分布式光伏充電站Web實時監控平臺設計

邢毓華，羅林潔

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安 710048)

分布式光伏充電站Web實時監控平臺設計

邢毓華，羅林潔

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安 710048)

隨著光伏充電站基礎設施的廣泛建設，為電動汽車用戶提供便利的同時，也為其管理帶來了巨大的挑戰；為了實現對光伏充電站更加有效的管理，在分析分布式光伏充電站數據通信方案的基礎上，設計了一種光伏充電站Web實時監控平臺；該平臺基于ZigBee技術、GPRS-DTU技術、HTTP協議設計了直流充電樁無線傳感器數據采集方案，部署數據庫服務器、Web服務器以克服充電站無人值守的問題，實現對該分布式系統的集中管控，同時設計用于充電預約、監控、提醒等功能的安卓用戶APP以提升用戶體驗，并對該系統進行實驗驗證；經驗證，該設計方案能夠有效實現對分布式光伏充電站的實時數據采集與Web端集中管控，為充電站無人值守與遠程監控提供了一種有效的技術解決方案。

光伏充電站；分布式遠程監控；數據通信

0 引言

電動汽車具有節能環保的優勢，已成為汽車工業發展不可逆轉的潮流。隨著國家大力扶持電動汽車產業政策的實施，充電站是電動汽車產業化后必須建設的基礎設施，實現充電站管理和監控的自動化是目前充電站建設的發展趨勢[1-2]。在充電站建設中，實現其高效、安全、智能化管理已成為主流。

光伏充電站的特點是部署地點分散，難以實現實時統一管理。針對此問題，將介紹一種光伏充電站在線集中監控方案。該監控方案包括數據采集、通信、在線控制等功能，有效解決了分布式光伏充電站管理難的問題，同時為光伏充電站的后續功能拓展和故障診斷提供了有效的技術支撐。

1 總體設計方案概述

光伏充電站按照功能可以劃分為四個子模塊：光伏發電系統、配電系統、充電系統、充電站監控系統[3]。這里主要介紹充電站監控系統的設計方案。如圖1所示，在整個結構的底層，每個充電樁都被看做一個數據采集節點，用來上傳充電樁運行過程中產生的數據，如電壓、電流、溫度等信息。這些數據采集節點通過ZigBee組成一個星型網絡，在星型網絡的中心——匯集節點，數據將通過它進行匯總，經通用分組無線服務數據傳輸(GPRS-DTU)技術統一傳輸到遠程服務器。

圖1 分布式光伏充電站監控方案結構圖

在服務器端架設MySQL 5.1.73數據庫服務器用于存儲實時上傳的數據，同時在Web服務器Tomcat 7.0上部署了Web應用，向管理員和用戶端APP提供訪問入口。

2 數據采集傳輸方案

為了避免光伏發電諸多因素引起的不穩定性，利用蓄電池將多余的能量儲存起來，作為光伏充電站后備能量或者夜間備用電能[4]。從應用的廣泛程度來講，蓄電池主要有鉛蓄電池與鋰離子電池兩大類。本方案使用鋰離子電池進行能量存儲，相比于傳統鉛酸蓄電池，鋰離子電池的優點是比較穩定，安全測試已證明鋰離子電池不會爆炸，適宜作為充電站內的儲能裝置[5]。

在該方案中，采用低功耗的Maxim DS2780芯片完成對鋰電池數據的采集工作，該芯片可以測量電壓、溫度和電流，對可重復充放電的鋰離子聚合物電池評估可用電量。其優點包括：15bit高精度ADC電路，16字節的用戶EEPROM，庫侖計和損耗評估數據通過24字節非易失性EEPROM自動備份；單芯特性以及應用參數將被記錄在EEPROM芯片中；全球獨有的ID和易操作的單總線接口。其典型的采集電路如圖2所示。

圖2 DS2780典型應用電路

該采集電路由STM8單片機來管理，是BMS的一部分，通過串口與主控板進行數據通信，主控板作為BMS的上位機，通過定時發送查詢指令，查詢BMS的狀態信息。

圖3描述的是數據采集方案的結構圖，在該數據采集方案中，主控板是采用友善之臂公司的Tiny4412開發板進行開發的。Tiny4412使用高性能的Cortex-A9核心板，采用三星高性能Exynos 4412四核處理器，運行主頻1.5GHz，標配1G DDR3內存和4GB高速eMMC閃存，外設接口非常豐富，完全滿足開發要求。采用ZigBee作為通信方案的考究是，ZigBee是一種低功耗的無線組網解決方案，工作在2.4GHz ISM開放頻段，理論情況下每個網絡最多可以容納65535個節點，所以在本設計中，充電樁節點個數可以根據需求動態調整，無需進行軟件的二次開發就可以快速地進行拓展。

