基于MCGS的電動(dòng)汽車(chē)充電站監控系統設計

1 引言

　　電動(dòng)汽車(chē)由于燃料的可再生性、清潔性，逐漸成為國家在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的對象，而電動(dòng)汽車(chē)充電站是電動(dòng)汽車(chē)大規模產(chǎn)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(shí)現其高效、安全、智能化管理已成為主流，充電站監控系統作為充電站自動(dòng)化系統的核心，是目前電動(dòng)汽車(chē)充電站建設產(chǎn)業(yè)研究的重要課題和熱點(diǎn)。

　　本文首先介紹了基于專(zhuān)用停車(chē)場(chǎng)的充電站監控系統的結構設計，根據國家標準設計監控系統實(shí)現的功能，最后介紹基于mcgs技術(shù)的充電站監控系統的實(shí)現。

2 充電站監控系統結構設計

　　參照國家電網(wǎng)公司電動(dòng)汽車(chē)充電設施指導意見(jiàn)[7][8]、電動(dòng)汽車(chē)充電設施典型設計[9]、電力監控系統的技術(shù)實(shí)現路線(xiàn)及發(fā)展趨勢，充電站監控系統采用c/s和b/s相結合的方式進(jìn)行設計，如圖1所示

圖1 充電站監控系統結構圖

　　整個(gè)監控系統采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，充電機、bms(電池管理系統)和智能電表由通訊控制器經(jīng)協(xié)議轉換后接入以太網(wǎng)并與上位機進(jìn)行通訊，配電監控系統同樣由以太網(wǎng)與監控系統通信，這些部分采用c/s結構；上級監控系統通過(guò)以太網(wǎng)與本地監控系統通信，該部分采用b/s結構；服務(wù)器負責存儲充電站內的各種數據信息，gps時(shí)鐘提供本地時(shí)鐘校準功能。監控系統能通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現各種類(lèi)型充電機的接入，對充電機和電池管理系統進(jìn)行監控。此外，本地監控系統可以通過(guò)以太網(wǎng)與多個(gè)上級監控系統進(jìn)行通信，實(shí)現分級和遠程監控。這種結構使系統具備較強的可伸縮性，可以滿(mǎn)足充電設施規模不斷擴容的要求。

3 監控系統功能設計

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

　　3.1數據采集功能

　　系統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(xiàn)電壓)、電流(輸出電流，直流母線(xiàn)電流)、功率和故障信號(輸入電壓過(guò)壓，輸入電壓欠壓，輸入電流過(guò)流，輸出電壓過(guò)壓，輸出電流過(guò)流，模塊溫度過(guò)高，輸入缺相，通信中斷，風(fēng)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監控上傳的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、保護信號、電壓電流、有功功率、無(wú)功功率和功率因數。

　　3.2控制調節功能

　　監控系統能向充電機下發(fā)控制指令，遙控充電機啟停、校時(shí)、緊急停機、遠方設定充電參數，控制配電系統斷路器及開(kāi)關(guān)的分合。

　　3.3數據處理和存儲功能

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

4 充電站監控系統實(shí)現

　　4.1gps時(shí)鐘系統

　　該系統選用上海瑞呈有限公司的k806-d衛星同步時(shí)鐘，該時(shí)鐘除了配有通用串口外，還提供2路網(wǎng)絡(luò )對時(shí)信號，系統自保持能力強(優(yōu)于0.6us/min)，支持多種操作系統及基于ntp協(xié)議的路由器、交換機、智能控制器等網(wǎng)絡(luò )設備，支持電源中斷、gps失步干接點(diǎn)信號告警，工作穩定，操作簡(jiǎn)便。在充電站監控系統中，gps時(shí)鐘授時(shí)采用的時(shí)間格式如圖2所示。

