充換電站及電動汽車遠程監控系統研究與應用

徐敏銳

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

傳統燃油汽車消耗了大量的石油資源，產生了大量的有害廢氣，給自然資源和人類生存環境帶來巨大壓力，而電動汽車具有高效節能、低排放或零排放、低噪音等優勢，具有巨大的發展潛力，電動汽車充換電站是電動汽車大規模商業化后不可缺少的電動汽車能源服務基礎設施。

為適應電動汽車對基礎設施的發展需要，江蘇省電力公司按照國家電網公司統一部署，在全省范圍內全面加快建設電動汽車充電設施，提高充電設施建設覆蓋面，為電動汽車的產業化和商業化運營提供技術服務支撐，提高能源利用效率，促進低碳經濟和循環經濟發展。目前，江蘇省電力公司已建設完成揚州市吳州路、南京市邁皋橋、蘇州市鄧蔚路、江陰市西外環路等4個電動汽車充換電站，2011年底將建成32座電動汽車充換電站，預計“十二五”期間將建成300座充換電站。迄今為止，建立省級電動汽車及充換電站遠程監控系統國內外尚沒有先例，為此有必要對此進行研究。

1系統建設目標

充換電站及電動汽車遠程監控系統可實現對全省所有電動汽車充換電站及電動汽車運行數據的實時采集和處理，實時監測、分析充換電站及電動汽車運行狀況，為充換電站及電動汽車的安全、可靠、經濟運行及管理提供保障手段。

通過該監控系統建設，制定江蘇電動汽車充換電站及電動汽車信息接入技術標準，進一步提高電動汽車充電設施工程建設的標準化水平。監控系統可向江蘇省電力公司、江蘇各地市供電公司以及充換電站發布充換電站及電動汽車運行狀況，為電動汽車用戶提供優質、便捷服務，最終實現提高電能占終端能源消費比例和能源利用效率的目標。

2系統組成及網絡架構

在江蘇省電力公司總部建立充換電站及電動汽車遠程監控系統，采集全省所有充換電站及電動汽車的運行數據，監控對象主要包括充換電站設備、充電監控后臺、營業廳以及電動汽車。地市級供電公司不再建立區域集中的監控系統，而僅在充換電站內部建立站級的監控系統。站級監控系統主要負責對站內配電系統、充電系統以及計量計費等方面的信息監控。

充換電站及電動汽車遠程監控系統網絡架構如圖1所示，主要由監控中心、電力廣域網、GPRS無線通信網絡、充換電站通訊管理機、視頻系統及電動汽車車載終端等部分組成。

通訊管理機通過電力廣域網實現充換電站現場設備（充換電設備、配電設備、監控系統等）和監控中心之間的數據信息交互。

視頻系統通過電力廣域網實現充換電站現場監控攝像機和監控中心之間的視頻信息交互。

車載終端通過GPRS的APN專線網絡[1]，實現電動汽車和監控中心之間的數據通信，車載終端安裝方式可適當靈活選擇，既可以直接在電動汽車上安裝車載終端，也可以將一定數量的電動汽車數據匯總后轉發，車載終端主要由單片機模塊、GPS模塊、GPRS模塊以及電源模塊等組成。

監控中心主要由通信服務器、數據庫服務器、以及Web服務器構成。通信服務器負責接收通訊管理機以及車載終端采集的數據，解析后存入數據庫服務器，同時遠程監控車載終端通信的狀態和參數設置。數據庫服務器主要用來存儲管理充換電站、電動汽車等各類監測數據信息以及省公司地理信息系統（GIS）地圖信息。Web服務器主要用來響應客戶端瀏覽器訪問，提供可視化的監測數據查看、分析、評估等高級應用。

