電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

，，，

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

電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

高德欣，張如耀，張佳偉，白劍飛

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

隨著電動汽車的普及，電動汽車充電站建設(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，設(shè)計開發(fā)了一套電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對電動汽車充電站的監(jiān)控；首先，設(shè)計了充電站監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；其次，基于硬件接口設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)的通信，并對通信的硬件配置和軟件實現(xiàn)進行了詳細的講解；然后，采用C#語言開發(fā)了充電站上位機監(jiān)控系統(tǒng);該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)充電和配電運行情況實時監(jiān)控，故障信息實時報警和電動汽車充電的計量收費，保證了電動汽車充電站的正常運營。

電動汽車；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)控則是管理和維護電動汽車充電站的核心，是保證電動汽車充電站高效運行的重要一環(huán)。充電站在提供安全、方便充電的同時需要對充電站的統(tǒng)一監(jiān)控，因此需要開發(fā)智能、集中的電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)充電站的集中管理和監(jiān)控[4-5]。

本文基于.NET平臺，設(shè)計開發(fā)了一套電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對充電站的集中監(jiān)控，系統(tǒng)主要分為充電監(jiān)控和配電監(jiān)控兩大部分。采用工控機作為監(jiān)控主機，實現(xiàn)對充電樁、充電機、配電室、IC卡信息、電池信息等進行實時監(jiān)控，同時對電動汽車充電情況進行計費和統(tǒng)計分析。采用CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接充電樁和監(jiān)控主機，實現(xiàn)對充電過程中的電壓、電流等主要參數(shù)進行實時監(jiān)控；采用多串口卡連接配電室儀表和監(jiān)控主機，實現(xiàn)對配電部分的監(jiān)控和故障報警，方便現(xiàn)場人員及時做出處理。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)備個數(shù)和通信參數(shù)進行靈活的配置，從而增加了監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

針對以上情況，我們設(shè)計了一套電動汽車充電站監(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、充電樁、BMS(電池管理系統(tǒng))的數(shù)據(jù)信息，并對充電消費情況進行計量和統(tǒng)計分析從而實現(xiàn)對充電站的運營；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和開關(guān)狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)控，實現(xiàn)配電室的數(shù)據(jù)采集分析、故障報警等功能。監(jiān)控系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)存入SQLServer到數(shù)據(jù)庫中，方便日后消費情況和故障信息的統(tǒng)計分析，有利于管理者更好的了解整個充電站的運行情況。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、交換機連接到監(jiān)控主機，實現(xiàn)計費運營和數(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。

1.1 充電站監(jiān)控層

充電站監(jiān)控層主要包括工控機和數(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，因此使用工控機作為監(jiān)控主機來降低干擾。電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)運行在工控機上，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)器對所有數(shù)據(jù)進行備份，進一步保證了數(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)控層是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，通過監(jiān)控軟件可以監(jiān)控整個充電站信息。

監(jiān)控軟件設(shè)計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)議對充電金額、BMS、充電樁、監(jiān)控儀表的數(shù)據(jù)進行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)進行界面顯示和數(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)口連接交換機從而實現(xiàn)與監(jiān)控主機相連。CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器我們選用致遠電子的CANET-4E-U，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。該設(shè)備是實現(xiàn)充電監(jiān)控的核心設(shè)備，實現(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)控主機相連。在監(jiān)控系統(tǒng)的解析程序之中我們進行模塊化設(shè)計，分別針對高壓室、變壓室、低壓室監(jiān)控儀表的通訊協(xié)議進行解析，解決了監(jiān)控種類繁雜的問題。

1.3 設(shè)備層

充電監(jiān)控：包括充電機和充電樁。充電機連接低壓室，為充電樁供電，充電樁通過充電槍給電動汽車動力電池供電；充電樁主要包括樁體、電氣模塊、計量模塊、人機交互界面、通訊接口計費和安全防護等。

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保護裝置實現(xiàn)對整個電路的保護；變壓室儀表采用溫度控制器，進行溫度檢測和調(diào)控；低壓室為多功能電力儀表，對低壓室的各種電參量和運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

2 通信方式選擇與實現(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)控主機和充電樁之間的通信，使用CAN以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)；配電監(jiān)控通信是監(jiān)控主機和配電室監(jiān)控儀表之間的通信，使用RS-485總線實現(xiàn)。

2.1 充電監(jiān)控通信實現(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)控主機和充電樁之間的通信，將充電樁的CAN口轉(zhuǎn)換為網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)傳遞。CAN總線具有可靠性強、實時性好、通信速率快、通信服務(wù)簡便等特點而廣泛應(yīng)用電動汽車充電系統(tǒng)[7]。CAN總線采用差分信號傳輸方式，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)的動態(tài)鏈接庫，通過動態(tài)鏈接庫可以實現(xiàn)監(jiān)控主機與該設(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-接電源負極，DC端子與地相連。擁有4個CAN口和一個以太網(wǎng)口，分別和充電樁和充電站監(jiān)控系統(tǒng)進行連接。由于高頻信號傳輸時，信號波長相對傳輸線較短，信號在傳輸線終端會形成放射波，干擾原信號，所以需要在傳輸線末端加終端電阻。

