Kafka獲取數據交換模塊傳遞的數據，利用Spark Streaming根據通信協議實時解析、校驗、計算十六進制數據，并將計算結果發送到Kafka，由Websocket服務模塊調用Kafka數據對外提供實時分析服務，同時計算結果也存入數據存儲模塊中，為平臺進行歷史數據分析、挖掘以及融合提供海量數據支持。

數據存儲模塊包含分布式數據庫Hbase和傳統的關系型數據庫Mysql。其中Hbase用于存儲由管控終端傳遞的海量的監控數據，而MySQL用于存儲一般的業務數據。將分布式數據庫與傳統的關系型數據庫相結合，保障平臺高效平穩運行。

4 應用實例及效果

為了驗證基于DTU的充電樁電氣安全大數據管控平臺的完整性、可用性以及穩定性，能夠為電動汽車充電站安全運營提供保障，平臺在國家電網某電動汽車充電站進行了部署，并進行了相關功能實驗。部署平臺如圖4所示。

圖4基于DTU的充電樁電氣安全大數據管控平臺

平臺通過區域級、站點級、設備級三級對相關充電樁進行實時狀態監控，從事前、事中、事后對充電設備進行管控。其中設備級監控如圖5所示，通過實時監控充電樁溫度值、氣體濃度值以及預警等級，管控充電樁的運行情況，一旦充電樁出現異常狀態，預警等級將升為對應的等級狀態，并觸發警報。充電站運維人員可在平臺上遠程觸發滅火裝置，也可由滅火裝置自動滅火（需到達三級預警狀態）。

圖5設備級監控

通過對基于DTU的充電樁電氣安全大數據管控平臺進行數據傳輸功能實驗、實時監控功能實驗、數據管理功能實驗以及穩定性測試等，表明了該平臺可較為穩定地為充電站管控終端提供無線數據傳輸服務，實現數據集中管理、并行實時分析、監控各個充電樁的運行情況，為充電站提供可靠的數據監管分析，提升充電站管控電氣安全能力。

5 結束語

國家電網有限公司在所印發的《泛在電力物聯網2020年重點建設任務大綱》中提出2020年智慧物聯的重點是初步建成設備側的智慧物聯體系，隨著無線通信網絡技術以及相關硬件產品的高速發展，促使了愈來愈多遠程管控平臺出現。基于監測、采集設備的電氣安全大數據管控平臺，可實現對生產過程中各個設備實時監控、生產環境數據實時分析、異常狀態自動報警，最大限度地降低事故所帶來的經濟損失、環境代價以及社會影響，已經成為安全生產生活的必要保障。后續研究中還需對基于大數據挖掘融合和機器學習等技術分析電氣安全事故潛在風險等問題進行深入研究，為安全生產、運營以及管理提供更好更完備的支持與服務。