基于MCGS的电动汽车充电站监控系统设计-电子工程世界

1 引言

　　电动汽车由于燃料的可再生性、清洁性，逐渐成为国家在新能源汽车产业大力发展的对象，而电动汽车充电站是电动汽车大规模产业化后必须建设的基础设施。从文献[2]、[3]、[6]的论述中可以看出，在充电站建设中，实现其高效、安全、智能化管理已成为主流，充电站监控系统作为充电站自动化系统的核心，是目前电动汽车充电站建设产业研究的重要课题和热点。

　　本文首先介绍了基于专用停车场的充电站监控系统的结构设计，根据国家标准设计监控系统实现的功能，最后介绍基于mcgs技术的充电站监控系统的实现。

2 充电站监控系统结构设计

　　参照国家电网公司电动汽车充电设施指导意见[7][8]、电动汽车充电设施典型设计[9]、电力监控系统的技术实现路线及发展趋势，充电站监控系统采用c/s和b/s相结合的方式进行设计，如图1所示

图1 充电站监控系统结构图

　　整个监控系统采用工业以太网连接，充电机、bms(电池管理系统)和智能电表由通讯控制器经协议转换后接入以太网并与上位机进行通讯，配电监控系统同样由以太网与监控系统通信，这些部分采用c/s结构；上级监控系统通过以太网与本地监控系统通信，该部分采用b/s结构；服务器负责存储充电站内的各种数据信息，gps时钟提供本地时钟校准功能。监控系统能通过工业以太网实现各种类型充电机的接入，对充电机和电池管理系统进行监控。此外，本地监控系统可以通过以太网与多个上级监控系统进行通信，实现分级和远程监控。这种结构使系统具备较强的可伸缩性，可以满足充电设施规模不断扩容的要求。

3 监控系统功能设计

　　充电站监控系统的核心功能是充电监控功能，即对充电机和充电电池的各种工作状态的监控。此外，还包括一些辅助功能以增强系统稳健性和智能化管理。

　　3.1数据采集功能

　　系统采集充电机工作状态(充电模式)、温度、电压(输出电压，直流母线电压)、电流(输出电流，直流母线电流)、功率和故障信号(输入电压过压，输入电压欠压，输入电流过流，输出电压过压，输出电流过流，模块温度过高，输入缺相，通信中断，风扇故障等)；采集电池组的温度、soc、端电压、端电流、电池连接状态和电池故障信号(包括单体电池工作参数，如正常工作电压，温度，容量，能量，电池电压上限、下限报警限制，温度报警上限，最大充电电流及电流报警上限，电压互差最大报警上限，充电次数，电池健康指数)；采集充电站配电系统监控上传的开关状态、保护信号、电压电流、有功功率、无功功率和功率因数。

　　3.2控制调节功能

　　监控系统能向充电机下发控制指令，遥控充电机启停、校时、紧急停机、远方设定充电参数，控制配电系统断路器及开关的分合。

　　3.3数据处理和存储功能

　　监控系统根据充电站内的数据性质、重要性进行分类存储，当数据量大时，可以根据预定策略保证重要信息的实时传送；提供对充电机和电池组遥测、遥信、报警事件等实时数据和历史数据的集中存储和查询功能；此外，系统具备操作记录、系统故障记录、充电运行参数异常记录和电池组参数异常记录功能。

4 充电站监控系统实现

　　4.1gps时钟系统

　　该系统选用上海瑞呈有限公司的k806-d卫星同步时钟，该时钟除了配有通用串口外，还提供2路网络对时信号，系统自保持能力强(优于0.6us/min)，支持多种操作系统及基于ntp协议的路由器、交换机、智能控制器等网络设备，支持电源中断、gps失步干接点信号告警，工作稳定，操作简便。在充电站监控系统中，gps时钟授时采用的时间格式如图2所示。