圖3 數據采集采集方案結構圖

采集對象主要分3組：①充電機運行時的傳感器信息，涉及充電裝置故障、監控單元故障、充電模式等狀態信息；直流輸出過流、直流輸出過/欠壓、直流側開關跳閘等保護信息以及相應定值；充電裝置直流輸出電壓、電流、高頻電源模塊輸出電流等測量信息；充電機充電模式的調整等控制信息[6]。②蓄電池BMS的狀態信息，主要有蓄電池組運行狀態、蓄電池組故障等狀態信息[7]；蓄電池組電壓、溫度、充電功率以及單體蓄電池電壓與荷電等測量信息。③電動汽車BMS連接充電機后的狀態回饋信息，包括電壓、電流等測量信息；充電槍狀態改變、插座門關門故障等狀態信息；過負荷、欠壓、過壓等保護信息和定值信息。

在Tiny4412搭載嵌入式Android系統的基礎上，開發針對采集和數據通信的應用程序。對于充電站這樣強電磁環境、數據量不是特別大的場合，監控系統和設備之間通信推薦采用CAN總線通信[9]，連接主控板時，使用USB-CAN轉換接口即可。因為嵌入式Android系統的底層基于Linux操作系統，所以其串口設備連接之后的設備是以ttyUSBx來命名的。

如圖4所示，數據經ttyUSBx設備采集之后，首先將保存在本地輕量化數據庫SQLite中，以便后期故障維修查找問題；然后系統將啟動另外一個子線程用于數據上傳，ZigBee采集設備作為ZigBee網絡的子節點，通過串口接收主控板輸出的數據，無線轉發給ZigBee匯集節點。

圖4 數據采集與發送流程圖

在ZigBee發送數據之前，需要確認該子節點是否加入當前有效范圍內的網絡，子節點加入網絡的過程如圖5所示。上電后初始化Zigbee模塊硬件資源，包括通道、頻率、串口等；接著，發出網絡發現消息，若發現存在新網絡，則發出網絡加入請求，申請加入發現的新網絡；若收到加入成功應答信標，則更新網絡狀態并進入低功耗狀態；如果加入失敗，則繼續發送申請信號，直到完成加入；最后，進入低功耗模式后等待從串口傳來的數據，喚醒至工作模式進行數據傳輸，完成數據傳輸后繼續進入低功耗模式。

圖5 ZigBee子節點工作流程圖

在ZigBee匯集節點一端，對子節點數據進行匯集，由于每個節點在網絡中都有一個短地址，該地址會隨著數據包作為節點標識進行發送。匯集節點將數據直接轉發給GPRS-DTU模塊，經GPRS網絡上傳至數據庫服務器。

3 服務器端架構與軟件設計

分析光伏充電站管理系統的功能需求，在Web服務器上設計并實現了Web應用，其功能包括：數據源寫入、充電樁監控數據實時顯示、訂單管理、用戶管理、故障管理等功能。

Web應用采用MVC模式，自頂向下分為表示層(View Layer)、業務邏輯層(Service Layer)和數據訪問層(Dao Layer)[10]，如圖6所示。

圖6 Web服務器端應用框架

如圖7所描述，在瀏覽器與 Web 服務器之間，增加了Ajax引擎層，它同樣使用HTTP協議傳輸數據，但摒棄了傳統的HTML+CSS數據交互形式，改而采用Json等輕量化數據交互形式，這樣就可使網頁從服務器請求少量的信息，大大削減了用戶與服務器之間的I/O，使得信息交互變得輕量化，用戶的體驗更加流暢。這樣做的好處在于，在頁面展示端，用戶不用手動刷新頁面，即可接收到從后臺服務器傳回的最新數據。

圖7 傳統HTTP請求與Ajax請求的對比

圖8是充電站Web在線監控界面，在線監測可以通過判斷狀態碼來實現對故障充電樁的識別，并記錄在故障表中備份。

圖8 充電站Web在線監控界面

為了讓用戶體驗到更便捷的服務，設計用戶專用APP，完成在線查找充電樁、充電預約、導航等功能。如圖9，在用戶端APP中嵌入百度地圖引擎，方便用戶進行充電樁的在線查找、預約等需求。其中的綠色Marker表示空閑可用，紅色Marker表示正在使用，灰色Marker表示出現故障停用。用戶點擊綠色Marker之后可以進行下一步的預約操作。

