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(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,山東 青島 266042)

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

高德欣，張如耀，張佳偉，白劍飛

(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,山東青島266042)

隨著電動(dòng)汽車的普及，電動(dòng)汽車充電站建設(shè)的地位愈發(fā)重要，因此，充電站監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)具有重要意義;基于.NET平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電站的監(jiān)控；首先，設(shè)計(jì)了充電站監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；其次，基于硬件接口設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)的通信，并對(duì)通信的硬件配置和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的講解；然后，采用C#語言開發(fā)了充電站上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)充電和配電運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，故障信息實(shí)時(shí)報(bào)警和電動(dòng)汽車充電的計(jì)量收費(fèi)，保證了電動(dòng)汽車充電站的正常運(yùn)營。

電動(dòng)汽車；充電站；監(jiān)控系統(tǒng)；CAN總線

0 引言

傳統(tǒng)汽車的大量使用加劇了環(huán)境污染，電動(dòng)汽車由于節(jié)能環(huán)保，并且國家政策大力支持，因此得到了快速的普及[1-2]。充電站是電動(dòng)汽車不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施[3]，充電站監(jiān)控則是管理和維護(hù)電動(dòng)汽車充電站的核心，是保證電動(dòng)汽車充電站高效運(yùn)行的重要一環(huán)。充電站在提供安全、方便充電的同時(shí)需要對(duì)充電站的統(tǒng)一監(jiān)控，因此需要開發(fā)智能、集中的電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)充電站的集中管理和監(jiān)控[4-5]。

本文基于.NET平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電站的集中監(jiān)控，系統(tǒng)主要分為充電監(jiān)控和配電監(jiān)控兩大部分。采用工控機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁、充電機(jī)、配電室、IC卡信息、電池信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車充電情況進(jìn)行計(jì)費(fèi)和統(tǒng)計(jì)分析。采用CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接充電樁和監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過程中的電壓、電流等主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；采用多串口卡連接配電室儀表和監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電部分的監(jiān)控和故障報(bào)警，方便現(xiàn)場人員及時(shí)做出處理。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

充電站監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)比較有以下特殊性：

1)監(jiān)控對(duì)象種類繁多，通信方式各異，每種設(shè)備具有各自的通信協(xié)議，包含TCP/IP協(xié)議、CAN總線、Modbus協(xié)議。充電監(jiān)控主要使用TCPIP和CAN總線通信；配電監(jiān)控使用Modbus協(xié)議，高壓室、變壓室、低壓室儀表具有不同的協(xié)議。

2)充電站規(guī)模的不同，需要監(jiān)控的充電設(shè)備和配電設(shè)備的數(shù)量不一，要求監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備個(gè)數(shù)和通信參數(shù)進(jìn)行靈活的配置，從而增加了監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

針對(duì)以上情況，我們設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)，包括充電監(jiān)控和配電監(jiān)控兩大部分。充電監(jiān)控主要采集充電機(jī)、充電樁、BMS(電池管理系統(tǒng))的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)充電消費(fèi)情況進(jìn)行計(jì)量和統(tǒng)計(jì)分析從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充電站的運(yùn)營；配電監(jiān)控主要將高壓室、變壓室和低壓室的儀表信息和各種保護(hù)和開關(guān)狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)配電室的數(shù)據(jù)采集分析、故障報(bào)警等功能。監(jiān)控系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)存入SQLServer到數(shù)據(jù)庫中，方便日后消費(fèi)情況和故障信息的統(tǒng)計(jì)分析，有利于管理者更好的了解整個(gè)充電站的運(yùn)行情況。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)分為充電站監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和設(shè)備層三層，每一層又包含充電監(jiān)控和配電監(jiān)控兩大部分。充電監(jiān)控部分中的充電樁通過CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)連接到監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)運(yùn)營和數(shù)據(jù)的采集分析。配電監(jiān)控部分通過RS485總線、多串口卡連接監(jiān)控主機(jī)。

1.1 充電站監(jiān)控層

充電站監(jiān)控層主要包括工控機(jī)和數(shù)據(jù)服務(wù)器等。由于監(jiān)控系統(tǒng)距離配電室比較近，存在比較大的電磁干擾，因此使用工控機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)來降低干擾。電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行在工控機(jī)上，監(jiān)控系統(tǒng)包括充電監(jiān)控和配電監(jiān)控兩大部分。數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，進(jìn)一步保證了數(shù)據(jù)的安全。為避免斷電造成的數(shù)據(jù)丟失，使用UPS不間斷電源作為后備電源。充電站監(jiān)控層是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，通過監(jiān)控軟件可以監(jiān)控整個(gè)充電站信息。

