基于MCGS的電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)設計

1 引言

　　電動汽車由于燃料的可再生性、清潔性，逐漸成為國家在新能源汽車產業(yè)大力發(fā)展的對象，而電動汽車充電站是電動汽車大規(guī)模產業(yè)化后必須建設的基礎設施。從文獻[2]、[3]、[6]的論述中可以看出，在充電站建設中，實現其高效、安全、智能化管理已成為主流，充電站監(jiān)控系統(tǒng)作為充電站自動化系統(tǒng)的核心，是目前電動汽車充電站建設產業(yè)研究的重要課題和熱點。

　　本文首先介紹了基于專用停車場的充電站監(jiān)控系統(tǒng)的結構設計，根據國家標準設計監(jiān)控系統(tǒng)實現的功能，最后介紹基于mcgs技術的充電站監(jiān)控系統(tǒng)的實現。

2 充電站監(jiān)控系統(tǒng)結構設計

　　參照國家電網公司電動汽車充電設施指導意見[7][8]、電動汽車充電設施典型設計[9]、電力監(jiān)控系統(tǒng)的技術實現路線及發(fā)展趨勢，充電站監(jiān)控系統(tǒng)采用c/s和b/s相結合的方式進行設計，如圖1所示

圖1 充電站監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

　　整個監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網連接，充電機、bms(電池管理系統(tǒng))和智能電表由通訊控制器經協(xié)議轉換后接入以太網并與上位機進行通訊，配電監(jiān)控系統(tǒng)同樣由以太網與監(jiān)控系統(tǒng)通信，這些部分采用c/s結構；上級監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網與本地監(jiān)控系統(tǒng)通信，該部分采用b/s結構；服務器負責存儲充電站內的各種數據信息，gps時鐘提供本地時鐘校準功能。監(jiān)控系統(tǒng)能通過工業(yè)以太網實現各種類型充電機的接入，對充電機和電池管理系統(tǒng)進行監(jiān)控。此外，本地監(jiān)控系統(tǒng)可以通過以太網與多個上級監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，實現分級和遠程監(jiān)控。這種結構使系統(tǒng)具備較強的可伸縮性，可以滿足充電設施規(guī)模不斷擴容的要求。

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能設計

　　充電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能是充電監(jiān)控功能，即對充電機和充電電池的各種工作狀態(tài)的監(jiān)控。此外，還包括一些輔助功能以增強系統(tǒng)穩(wěn)健性和智能化管理。

　　3.1數據采集功能

　　系統(tǒng)采集充電機工作狀態(tài)(充電模式)、溫度、電壓(輸出電壓，直流母線電壓)、電流(輸出電流，直流母線電流)、功率和故障信號(輸入電壓過壓，輸入電壓欠壓，輸入電流過流，輸出電壓過壓，輸出電流過流，模塊溫度過高，輸入缺相，通信中斷，風扇故障等)；采集電池組的溫度、soc、端電壓、端電流、電池連接狀態(tài)和電池故障信號(包括單體電池工作參數，如正常工作電壓，溫度，容量，能量，電池電壓上限、下限報警限制，溫度報警上限，最大充電電流及電流報警上限，電壓互差最大報警上限，充電次數，電池健康指數)；采集充電站配電系統(tǒng)監(jiān)控上傳的開關狀態(tài)、保護信號、電壓電流、有功功率、無功功率和功率因數。

　　3.2控制調節(jié)功能

　　監(jiān)控系統(tǒng)能向充電機下發(fā)控制指令，遙控充電機啟停、校時、緊急停機、遠方設定充電參數，控制配電系統(tǒng)斷路器及開關的分合。

　　3.3數據處理和存儲功能

　　監(jiān)控系統(tǒng)根據充電站內的數據性質、重要性進行分類存儲，當數據量大時，可以根據預定策略保證重要信息的實時傳送；提供對充電機和電池組遙測、遙信、報警事件等實時數據和歷史數據的集中存儲和查詢功能；此外，系統(tǒng)具備操作記錄、系統(tǒng)故障記錄、充電運行參數異常記錄和電池組參數異常記錄功能。

4 充電站監(jiān)控系統(tǒng)實現

　　4.1gps時鐘系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)選用上海瑞呈有限公司的k806-d衛(wèi)星同步時鐘，該時鐘除了配有通用串口外，還提供2路網絡對時信號，系統(tǒng)自保持能力強(優(yōu)于0.6us/min)，支持多種操作系統(tǒng)及基于ntp協(xié)議的路由器、交換機、智能控制器等網絡設備，支持電源中斷、gps失步干接點信號告警，工作穩(wěn)定，操作簡便。在充電站監(jiān)控系統(tǒng)中，gps時鐘授時采用的時間格式如圖2所示。

圖2 gps時鐘授時的時間格式

　　4.2通訊控制器

　　充電機傳送數據使用的是can總線，它不提供can總線信號和以太網信號之間的轉換，而上層監(jiān)控計算機采用工業(yè)以太網通信，因此在監(jiān)控計算機和待監(jiān)控充電機之間使用通信控制器來完成這中轉換。該控制器其主要包括硬件平臺設計和軟件系統(tǒng)設計。

