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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、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03030405050608121313141618191920222401.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 物联网安全3.6 AI人工智能27282829303131333535374.1 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10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015010050424.99120.415326138144.677.7121.92002503003504004502015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、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 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，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