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[導讀]基于MCGS的充電站監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)大力發(fā)展的對象,而電動汽車充電站是電動汽車大規(guī)模產業(yè)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(xiàn)其高效、安全、智能化管理已成為主流,充電站監(jiān)控系統(tǒng)作為充電站自動化系統(tǒng)的核心,是目前電動汽車充電站建設產業(yè)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(jiān)控系統(tǒng)的結構設計,根據(jù)國家標準設計監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能,最后介紹基于mcgs技術的充電站監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)。
           
2  充電站監(jiān)控系統(tǒng)結構設計
              
  參照國家電網(wǎng)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(jiān)控系統(tǒng)的技術實現(xiàn)路線及發(fā)展趨勢,充電站監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)結構圖

  整個監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)連接,充電機、bms(電池管理系統(tǒng))和智能電表由通訊控制器經(jīng)協(xié)議轉換后接入以太網(wǎng)并與上位機進行通訊,配電監(jiān)控系統(tǒng)同樣由以太網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)通信,這些部分采用c/s結構;上級監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與本地監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)信息,gps時鐘提供本地時鐘校準功能。監(jiān)控系統(tǒng)能通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)各種類型充電機的接入,對充電機和電池管理系統(tǒng)進行監(jiān)控。此外,本地監(jiān)控系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)與多個上級監(jiān)控系統(tǒng)進行通信,實現(xiàn)分級和遠程監(jiān)控。這種結構使系統(tǒng)具備較強的可伸縮性,可以滿足充電設施規(guī)模不斷擴容的要求。
           
3  監(jiān)控系統(tǒng)功能設計
              
  充電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能是充電監(jiān)控功能,即對充電機和充電電池的各種工作狀態(tài)的監(jiān)控。此外,還包括一些輔助功能以增強系統(tǒng)穩(wěn)健性和智能化管理。
           
  3.1數(shù)據(jù)采集功能
              
  系統(tǒng)采集充電機工作狀態(tài)(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(tài)和電池故障信號(包括單體電池工作參數(shù),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(shù),電池健康指數(shù));采集充電站配電系統(tǒng)監(jiān)控上傳的開關狀態(tài)、保護信號、電壓電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)。
           
  3.2控制調節(jié)功能
              
  監(jiān)控系統(tǒng)能向充電機下發(fā)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(shù),控制配電系統(tǒng)斷路器及開關的分合。
           
  3.3數(shù)據(jù)處理和存儲功能
              
     監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)充電站內的數(shù)據(jù)性質、重要性進行分類存儲,當數(shù)據(jù)量大時,可以根據(jù)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(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的集中存儲和查詢功能;此外,系統(tǒng)具備操作記錄、系統(tǒng)故障記錄、充電運行參數(shù)異常記錄和電池組參數(shù)異常記錄功能。
           
4  充電站監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)
           
  4.1gps時鐘系統(tǒng)
              
  該系統(tǒng)選用上海瑞呈有限公司的k806-d衛(wèi)星同步時鐘,該時鐘除了配有通用串口外,還提供2路網(wǎng)絡對時信號,系統(tǒng)自保持能力強(優(yōu)于0.6us/min),支持多種操作系統(tǒng)及基于ntp協(xié)議的路由器、交換機、智能控制器等網(wǎng)絡設備,支持電源中斷、gps失步干接點信號告警,工作穩(wěn)定,操作簡便。在充電站監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)使用的是can總線,它不提供can總線信號和以太網(wǎng)信號之間的轉換,而上層監(jiān)控計算機采用工業(yè)以太網(wǎng)通信,因此在監(jiān)控計算機和待監(jiān)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(tǒng)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(yè)級芯片內嵌網(wǎng)絡控制器,包含了以太網(wǎng)mac控制,因此只需外接一片10/100m物理層芯片dm9161e提供以太網(wǎng)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(fā)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(xiàn)的,它支持canv2.0b技術規(guī)范,能夠發(fā)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(fā)器,它擔負著節(jié)點和總線之間接收和發(fā)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(huán)境,系統(tǒng)還設計了存儲電路(16mb nor flash,主要用來存放系統(tǒng)引導程序bootloader、內核、文件系統(tǒng);64mb nand flash,用來存儲數(shù)據(jù);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(tǒng)結構如圖3所示。[!--empirenews.page--]