監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)主要包括界面顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與解析模塊和數(shù)據(jù)庫操作模塊三大模塊。數(shù)據(jù)采集與解析模塊按照通信協(xié)議對(duì)充電金額、BMS、充電樁、監(jiān)控儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行界面顯示和數(shù)據(jù)庫保存操作。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通訊層

充電樁與監(jiān)控主機(jī)是通過CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接。充電樁的CAN通信接口連接CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器CAN口，CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的網(wǎng)口連接交換機(jī)從而實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控主機(jī)相連。CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器我們選用致遠(yuǎn)電子的CANET-4E-U，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。該設(shè)備是實(shí)現(xiàn)充電監(jiān)控的核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了CAN接口網(wǎng)口的轉(zhuǎn)換。

配電通訊部分我們采用RS485和多串口卡實(shí)現(xiàn)。高壓室、變壓室、低壓室監(jiān)控儀表連接RS485集線器，通過集線器與監(jiān)控主機(jī)相連。在監(jiān)控系統(tǒng)的解析程序之中我們進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，分別針對(duì)高壓室、變壓室、低壓室監(jiān)控儀表的通訊協(xié)議進(jìn)行解析，解決了監(jiān)控種類繁雜的問題。

1.3 設(shè)備層

充電監(jiān)控：包括充電機(jī)和充電樁。充電機(jī)連接低壓室，為充電樁供電，充電樁通過充電槍給電動(dòng)汽車動(dòng)力電池供電；充電樁主要包括樁體、電氣模塊、計(jì)量模塊、人機(jī)交互界面、通訊接口計(jì)費(fèi)和安全防護(hù)等。

配電監(jiān)控：配電室包括高壓室、變壓室、低壓室的電力儀表。高壓室儀表采用微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路的保護(hù)；變壓室儀表采用溫度控制器，進(jìn)行溫度檢測和調(diào)控；低壓室為多功能電力儀表，對(duì)低壓室的各種電參量和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2 通信方式選擇與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)的通信主要分為充電監(jiān)控的通信和配電監(jiān)控的通信。充電監(jiān)控通信是監(jiān)控主機(jī)和充電樁之間的通信，使用CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)；配電監(jiān)控通信是監(jiān)控主機(jī)和配電室監(jiān)控儀表之間的通信，使用RS-485總線實(shí)現(xiàn)。

2.1 充電監(jiān)控通信實(shí)現(xiàn)

充電監(jiān)控通信使用CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換，CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器用于監(jiān)控主機(jī)和充電樁之間的通信，將充電樁的CAN口轉(zhuǎn)換為網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。CAN總線具有可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、通信速率快、通信服務(wù)簡便等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)[7]。CAN總線采用差分信號(hào)傳輸方式，以雙絞線作為物理層，需要有2根線作為差分信號(hào)線(CAN_H、CAN_L)。

監(jiān)控系統(tǒng)使用CANET-4E-U高性能CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和充電樁之間的通訊。系統(tǒng)采用的CANET-4E-U高性能CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器提供了標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫，通過動(dòng)態(tài)鏈接庫可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主機(jī)與該設(shè)備的通訊。CANET-4E-U使用9～24 V直流電源供電，V+接電源正極，V-接電源負(fù)極，DC端子與地相連。擁有4個(gè)CAN口和一個(gè)以太網(wǎng)口，分別和充電樁和充電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接。由于高頻信號(hào)傳輸時(shí)，信號(hào)波長相對(duì)傳輸線較短，信號(hào)在傳輸線終端會(huì)形成放射波，干擾原信號(hào)，所以需要在傳輸線末端加終端電阻。

CANET-4E-U設(shè)備的默認(rèn)IP地址為：192.168.0.178。也可以使用ZNETCOM配置軟件進(jìn)行設(shè)備IP的配置和讀取。在使用工控機(jī)和CANET設(shè)備通信時(shí)，需要保證工控機(jī)與設(shè)備在同一網(wǎng)段內(nèi)。我們將工控機(jī)作為服務(wù)器，CANET設(shè)備作為客戶端，CANET-4E-U將主動(dòng)與工控機(jī)進(jìn)行連接。如果連接不成功則需要檢查設(shè)備參數(shù)是否匹配，圖2是C#與CANET-4E-U的通訊流程圖。

圖2 C#與CANET-4E-U的通訊流程圖

下面是C#與CANET-4E-U通訊的主要代碼：

//獲得本機(jī)端口

uintsrcpo = Convert.ToUInt32(textBox_srcport.Text);

byte[] srcports = IntToBytes(srcpo, 4);

uintcmdtype = (uint)can.CMD.CMD_SRCPORT;

//調(diào)用函數(shù)檢測TCP是否連接成功

VCI_SetReference(m_devtype, m_devind, m_canind, cmdtype, ref srcports[0]);