CANET-4E-U設(shè)備的默認IP地址為：192.168.0.178。也可以使用ZNETCOM配置軟件進行設(shè)備IP的配置和讀取。在使用工控機和CANET設(shè)備通信時，需要保證工控機與設(shè)備在同一網(wǎng)段內(nèi)。我們將工控機作為服務(wù)器，CANET設(shè)備作為客戶端，CANET-4E-U將主動與工控機進行連接。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)控通信實現(xiàn)

配電室監(jiān)控通信通過RS-485總線，使用Modbus協(xié)議實現(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。RS-485總線采用平衡發(fā)送、差分接收，具有很強的抑制共模干擾能力。Modbus協(xié)議是主從協(xié)議，通過主機發(fā)送請求，從機響應(yīng)的方式進行通信。Modbus協(xié)議包含設(shè)備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)段和校驗位，通過校驗位可以保證數(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、奇偶校驗位、停止位、設(shè)備地址與監(jiān)控儀表參數(shù)一致進行通信。監(jiān)控系統(tǒng)接收到監(jiān)控儀表上傳的數(shù)據(jù)時，觸發(fā)DataReceived函數(shù)，進行數(shù)據(jù)解析。監(jiān)控系統(tǒng)使用定時器實現(xiàn)固定頻率的數(shù)據(jù)采集，并針對充電時、故障時和空閑時設(shè)置不同的采集頻率，既保證了充電和故障數(shù)據(jù)的及時采集，又減少了充電空閑時的數(shù)據(jù)量。

C#與變壓室儀表通訊的主要代碼：

SerialPortspTrans=new SerialPort();//實例化串口

//設(shè)置串口參數(shù)

spTrans.PortName=”COM12”;//端口號

spTrans.BaudRate=9600;//波特率

spTrans.DataBits=8;//數(shù)據(jù)位

spTrans.Parity=Parity.None;//奇偶校驗位

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《電動汽車充電站設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計開發(fā)，根據(jù)國標(biāo)要求，電動汽車充電站監(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、報表查詢、統(tǒng)計分析、故障管理、報警查詢、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、充電機監(jiān)控、配電室監(jiān)控。實時監(jiān)控充電樁、充電機、配電室的電參量和狀態(tài)信息。后臺模塊通過檢測狀態(tài)值和設(shè)置閥值進行異常檢測，對于異常情況進行報警提示，可實現(xiàn)電動汽車監(jiān)控系統(tǒng)的智能監(jiān)控功能。

2)報表查詢：按照時間和充電機編號等條件查詢歷史數(shù)據(jù)，可進行分頁顯示。對于查詢出來的數(shù)據(jù)可以進行報表導(dǎo)出和打印。

3)故障管理：對系統(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)報警查詢：對報警信息進行按時間段和故障信息查詢，以報表形式顯示和導(dǎo)出。

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

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。實現(xiàn)充電站中對應(yīng)不同個數(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

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

充電樁中包含有A槍和B槍，每個充電樁可以同時為兩輛車充電。該界面主要對充電槍的電量、充電機絕緣檢測結(jié)果、充電機狀態(tài)和電池管理系統(tǒng)的信息進行顯示。操作人員可以實時的查看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，在對充電數(shù)據(jù)和故障信息查詢時，讀取數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的表，將數(shù)據(jù)讀取上來進行界面顯示。監(jiān)控系統(tǒng)和刷卡充值系統(tǒng)需保持內(nèi)容上一致，要進行實時更新。

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)控儀表采用微型計算機的繼電器保護，該設(shè)備通過判斷開關(guān)的狀態(tài)來確定是否進行跳閘處理，對整個配電室電氣設(shè)備、線路進行保護，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行變壓室溫度控制，實現(xiàn)對變壓室的溫度調(diào)控；低壓室監(jiān)控儀表采用多功能電力儀表進行低壓室運行狀態(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信息，可以點擊對應(yīng)的圖片，界面會轉(zhuǎn)到對應(yīng)的界面，顯示具體的內(nèi)容。

4 結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)了一套電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(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營，提高了電動汽車充電站的安全運行能力，極大的方便了電動汽車充電站的管理。

[1] 孟 瑩, 曹以龍, 曾俊東. 電動汽車充電站智能管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 儀表技術(shù),2016,5:22-24.

[2] 劉立功, 王會軍, 卜銀娜,等.一種電動汽車充電站監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表,2016,53(13): 118-122.

[3] 馮東青, 趙洪蕊, 王迎迎.電動汽車充電站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制,2011,19(7):1619-1621.

[4] 趙明宇, 王剛, 汪映輝, 等.電動汽車充電設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化, 2011,35(10):48-51.

[5] 張明江, 袁 弘, 王濱海, 等. 基于可靠性的電動汽車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動化, 2014(12):135-140.

[6] 高德欣, 程 捷, 白劍飛.基于C#的交流異步電動機測試與分析系統(tǒng)開發(fā)[J].計算機測量與控制,2016,21(12): 37-40.

[7] 劉永相, 惠富會, 徐瑞林,等.基于LabVIEW和CAN總線的電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表,2011,48(11): 41-44.

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，山東煙臺人，博士(后)，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事優(yōu)化控制、計算機控制等方向的研究。

1671-4598(2017)11-0084-03

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

TP273.2

A