                                           
圖3 通訊控制器硬件結構框圖

4.2.2軟件設計
              
  通訊控制器采用linux作為系統(tǒng)的軟件平臺,開發(fā)工作主要包括交叉編譯環(huán)境的建立、u-boot的配置、linux內核的裁剪和移植、jffs2(journalling flash file system version 2)文件系統(tǒng)的制作和協(xié)議轉換軟件的設計。

  4.3充電站服務器
              
  服務器存儲和管理充電站內的數(shù)據(jù)信息,記錄異常事件,提供用戶權限管理、遠程訪問、gps時間校準功能。
           
  4.3.1硬件平臺搭建
              
     充電站內,服務器存儲和處理的數(shù)據(jù)量大,運行時間長并且要求系統(tǒng)響應時間短,因此對系統(tǒng)硬件平臺的性能要求很高。此外,硬件平臺需采用國際計算機市場上的主流產品,符合計算機產業(yè)的發(fā)展方向,適應電力工業(yè)的應用環(huán)境。參考配置見表1。


                                    
    表1  硬件平臺的參考配置

        4.3.2軟件設計
              
     服務器存儲和管理充電站內的各種海量數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)之間邏輯關系復雜。站內的工作站需要服務器快速響應各種請求并提供數(shù)據(jù)服務,遠程客戶端通過瀏覽器可以訪問服務器上的數(shù)據(jù)。因此需要開發(fā)針對充電站的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和web服務程序。根據(jù)服務器實現(xiàn)的功能,整個軟件系統(tǒng)采用架構如圖4所示。


                                       
圖4 充電站服務器軟件系統(tǒng)架構

              
  整個軟件系統(tǒng)采用分層和模塊化結構,便于系統(tǒng)維護和軟件升級,提高服務器的可擴展性。系統(tǒng)通過相應的軟件實現(xiàn)服務器的硬件平臺管理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和遠程訪問功能。操作系統(tǒng)管理服務器硬件,提高硬件平臺的運行效率和穩(wěn)定性,為上層軟件提供運行平臺,方便服務器軟件功能的擴展,提供數(shù)據(jù)的安全保護和服務器用戶權限管理。服務器存儲的數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)之間邏輯聯(lián)系緊密。與文件系統(tǒng)相比,數(shù)據(jù)庫能夠提高充電站內信息在硬件設備上的高效存儲,提信息據(jù)查詢、修改等操作的效率和安全性。數(shù)據(jù)庫為應用程序提供大量接口,方便系統(tǒng)的二次開發(fā)。此外,數(shù)據(jù)庫還提供用戶權限管理,為服務器上數(shù)據(jù)提供二次保護,提高服務器數(shù)據(jù)的安全性。充電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)負責上層軟件與本地數(shù)據(jù)庫的通信,響應上層軟件查詢、存儲、修改數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的請求并提供相應的服務。提供服務器的用戶權限管理,管理充電站內的通信協(xié)議。充電站提供遠程監(jiān)控功能,遠程客戶端通過web服務器實現(xiàn)遠程訪問,客戶端用戶只需安裝ie6或ie7瀏覽器,輸入充電站web服務器的網(wǎng)址,驗證身份后登錄、查詢和操作權限內的數(shù)據(jù)。web服務程序提供數(shù)據(jù)的圖形顯示方式,可以輸出和打印報表。
  
  4.4監(jiān)控軟件設計
              
  本設計采用北京昆侖通態(tài)軟件公司研發(fā)的組態(tài)軟件開發(fā)系統(tǒng)mcgs(monitor and control generated system),該系統(tǒng)可以快速構造和生成上位機監(jiān)控軟件,模塊化程度高,運行高效穩(wěn)定,操作界面友好。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能設計,監(jiān)控軟件的操作界面設計如圖5所示。


                                       
圖5 充電機監(jiān)控界面
           
 

5  結束語
              
  本文分析和討論了充個電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計,采用c/s和b/s相結合的方式構造整個系統(tǒng)。
           
  與以往監(jiān)控軟件的設計方式不同,文中引入了一種新的、高效可靠地設計方式,即采用mcgs組態(tài)軟件進行快速的設計。隨著國家大力扶持電動汽車產業(yè)政策的實施,充電站監(jiān)控系統(tǒng)的建設必將提上日程,希望本文能為該產業(yè)的發(fā)展提供有力的支持和參考。

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