图2 gps时钟授时的时间格式

　　4.2通讯控制器

　　充电机传送数据使用的是can总线，它不提供can总线信号和以太网信号之间的转换，而上层监控计算机采用工业以太网通信，因此在监控计算机和待监控充电机之间使用通信控制器来完成这中转换。该控制器其主要包括硬件平台设计和软件系统设计。

　　4.2.1硬件设计

　　硬件平台以atmel公司的at91rm9200芯片为核心，这款工业级芯片内嵌网络控制器，包含了以太网mac控制，因此只需外接一片10/100m物理层芯片dm9161e提供以太网接入通道即可。can总线接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can总线收发器tja1050构成[1]。mcp2515与at91rm9200的连接是通过标准串行外设接口spi(at91rm9200内嵌)来实现的，它支持canv2.0b技术规范，能够发送和接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。tja1050是与mcp2515相配的高速can总线收发器，它担负着节点和总线之间接收和发送电平转换的任务。另外，为了使硬件平台提供高效的软件运行环境，系统还设计了存储电路(16mb nor flash，主要用来存放系统引导程序bootloader、内核、文件系统；64mb nand flash，用来存储数据；32mb sdram，提供内核与应用程序的运行空间)、复位电路、jtag调试接口和rs485扩展串口。系统结构如图3所示。

图3 通讯控制器硬件结构框图

　　4.2.2软件设计

　　通讯控制器采用linux作为系统的软件平台，开发工作主要包括交叉编译环境的建立、u-boot的配置、linux内核的裁剪和移植、jffs2(journalling flash file system version 2)文件系统的制作和协议转换软件的设计。

　　4.3充电站服务器

　　服务器存储和管理充电站内的数据信息，记录异常事件，提供用户权限管理、远程访问、gps时间校准功能。

　　4.3.1硬件平台搭建

　　充电站内，服务器存储和处理的数据量大，运行时间长并且要求系统响应时间短，因此对系统硬件平台的性能要求很高。此外，硬件平台需采用国际计算机市场上的主流产品，符合计算机产业的发展方向，适应电力工业的应用环境。参考配置见表1。

表1 硬件平台的参考配置

　　4.3.2软件设计

　　服务器存储和管理充电站内的各种海量数据信息，数据之间逻辑关系复杂。站内的工作站需要服务器快速响应各种请求并提供数据服务，远程客户端通过浏览器可以访问服务器上的数据。因此需要开发针对充电站的数据管理系统和web服务程序。根据服务器实现的功能，整个软件系统采用架构如图4所示。

图4 充电站服务器软件系统架构

　　整个软件系统采用分层和模块化结构，便于系统维护和软件升级，提高服务器的可扩展性。系统通过相应的软件实现服务器的硬件平台管理、数据存储、数据管理和远程访问功能。操作系统管理服务器硬件，提高硬件平台的运行效率和稳定性，为上层软件提供运行平台，方便服务器软件功能的扩展，提供数据的安全保护和服务器用户权限管理。服务器存储的数据量大，数据之间逻辑联系紧密。与文件系统相比，数据库能够提高充电站内信息在硬件设备上的高效存储，提信息据查询、修改等操作的效率和安全性。数据库为应用程序提供大量接口，方便系统的二次开发。此外，数据库还提供用户权限管理，为服务器上数据提供二次保护，提高服务器数据的安全性。充电站数据管理系统负责上层软件与本地数据库的通信，响应上层软件查询、存储、修改数据库中数据的请求并提供相应的服务。提供服务器的用户权限管理，管理充电站内的通信协议。充电站提供远程监控功能，远程客户端通过web服务器实现远程访问，客户端用户只需安装ie6或ie7浏览器，输入充电站web服务器的网址，验证身份后登录、查询和操作权限内的数据。web服务程序提供数据的图形显示方式，可以输出和打印报表。

　　4.4监控软件设计

　　本设计采用北京昆仑通态软件公司研发的组态软件开发系统mcgs(monitor and control generated system)，该系统可以快速构造和生成上位机监控软件，模块化程度高，运行高效稳定，操作界面友好。根据监控系统的功能设计，监控软件的操作界面设计如图5所示。