//設(shè)置TCP工作模式

2.1.1 自然災(zāi)害頻繁 秦安縣年平均降雨量507.3 mm，且分布極不均勻，秋季最多，夏季次之，冬季最少，春旱頻繁，伏旱時(shí)有發(fā)生，并間有冰雹、霜凍、低溫等自然災(zāi)害。2018年春季低溫霜凍導(dǎo)致全縣十余萬畝花椒絕收，部分花椒主枝或樹冠全部凍死，自然災(zāi)害頻繁嚴(yán)重制約著花椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

cmdtype = (uint)can.CMD.CMD_TCP_TYPE;

//設(shè)置本機(jī)為服務(wù)器模式

uinttcptype = (uint)can.TCPTYPE.TCP_SERVER;

byte[] types = IntToBytes(tcptype, 4);

VCI_SetReference(m_devtype, m_devind, m_canind, cmdtype, ref types[0]);

//啟動(dòng)CAN

VCI_StartCAN(m_devtype, m_devind, m_canind);

//調(diào)用發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀

VCI_Transmit(m_devtype, m_devind, m_canind, ref sendobj[0], (uint)num);

//復(fù)位CAN

VCI_ResetCAN(m_devtype, m_devind, m_canind)

2.2 配電監(jiān)控通信實(shí)現(xiàn)

配電室監(jiān)控通信通過RS-485總線，使用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。配電室監(jiān)控儀表連接RS-485總線，通過多串口卡連接監(jiān)控主機(jī)。RS-485總線采用平衡發(fā)送、差分接收，具有很強(qiáng)的抑制共模干擾能力。Modbus協(xié)議是主從協(xié)議，通過主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，從機(jī)響應(yīng)的方式進(jìn)行通信。Modbus協(xié)議包含設(shè)備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)位，通過校驗(yàn)位可以保證數(shù)據(jù)的正確性。

系統(tǒng)使用SerialPort串口控件，通過設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、端口號(hào)、奇偶校驗(yàn)位、停止位、設(shè)備地址與監(jiān)控儀表參數(shù)一致進(jìn)行通信。監(jiān)控系統(tǒng)接收到監(jiān)控儀表上傳的數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)DataReceived函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。監(jiān)控系統(tǒng)使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)固定頻率的數(shù)據(jù)采集，并針對(duì)充電時(shí)、故障時(shí)和空閑時(shí)設(shè)置不同的采集頻率，既保證了充電和故障數(shù)據(jù)的及時(shí)采集，又減少了充電空閑時(shí)的數(shù)據(jù)量。

C#與變壓室儀表通訊的主要代碼：

SerialPortspTrans=new SerialPort();//實(shí)例化串口

//設(shè)置串口參數(shù)

spTrans.PortName=”COM12”;//端口號(hào)

spTrans.BaudRate=9600;//波特率

spTrans.DataBits=8;//數(shù)據(jù)位

spTrans.Parity=Parity.None;//奇偶校驗(yàn)位

spTrans.StopBits=StopBits.One;//停止位

spTrans.Open();//打開串口

byte[] send={02,03,00,00,00,04,68,58};

spTrans.Write(send,0,send.Length);//發(fā)送數(shù)據(jù)

byte[] response=new byte[13];

spTrans.Read(response,0,response.Length);//將得到的數(shù)據(jù)放入response中

spTrans.Close();//關(guān)閉串口

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

本系統(tǒng)參照GB/T 50966-2014《電動(dòng)汽車充電站設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，根據(jù)國標(biāo)要求，電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)主要包括充電監(jiān)控部分和配電監(jiān)控部分。

3.1 充電監(jiān)控部分

充電監(jiān)控部分主要包含站監(jiān)控、報(bào)表查詢、統(tǒng)計(jì)分析、故障管理、報(bào)警查詢、IC卡管理、系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理、使用幫助等功能。

1)站監(jiān)控包括：充電樁監(jiān)控、充電機(jī)監(jiān)控、配電室監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁、充電機(jī)、配電室的電參量和狀態(tài)信息。后臺(tái)模塊通過檢測狀態(tài)值和設(shè)置閥值進(jìn)行異常檢測，對(duì)于異常情況進(jìn)行報(bào)警提示，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)的智能監(jiān)控功能。

2)報(bào)表查詢：按照時(shí)間和充電機(jī)編號(hào)等條件查詢歷史數(shù)據(jù)，可進(jìn)行分頁顯示。對(duì)于查詢出來的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行報(bào)表導(dǎo)出和打印。

3)故障管理：對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的處理，包括故障追蹤、派工處理和維修管理。

4)報(bào)警查詢：對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行按時(shí)間段和故障信息查詢，以報(bào)表形式顯示和導(dǎo)出。

