基于MCGS的電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

　　電動(dòng)汽車由于燃料的可再生性、清潔性，逐漸成為國(guó)家在新能源汽車產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的對(duì)象，而電動(dòng)汽車充電站是電動(dòng)汽車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化后必須建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施。從文獻(xiàn)[2]、[3]、[6]的論述中可以看出，在充電站建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)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(dòng)化系統(tǒng)的核心，是目前電動(dòng)汽車充電站建設(shè)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用停車場(chǎng)的充電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，最后介紹基于mcgs技術(shù)的充電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2 充電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　參照國(guó)家電網(wǎng)公司電動(dòng)汽車充電設(shè)施指導(dǎo)意見[7][8]、電動(dòng)汽車充電設(shè)施典型設(shè)計(jì)[9]、電力監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線及發(fā)展趨勢(shì)，充電站監(jiān)控系統(tǒng)采用c/s和b/s相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示

圖1 充電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，充電機(jī)、bms(電池管理系統(tǒng))和智能電表由通訊控制器經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后接入以太網(wǎng)并與上位機(jī)進(jìn)行通訊，配電監(jiān)控系統(tǒng)同樣由以太網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)通信，這些部分采用c/s結(jié)構(gòu)；上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與本地監(jiān)控系統(tǒng)通信，該部分采用b/s結(jié)構(gòu)；服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)充電站內(nèi)的各種數(shù)據(jù)信息，gps時(shí)鐘提供本地時(shí)鐘校準(zhǔn)功能。監(jiān)控系統(tǒng)能通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種類型充電機(jī)的接入，對(duì)充電機(jī)和電池管理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。此外，本地監(jiān)控系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)與多個(gè)上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)分級(jí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的可伸縮性，可以滿足充電設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)容的要求。

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

　　充電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能是充電監(jiān)控功能，即對(duì)充電機(jī)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(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)健性和智能化管理。

　　3.1數(shù)據(jù)采集功能

　　系統(tǒng)采集充電機(jī)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(hào)(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(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(hào)(包括單體電池工作參數(shù)，如正常工作電壓，溫度，容量，能量，電池電壓上限、下限報(bào)警限制，溫度報(bào)警上限，最大充電電流及電流報(bào)警上限，電壓互差最大報(bào)警上限，充電次數(shù)，電池健康指數(shù))；采集充電站配電系統(tǒng)監(jiān)控上傳的開關(guān)狀態(tài)、保護(hù)信號(hào)、電壓電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)。

　　3.2控制調(diào)節(jié)功能

　　監(jiān)控系統(tǒng)能向充電機(jī)下發(fā)控制指令，遙控充電機(jī)啟停、校時(shí)、緊急停機(jī)、遠(yuǎn)方設(shè)定充電參數(shù)，控制配電系統(tǒng)斷路器及開關(guān)的分合。

　　3.3數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)功能

　　監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)充電站內(nèi)的數(shù)據(jù)性質(zhì)、重要性進(jìn)行分類存儲(chǔ)，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)，可以根據(jù)預(yù)定策略保證重要信息的實(shí)時(shí)傳送；提供對(duì)充電機(jī)和電池組遙測(cè)、遙信、報(bào)警事件等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)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(yùn)行參數(shù)異常記錄和電池組參數(shù)異常記錄功能。

4 充電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　4.1gps時(shí)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(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(duì)時(shí)信號(hào)，系統(tǒng)自保持能力強(qiáng)(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(jī)、智能控制器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，支持電源中斷、gps失步干接點(diǎn)信號(hào)告警，工作穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便。在充電站監(jiān)控系統(tǒng)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(jī)傳送數(shù)據(jù)使用的是can總線，它不提供can總線信號(hào)和以太網(wǎng)信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，而上層監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，因此在監(jiān)控計(jì)算機(jī)和待監(jiān)控充電機(jī)之間使用通信控制器來完成這中轉(zhuǎn)換。該控制器其主要包括硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　4.2.1硬件設(shè)計(jì)