圖2 gps時(shí)鐘授時(shí)的時(shí)間格式

　　4.2通訊控制器

　　充電機傳送數據使用的是can總線(xiàn)，它不提供can總線(xiàn)信號和以太網(wǎng)信號之間的轉換，而上層監控計算機采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，因此在監控計算機和待監控充電機之間使用通信控制器來(lái)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(wǎng)絡(luò )控制器，包含了以太網(wǎng)mac控制，因此只需外接一片10/100m物理層芯片dm9161e提供以太網(wǎng)接入通道即可。can總線(xiàn)接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can總線(xiàn)收發(fā)器tja1050構成[1]。mcp2515與at91rm9200的連接是通過(guò)標準串行外設接口spi(at91rm9200內嵌)來(lái)實(shí)現的，它支持canv2.0b技術(shù)規范，能夠發(fā)送和接收標準的和擴展的信息幀，同時(shí)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(xiàn)收發(fā)器，它擔負著(zhù)節點(diǎn)和總線(xiàn)之間接收和發(fā)送電平轉換的任務(wù)。另外，為了使硬件平臺提供高效的軟件運行環(huán)境，系統還設計了存儲電路(16mb nor flash，主要用來(lái)存放系統引導程序bootloader、內核、文件系統；64mb nand flash，用來(lái)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作為系統的軟件平臺，開(kāi)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)文件系統的制作和協(xié)議轉換軟件的設計。

　　4.3充電站服務(wù)器

　　服務(wù)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(hù)權限管理、遠程訪(fǎng)問(wèn)、gps時(shí)間校準功能。

　　4.3.1硬件平臺搭建

　　充電站內，服務(wù)器存儲和處理的數據量大，運行時(shí)間長(cháng)并且要求系統響應時(shí)間短，因此對系統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(chǎng)上的主流產(chǎn)品，符合計算機產(chǎn)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(jiàn)表1。

表1 硬件平臺的參考配置

　　4.3.2軟件設計

　　服務(wù)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(guān)系復雜。站內的工作站需要服務(wù)器快速響應各種請求并提供數據服務(wù)，遠程客戶(hù)端通過(guò)瀏覽器可以訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器上的數據。因此需要開(kāi)發(fā)針對充電站的數據管理系統和web服務(wù)程序。根據服務(wù)器實(shí)現的功能，整個(gè)軟件系統采用架構如圖4所示。

圖4 充電站服務(wù)器軟件系統架構

　　整個(gè)軟件系統采用分層和模塊化結構，便于系統維護和軟件升級，提高服務(wù)器的可擴展性。系統通過(guò)相應的軟件實(shí)現服務(wù)器的硬件平臺管理、數據存儲、數據管理和遠程訪(fǎng)問(wèn)功能。操作系統管理服務(wù)器硬件，提高硬件平臺的運行效率和穩定性，為上層軟件提供運行平臺，方便服務(wù)器軟件功能的擴展，提供數據的安全保護和服務(wù)器用戶(hù)權限管理。服務(wù)器存儲的數據量大，數據之間邏輯聯(lián)系緊密。與文件系統相比，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(xún)、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，方便系統的二次開(kāi)發(fā)。此外，數據庫還提供用戶(hù)權限管理，為服務(wù)器上數據提供二次保護，提高服務(wù)器數據的安全性。充電站數據管理系統負責上層軟件與本地數據庫的通信，響應上層軟件查詢(xún)、存儲、修改數據庫中數據的請求并提供相應的服務(wù)。提供服務(wù)器的用戶(hù)權限管理，管理充電站內的通信協(xié)議。充電站提供遠程監控功能，遠程客戶(hù)端通過(guò)web服務(wù)器實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)，客戶(hù)端用戶(hù)只需安裝ie6或ie7瀏覽器，輸入充電站web服務(wù)器的網(wǎng)址，驗證身份后登錄、查詢(xún)和操作權限內的數據。web服務(wù)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(kāi)發(fā)系統mcgs(monitor and control generated system)，該系統可以快速構造和生成上位機監控軟件，模塊化程度高，運行高效穩定，操作界面友好。根據監控系統的功能設計，監控軟件的操作界面設計如圖5所示。

圖5 充電機監控界面

5 結束語(yǔ)

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

　　與以往監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(jìn)行快速的設計。隨著(zhù)國家大力扶持電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施，充電站監控系統的建設必將提上日程，希望本文能為該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力的支持和參考。