江蘇省電力公司用戶可在電力廣域網中訪問充換電站及電動汽車遠程監控系統Web瀏覽器，各地市級公司用戶僅能訪問本地所屬的充換電站及電動汽車的監控信息。

3系統的主要功能

該監控系統主要包括充換電、配電、視頻、電動汽車運行等監控管理以及視頻介紹等功能[2]。

3.1充換電監控管理

實現對充換電站內充電設備、電池更換設備的運行狀態和電池充電、電池更換的過程進行監視和管理。具體功能如下：

（1）數據采集功能。采集直流充電機的工作狀態、溫度、故障信號、功率、電壓、電流、電量、電費等；采集交流充電樁的工作狀態、故障信號、功率、電壓、電流、電量、電費等；采集電池組溫度、荷電狀態（SOC）、電壓、電流、電池故障信號等；采集電池更換設備的位置、工作狀態信息。

（2）數據處理與存儲功能。具備充電設備的越限報警和故障統計等數據處理功能；具備充電過程數據統計等功能；具備對充電設備的遙測、遙信以及報警事件等實時數據和歷史數據的集中存儲以及查詢功能。

（3）事件記錄和報警功能。具備操作記錄、系統故障記錄、充電運行參數異常記錄、電池組參數異常記錄等功能，提供圖形、文字等報警方式及相應的報警處理功能。

（4）電池充電信息管理功能。存儲電池箱的各類參數、使用時間、維護維修記錄等信息；記錄電池箱充電過程相關數據，包括充電電壓、充電電流、溫度、充電次數、充電起止時間、充電電量等。

3.2配電監控管理

實現對充換電站配電系統的配電狀況、電能質量、開關狀態、配電設備運行參數等進行監視和管理。具體功能如下：

（1）采集充換電站配電系統的開關狀態、保護信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能計量信息等。

（2）具備配電系統的越限報警、事件記錄、故障統計等數據處理功能。

3.3視頻監控管理

實現對充換電站進行安全防范監控以及對站內外重要區域的視頻監控。

（1）對充換電站的充電區、供電區、電池更換區、營業窗口、值班室等位置進行視頻監視。

（2）具備對監控視頻的來源、記錄的時間、日期等信息進行記錄功能。

3.4電動汽車運行監控管理

實現對電動汽車運行狀態、電池運行狀態進行監控和管理。具體功能如下：

（1）采集電動汽車的工作狀態、速度、經度、緯度等信息；采集電動汽車電池SOC、總線電壓、電池電流、電池模塊最高溫度、電池模塊單體最高電壓、單體最高電壓電池編號、單體最低電壓、單體最低電壓電池編號等。

（2）具備根據電動汽車采集的經緯度、電池電量等信息，計算電動汽車運行里程以及百公里電耗。

（3）具備在GIS中實時顯示電動汽車運行狀態信息、電池運行狀態信息以及行車路線等。

3.5視頻介紹

實現電動汽車及充換電站相關內容的視頻介紹，通過幾個動畫片段，將電動汽車充換電站及電動汽車的相關內容簡明而又形象地展示給用戶，給用戶一個直觀的視覺效果沖擊，同時讓用戶能夠基本明白電動汽車、充換電站等的基本情況，了解充換電站應用給社會與環境帶來的環保及經濟效益。視頻介紹內容包括電動汽車的特點及效果、電動汽車充換電站機理、江蘇省充換電站規劃、充換電站監控系統建設、江蘇典型充換電站建設情況介紹等。

另外，該監控系統還具有計量計費、工程接入、系統擴展管理、用戶權限管理、運行維護、值班日志、統計報表等功能。

4系統關鍵技術

4.1數據信息接入技術

充換電站現場設備數據信息通過通訊管理機接入到監控中心，通訊管理機實現對各種現場設備協議轉換、數據匯集傳輸等功能，提高了數據傳輸通信的效率和現場設備的接入管理。

通訊管理機與監控中心之間的數據通信協議采用IEC60870-5-104標準協議[3]，并在此標準協議的基礎上做了一些補充規定：使用遙信功能傳輸所有開關變位、保護告警、充電啟停事件等信號量，信號發生時通訊管理機主動上傳；使用遙測功能傳輸所有設備的電氣測量數據，但禁用主動上傳機制，通訊管理機僅響應監控中心總召喚命令，監控中心通過設置適當的總召喚頻率來滿足測量數據的采樣速率要求；充換電站數據信息接入時，監控中心和通訊管理機兩側同步配置數據測量點，并進行遠程通信聯調。

