基于MCGS的充電站監控系統設計

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大力發展的對象，而電動汽車充電站是電動汽車大規模產業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，充電站監控系統作為充電站自動化系統的核心，是目前電動汽車充電站建設產業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控系統的結構設計，根據國家標準設計監控系統實現的功能，最后介紹基于mcgs技術的充電站監控系統的實現。

2 充電站監控系統結構設計

　　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]、電力監控系統的技術實現路線及發展趨勢，充電站監控系統采用c/s和b/s相結合的方式進行設計，如圖1所示

圖1 充電站監控系統結構圖

　　整個監控系統采用工業以太網連接，充電機、bms(電池管理系統)和智能電表由通訊控制器經協議轉換后接入以太網并與上位機進行通訊，配電監控系統同樣由以太網與監控系統通信，這些部分采用c/s結構；上級監控系統通過以太網與本地監控系統通信，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。監控系統能通過工業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進行監控。此外，本地監控系統可以通過以太網與多個上級監控系統進行通信，實現分級和遠程監控。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(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關狀態、保護信號、電壓電流、有功功率、無功功率和功率因數。

　　3.2控制調節功能

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

　　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、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 充電站監控系統實現

　　4.1gps時鐘系統

　　該系統選用上海瑞呈有限公司的k806-d衛星同步時鐘，該時鐘除了配有通用串口外，還提供2路網絡對時信號，系統自保持能力強(優于0.6us/min)，支持多種操作系統及基于ntp協議的路由器、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，工作穩定，操作簡便。在充電站監控系統中，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，而上層監控計算機采用工業以太網通信，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技術規范，能夠發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總線收發器，它擔負著節點和總線之間接收和發送電平轉換的任務。另外，為了使硬件平臺提供高效的軟件運行環境，系統還設計了存儲電路(16mb nor flash，主要用來存放系統引導程序bootloader、內核、文件系統；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。系統結構如圖3所示。