圖9 用戶端APP界面

4 測試與結果分析

搭建系統測試環境，驗證該系統的實際運行效果，對ZigBee數據傳輸的誤包率和GPRS網絡時延兩個指標進行統計，測試地點為金花校區體育場。

模擬采集網絡包括3個采集節點、1個匯集節點，匯集節點分兩路輸出，一路與PC機之間通過RS-232方式相連，利用串口調試工具統計接收數據包，另一路通過串口連接GPRS模塊，ZigBee設備的射頻中心頻率為2485MHz、發射功率為3dbm、串口波特率為115200 bps，接收天線靈敏度為-92dbm。為提高數據的可信度，每次發送數據包1000個，每個測量點進行了30次數據測量并取平均值。

表1 丟包率統計表

實驗結果如表1所示，丟包率指實際未接收到的數據包個數占總發送數據包個數的百分比。從表1中可以看出，當距離在75m內時，丟包率控制在0.86 %以內，具有較高的可靠性；而當距離在100m～150m時，丟包率明顯增大，無線信號傳輸質量明顯下降。

實驗結果表明，該采集系統在75m范圍內，具有較強的數據傳輸能力。GPRS鏈路數據傳輸時延控制在2～3s以內，具有較高的可靠性。

5 結論

通過實驗數據得出結論，該平臺基于ZigBee技術、GPRS-DTU技術、HTTP技術設計的直流充電樁無線傳感器數據采集方案，部署數據庫服務器、Web服務器，可以有效實現對該分布式系統的集中管控，克服充電站無人值守的問題。

系統投入使用后的數據量將日益增多，難以存儲在一臺機器上，研究人員可以利用Hadoop大數據平臺中的HDFS分布式文件系統組件對該平臺海量監控數據進行存儲，利用Spark計算平臺進行在線實時數據分析，尋找更加智能、高效的管理策略。

[1] Wang Yunyan, Li Jingxin, Jiang Jiuchun, et al. Management information system of charging station for electricvehicle (EV)[A]. 2005 International Conference on Electrical Machines and Systems[C]. 2005, 1: 857-860

[2]Su C L, Yu J T, Chin H M, et al.Evaluation of power-quality field measurements of an electric bus charging station using remote monitoring systems[A]. 2016 10th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG)[C]. Bydgoszcz, 2016, pp. 58-63.

[3] 王 健，姜久春.電動汽車充電站信息管理系統的設計和實現[J].微計算機信息 2006(11):16-18

[4] 王盛強，李婷婷.新能源光伏汽車充電站發展現狀與分析[J].科技創新與應用，2016，(2):106-107.

[5] 楊忠亮，柳 羿.帶光伏儲能的鋰電池充電站充電平穩性分析[J].低壓電器，2012，(15):31-35.

[6] SZDB/Z 29.3-2010電動汽車充電系統技術規范，第3部分:非車載充電機[S].深圳:深圳市市場監督管理局，2010.

[7] 胡 勇，郭子健，劉奇峰,等.基于IEC 61970/61850的電動汽車充電站監控系統建模方案[J].電力系統自動化，2013，37(2):91-96.

[8] 嚴 輝.電動汽車充電站監控系統研究[D].北京：華北電力大學(北京)，2009.

[9] 艾明浩，齊林海.基于有序充電的電動汽車充電站在線監控系統[J].陜西電力，2014，42(6):6-11

Design of Real-time Web Monitoring Platform for Photovoltaic Charging Station

Xing Yuhua，Luo Linjie

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048,China)

With the extensive construction of photovoltaic charging station infrastructure, not only provided convenience for the electric vehicles users, but also brought great challenges for its management. In order to achieve more effective management of photovoltaic charging stations, based on the analysis of the data communication scheme of distributed photovoltaic charging station, this paper designs a kind of Web real-time monitoring platform. Based on ZigBee technology, GPRS-DTU technology and HTTP protocol in this platform, we designed DC charging pile wireless sensor data acquisition scheme, while deployed the database server and the Web server in order to overcome the problem of charging pile unattended, to achieve centralized control of distributed systems, and we designed Android APP for charging reservation users to monitoring, alerts and other functions to improve user experience. And the experimental verification of the system is carried out. After verification, the design scheme can realize the real-time data acquisition and Web centralized control of distributed PV charging station. Provides an effective technical solution for the unattended and remote monitoring of the charging stations.

photovoltaic charging station; distributed remote monitoring and control; data communication

2016-10-10；

2016-11-21。

邢毓華(1966-)，男，陜西省西安市人，副教授，碩士研究生導師，主要從事物聯網通信技術方向的研究。

羅林潔(1991-)，男，陜西省寶雞市人，碩士研究生，主要從事物聯網通信技術方向的研究。

1671-4598(2017)03-0073-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.021

TP913.23

A