4.2視頻接入技術

充換電站視頻信息通過站內視頻系統接入到監控中心。監控中心直接調用視頻系統廠家提供的視頻控件，提高了視頻傳輸通信的速度和效率。

充換電站的視頻服務器生產商或視頻系統集成商提供基于ActiveX技術的圖像顯示控件[4]，控件包含編程接口，供監控中心頁面嵌入使用。

監控中心自行開發展示頁面中除控件以外的部分，完成對編程接口的調用代碼。對于不同廠家提供的控件，監控中心將分別編寫頁面，根據生產商進行程序分支。

視頻場景采用數據庫方式進行存儲，站內現場新安裝或修改攝像頭和預置位設置時，將由工程安裝人員提供實際的配置清單，監控中心根據該清單進行數據庫配置。

4.3電動汽車接入技術

電動汽車的運行狀態、電池運行狀態等信息數據，通過車載終端，實現和監控中心中的通訊服務器通信。

為了提高通信速度和效率，車載終端與監控中心的通信規約采用自行定義的 《電動汽車數據傳輸規約》，車載終端和監控中心之間的通信采用UDP方式，監控中心服務器打開2100端口，車載終端端口可以自行選擇。在幀結構設計上采用適用于串口等情況的鏈路層定義的 “監控中心輪詢+車載終端應答”半雙工方式。應用層的整數均為4字節的帶符號整數，使用補碼進行編碼。浮點數均采用IEEE 754雙精度標準編碼，8字節存儲。字符串均按照字面順序，采用以0結尾的不定長字符串，漢字及中文符號使用GBK編碼。報文結構設計依照有效傳遞信息和高尋址空間來設計。設計的報文結構為：起始字節 （68h）+報文字節數+車載終端地址+重復起始字節（68h）+幀類型+應用層數據+校驗碼+結束字節（16h）。幀類型主要包括車載終端登錄、登出、歷史數據（電池數據）、實時數據（定位數據）以及讀/寫監測周期等。

5系統應用情況

該系統自2010年6月份投運以來，運行穩定可靠，界面操作方便。目前，系統完成了南京市邁皋橋、揚州市吳州路、蘇州市鄧蔚路、江陰市西外環路等4個充換電站及相關8輛電動汽車接入工作，接入數據準確可靠，實現了對這些電動汽車充換電站及電動汽車運行數據的實時采集和處理，為江蘇省電力公司和相關地市供電公司用戶提供實時監測、分析這些充換電站和電動汽車的運行狀況的平臺，為其安全、可靠、經濟運行及管理提供了保障。

6結束語

充換電站及電動汽車遠程監控系統的研發成功，實現了對江蘇省充換電站及電動汽車的實時監控和有效管理。隨著充換電站和電動汽車商業化運行的增多，該遠程監控系統需要進一步擴展服務范圍，完成后續投運的充換電站及電動汽車接入工作，使系統發揮更大的社會效益和經濟效益。

[1]張 虹，陳 堂.GPRS技術在電力負荷管理系統中的應用[J].江蘇電機工程，2006，25(6)：41-43.

[2]嚴 輝，李庚銀，趙 磊，等.電動汽車充電站監控系統的設計與實現[J].電網技術，2009，33（12）：15-19.

[3]IEC 60870-5-104—2006，遙控設備和系統[S].

[4]宇 鵬，王曉峰，李云飛.Visual C++實踐與提高—ActiveX篇[M].北京：中國鐵道出版社，2001．