5)計(jì)量計(jì)費(fèi)：主要包括IC卡的充值、消費(fèi)、賬戶信息的查詢以及月電量和年電量的統(tǒng)計(jì)。能夠詳細(xì)的顯示每一次充電所消耗的金額、時(shí)間和電量信息。

6)系統(tǒng)設(shè)置：主要包含數(shù)據(jù)庫的配置和充電樁的配置。實(shí)現(xiàn)充電站中對(duì)應(yīng)不同個(gè)數(shù)充電樁的零活配置。

7)用戶管理：可增加刪除用戶，設(shè)置登陸密碼和登陸權(quán)限。只有輸入正確的用戶名和密碼才能登錄成功。

8)使用幫助：介紹軟件操作流程，使軟件操作者快速上手，正確操作軟件

通過點(diǎn)擊主界面的充電樁圖標(biāo)，可以進(jìn)入到充電槍界面，顯示詳細(xì)的充電信息。

充電樁中包含有A槍和B槍，每個(gè)充電樁可以同時(shí)為兩輛車充電。該界面主要對(duì)充電槍的電量、充電機(jī)絕緣檢測結(jié)果、充電機(jī)狀態(tài)和電池管理系統(tǒng)的信息進(jìn)行顯示。操作人員可以實(shí)時(shí)的查看A、B兩槍的參數(shù)及狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)將采集與解析得到的參數(shù)信息存入SQLServer數(shù)據(jù)庫，在對(duì)充電數(shù)據(jù)和故障信息查詢時(shí)，讀取數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的表，將數(shù)據(jù)讀取上來進(jìn)行界面顯示。監(jiān)控系統(tǒng)和刷卡充值系統(tǒng)需保持內(nèi)容上一致，要進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

3.2 配電監(jiān)控部分

配電監(jiān)控部分主要包括高壓室、變壓室和低壓室監(jiān)控。高壓室監(jiān)控儀表采用微型計(jì)算機(jī)的繼電器保護(hù)，該設(shè)備通過判斷開關(guān)的狀態(tài)來確定是否進(jìn)行跳閘處理，對(duì)整個(gè)配電室電氣設(shè)備、線路進(jìn)行保護(hù)，避免操作不當(dāng)引起的儀器損壞；變壓室監(jiān)控儀表采用溫控器進(jìn)行變壓室溫度控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓室的溫度調(diào)控；低壓室監(jiān)控儀表采用多功能電力儀表進(jìn)行低壓室運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。如圖3所示。

圖3 配電監(jiān)控界面

由圖3可以看出，配電監(jiān)控界面中主要顯示高壓、變壓和低壓的主要參數(shù)：高壓室包含開關(guān)狀態(tài)、斷線狀態(tài)、失壓狀態(tài)、高溫狀態(tài)、速斷狀態(tài)和零序電壓狀態(tài)等；變壓室包括風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)、超高溫跳閘狀態(tài)、A相傳感器狀態(tài)、B相傳感器狀態(tài)、C相傳感器狀態(tài)和超高溫報(bào)警狀態(tài)；低壓室主要顯示各相電壓和功率等信息。如果想看某室中的詳細(xì)信息，可以點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的圖片，界面會(huì)轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的界面，顯示具體的內(nèi)容。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了充電站的充電和配電設(shè)備統(tǒng)一集中監(jiān)控。系統(tǒng)的應(yīng)用保證了充電站的正常運(yùn)營，提高了電動(dòng)汽車充電站的安全運(yùn)行能力，極大的方便了電動(dòng)汽車充電站的管理。

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DesignofElectricVehicleChargingStationMonitoringSystem

Gao Dexin, Zhang Ruyao,Zhang Jiawei, Bai Jianfei

(College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science & Technology,Qingdao 266042,China)

With the popularity of electric vehicles, electric vehicle charging station construction is becoming more and more important, therefore, the development of charging station monitoring system is of great significance. Based on the.NET platform, a set of electric vehicle charging station monitoring system is designed and developed. First of all, design the overall structure of the charging station monitoring system; secondly, based on the hardware interface to design communication monitoring system, and the hardware configuration and software implementation in detail; then, the development of the charging station computer monitoring and control system using C# language. The system can realize the real-time monitoring of the charging and distribution operation, the real-time alarm of fault information and the metering charge of electric vehicle charging, which ensures the normal operation of the electric vehicle charging station.

electric vehicle; charging station; monitoring system;CAN bus

2017-04-13；

2017-05-15。

高德欣(1978-)，男，山東煙臺(tái)人，博士(后)，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事優(yōu)化控制、計(jì)算機(jī)控制等方向的研究。

1671-4598(2017)11-0084-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.022

TP273.2

A