　　硬件平臺(tái)以atmel公司的at91rm9200芯片為核心，這款工業(yè)級(jí)芯片內(nèi)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總線接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can總線收發(fā)器tja1050構(gòu)成[1]。mcp2515與at91rm9200的連接是通過標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口spi(at91rm9200內(nèi)嵌)來實(shí)現(xiàn)的，它支持canv2.0b技術(shù)規(guī)范，能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)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總線收發(fā)器，它擔(dān)負(fù)著節(jié)點(diǎn)和總線之間接收和發(fā)送電平轉(zhuǎn)換的任務(wù)。另外，為了使硬件平臺(tái)提供高效的軟件運(yùn)行環(huán)境，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)電路(16mb nor flash，主要用來存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序bootloader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)；64mb nand flash，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；32mb sdram，提供內(nèi)核與應(yīng)用程序的運(yùn)行空間)、復(fù)位電路、jtag調(diào)試接口和rs485擴(kuò)展串口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 通訊控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　4.2.2軟件設(shè)計(jì)

　　通訊控制器采用linux作為系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，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(nèi)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(zhuǎn)換軟件的設(shè)計(jì)。

　　4.3充電站服務(wù)器

　　服務(wù)器存儲(chǔ)和管理充電站內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，記錄異常事件，提供用戶權(quán)限管理、遠(yuǎn)程訪問、gps時(shí)間校準(zhǔn)功能。

　　4.3.1硬件平臺(tái)搭建

　　充電站內(nèi)，服務(wù)器存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)量大，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)并且要求系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，因此對(duì)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的性能要求很高。此外，硬件平臺(tái)需采用國(guó)際計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，符合計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，適應(yīng)電力工業(yè)的應(yīng)用環(huán)境。參考配置見表1。

表1 硬件平臺(tái)的參考配置

　　4.3.2軟件設(shè)計(jì)

　　服務(wù)器存儲(chǔ)和管理充電站內(nèi)的各種海量數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)之間邏輯關(guān)系復(fù)雜。站內(nèi)的工作站需要服務(wù)器快速響應(yīng)各種請(qǐng)求并提供數(shù)據(jù)服務(wù)，遠(yuǎn)程客戶端通過瀏覽器可以訪問服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。因此需要開發(fā)針對(duì)充電站的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和web服務(wù)程序。根據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的功能，整個(gè)軟件系統(tǒng)采用架構(gòu)如圖4所示。

圖4 充電站服務(wù)器軟件系統(tǒng)架構(gòu)

　　整個(gè)軟件系統(tǒng)采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)維護(hù)和軟件升級(jí)，提高服務(wù)器的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)通過相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的硬件平臺(tái)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程訪問功能。操作系統(tǒng)管理服務(wù)器硬件，提高硬件平臺(tái)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，為上層軟件提供運(yùn)行平臺(tái)，方便服務(wù)器軟件功能的擴(kuò)展，提供數(shù)據(jù)的安全保護(hù)和服務(wù)器用戶權(quán)限管理。服務(wù)器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)之間邏輯聯(lián)系緊密。與文件系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)庫(kù)能夠提高充電站內(nèi)信息在硬件設(shè)備上的高效存儲(chǔ)，提信息據(jù)查詢、修改等操作的效率和安全性。數(shù)據(jù)庫(kù)為應(yīng)用程序提供大量接口，方便系統(tǒng)的二次開發(fā)。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)還提供用戶權(quán)限管理，為服務(wù)器上數(shù)據(jù)提供二次保護(hù)，提高服務(wù)器數(shù)據(jù)的安全性。充電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)上層軟件與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的通信，響應(yīng)上層軟件查詢、存儲(chǔ)、修改數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的請(qǐng)求并提供相應(yīng)的服務(wù)。提供服務(wù)器的用戶權(quán)限管理，管理充電站內(nèi)的通信協(xié)議。充電站提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，遠(yuǎn)程客戶端通過web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(wù)器的網(wǎng)址，驗(yàn)證身份后登錄、查詢和操作權(quán)限內(nèi)的數(shù)據(jù)。web服務(wù)程序提供數(shù)據(jù)的圖形顯示方式，可以輸出和打印報(bào)表。

　　4.4監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)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(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控軟件，模塊化程度高，運(yùn)行高效穩(wěn)定，操作界面友好。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，監(jiān)控軟件的操作界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 充電機(jī)監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

　　本文分析和討論了充個(gè)電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用c/s和b/s相結(jié)合的方式構(gòu)造整個(gè)系統(tǒng)。

　　與以往監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)方式不同，文中引入了一種新的、高效可靠地設(shè)計(jì)方式，即采用mcgs組態(tài)軟件進(jìn)行快速的設(shè)計(jì)。隨著國(guó)家大力扶持電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施，充電站監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)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。