　　4.2.1硬件設計

　　硬件平臺以atmel公司的at91rm9200芯片為核心，這款工業(yè)級芯片內嵌網絡控制器，包含了以太網mac控制，因此只需外接一片10/100m物理層芯片dm9161e提供以太網接入通道即可。can總線接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can總線收發(fā)器tja1050構成[1]。mcp2515與at91rm9200的連接是通過標準串行外設接口spi(at91rm9200內嵌)來實現的，它支持canv2.0b技術規(guī)范，能夠發(fā)送和接收標準的和擴展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。tja1050是與mcp2515相配的高速can總線收發(fā)器，它擔負著節(jié)點和總線之間接收和發(fā)送電平轉換的任務。另外，為了使硬件平臺提供高效的軟件運行環(huán)境，系統(tǒng)還設計了存儲電路(16mb nor flash，主要用來存放系統(tǒng)引導程序bootloader、內核、文件系統(tǒng)；64mb nand flash，用來存儲數據；32mb sdram，提供內核與應用程序的運行空間)、復位電路、jtag調試接口和rs485擴展串口。系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 通訊控制器硬件結構框圖

　　4.2.2軟件設計

　　通訊控制器采用linux作為系統(tǒng)的軟件平臺，開發(fā)工作主要包括交叉編譯環(huán)境的建立、u-boot的配置、linux內核的裁剪和移植、jffs2(journalling flash file system version 2)文件系統(tǒng)的制作和協(xié)議轉換軟件的設計。

　　4.3充電站服務器

　　服務器存儲和管理充電站內的數據信息，記錄異常事件，提供用戶權限管理、遠程訪問、gps時間校準功能。

　　4.3.1硬件平臺搭建

　　充電站內，服務器存儲和處理的數據量大，運行時間長并且要求系統(tǒng)響應時間短，因此對系統(tǒng)硬件平臺的性能要求很高。此外，硬件平臺需采用國際計算機市場上的主流產品，符合計算機產業(yè)的發(fā)展方向，適應電力工業(yè)的應用環(huán)境。參考配置見表1。

表1 硬件平臺的參考配置

　　4.3.2軟件設計

　　服務器存儲和管理充電站內的各種海量數據信息，數據之間邏輯關系復雜。站內的工作站需要服務器快速響應各種請求并提供數據服務，遠程客戶端通過瀏覽器可以訪問服務器上的數據。因此需要開發(fā)針對充電站的數據管理系統(tǒng)和web服務程序。根據服務器實現的功能，整個軟件系統(tǒng)采用架構如圖4所示。

圖4 充電站服務器軟件系統(tǒng)架構

　　整個軟件系統(tǒng)采用分層和模塊化結構，便于系統(tǒng)維護和軟件升級，提高服務器的可擴展性。系統(tǒng)通過相應的軟件實現服務器的硬件平臺管理、數據存儲、數據管理和遠程訪問功能。操作系統(tǒng)管理服務器硬件，提高硬件平臺的運行效率和穩(wěn)定性，為上層軟件提供運行平臺，方便服務器軟件功能的擴展，提供數據的安全保護和服務器用戶權限管理。服務器存儲的數據量大，數據之間邏輯聯(lián)系緊密。與文件系統(tǒng)相比，數據庫能夠提高充電站內信息在硬件設備上的高效存儲，提信息據查詢、修改等操作的效率和安全性。數據庫為應用程序提供大量接口，方便系統(tǒng)的二次開發(fā)。此外，數據庫還提供用戶權限管理，為服務器上數據提供二次保護，提高服務器數據的安全性。充電站數據管理系統(tǒng)負責上層軟件與本地數據庫的通信，響應上層軟件查詢、存儲、修改數據庫中數據的請求并提供相應的服務。提供服務器的用戶權限管理，管理充電站內的通信協(xié)議。充電站提供遠程監(jiān)控功能，遠程客戶端通過web服務器實現遠程訪問，客戶端用戶只需安裝ie6或ie7瀏覽器，輸入充電站web服務器的網址，驗證身份后登錄、查詢和操作權限內的數據。web服務程序提供數據的圖形顯示方式，可以輸出和打印報表。

　　4.4監(jiān)控軟件設計

　　本設計采用北京昆侖通態(tài)軟件公司研發(fā)的組態(tài)軟件開發(fā)系統(tǒng)mcgs(monitor and control generated system)，該系統(tǒng)可以快速構造和生成上位機監(jiān)控軟件，模塊化程度高，運行高效穩(wěn)定，操作界面友好。根據監(jiān)控系統(tǒng)的功能設計，監(jiān)控軟件的操作界面設計如圖5所示。

圖5 充電機監(jiān)控界面

5 結束語

　　本文分析和討論了充個電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計，采用c/s和b/s相結合的方式構造整個系統(tǒng)。

　　與以往監(jiān)控軟件的設計方式不同，文中引入了一種新的、高效可靠地設計方式，即采用mcgs組態(tài)軟件進行快速的設計。隨著國家大力扶持電動汽車產業(yè)政策的實施，充電站監(jiān)控系統(tǒng)的建設必將提上日程，希望本文能為該產業(yè)的發(fā)展提供有力的支持和參考。