電動汽車充電站監控系統設計

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(青島科技大學 自動化與電子工程學院,山東 青島 266042)

電動汽車充電站監控系統設計

高德欣，張如耀，張佳偉，白劍飛

(青島科技大學自動化與電子工程學院,山東青島266042)

隨著電動汽車的普及，電動汽車充電站建設的地位愈發重要，因此，充電站監控系統的開發具有重要意義;基于.NET平臺，設計開發了一套電動汽車充電站監控系統，實現對電動汽車充電站的監控；首先，設計了充電站監控系統的總體結構；其次，基于硬件接口設計了監控系統的通信，并對通信的硬件配置和軟件實現進行了詳細的講解；然后，采用C#語言開發了充電站上位機監控系統;該系統能夠實現充電和配電運行情況實時監控，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；監控系統；CAN總線

0 引言

傳統汽車的大量使用加劇了環境污染，電動汽車由于節能環保，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設施[3]，充電站監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。充電站在提供安全、方便充電的同時需要對充電站的統一監控，因此需要開發智能、集中的電動汽車充電站監控系統來實現充電站的集中管理和監控[4-5]。

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

1 監控系統結構設計

充電站監控系統與傳統的監控系統比較有以下特殊性：

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

2)充電站規模的不同，需要監控的充電設備和配電設備的數量不一，要求監控系統能夠對設備個數和通信參數進行靈活的配置，從而增加了監控系統的復雜程度。

針對以上情況，我們設計了一套電動汽車充電站監控系統，包括充電監控和配電監控兩大部分。充電監控主要采集充電機、充電樁、BMS(電池管理系統)的數據信息，并對充電消費情況進行計量和統計分析從而實現對充電站的運營；配電監控主要將高壓室、變壓室和低壓室的儀表信息和各種保護和開關狀態統一監控，實現配電室的數據采集分析、故障報警等功能。監控系統將所有的數據存入SQLServer到數據庫中，方便日后消費情況和故障信息的統計分析，有利于管理者更好的了解整個充電站的運行情況。監控系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

整個系統分為充電站監控層、網絡通訊層和設備層三層，每一層又包含充電監控和配電監控兩大部分。充電監控部分中的充電樁通過CAN以太網轉換器、交換機連接到監控主機，實現計費運營和數據的采集分析。配電監控部分通過RS485總線、多串口卡連接監控主機。

1.1 充電站監控層

充電站監控層主要包括工控機和數據服務器等。由于監控系統距離配電室比較近，存在比較大的電磁干擾，因此使用工控機作為監控主機來降低干擾。電動汽車充電站監控系統運行在工控機上，監控系統包括充電監控和配電監控兩大部分。數據服務器對所有數據進行備份，進一步保證了數據的安全。為避免斷電造成的數據丟失，使用UPS不間斷電源作為后備電源。充電站監控層是整個監控系統的核心，通過監控軟件可以監控整個充電站信息。

監控軟件設計主要包括界面顯示模塊、數據采集與解析模塊和數據庫操作模塊三大模塊。數據采集與解析模塊按照通信協議對充電金額、BMS、充電樁、監控儀表的數據進行處理，然后將處理后的數據進行界面顯示和數據庫保存操作。

1.2 網絡通訊層

充電樁與監控主機是通過CAN以太網轉換器連接。充電樁的CAN通信接口連接CAN以太網轉換器CAN口，CAN以太網轉換器的網口連接交換機從而實現與監控主機相連。CAN以太網轉換器我們選用致遠電子的CANET-4E-U，實現數據的透明傳輸。該設備是實現充電監控的核心設備，實現了CAN接口網口的轉換。

配電通訊部分我們采用RS485和多串口卡實現。高壓室、變壓室、低壓室監控儀表連接RS485集線器，通過集線器與監控主機相連。在監控系統的解析程序之中我們進行模塊化設計，分別針對高壓室、變壓室、低壓室監控儀表的通訊協議進行解析，解決了監控種類繁雜的問題。

1.3 設備層

充電監控：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進行監控。

2 通信方式選擇與實現

監控系統的通信主要分為充電監控的通信和配電監控的通信。充電監控通信是監控主機和充電樁之間的通信，使用CAN以太網轉換器實現；配電監控通信是監控主機和配電室監控儀表之間的通信，使用RS-485總線實現。

2.1 充電監控通信實現

充電監控通信使用CAN以太網轉換，CAN以太網轉換器用于監控主機和充電樁之間的通信，將充電樁的CAN口轉換為網口進行數據傳遞。CAN總線具有可靠性強、實時性好、通信速率快、通信服務簡便等特點而廣泛應用電動汽車充電系統[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)。

監控系統使用CANET-4E-U高性能CAN以太網轉換器實現監控系統和充電樁之間的通訊。系統采用的CANET-4E-U高性能CAN以太網轉換器提供了標準的動態鏈接庫，通過動態鏈接庫可以實現監控主機與該設備的通訊。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口和一個以太網口，分別和充電樁和充電站監控系統進行連接。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配置軟件進行設備IP的配置和讀取。在使用工控機和CANET設備通信時，需要保證工控機與設備在同一網段內。我們將工控機作為服務器，CANET設備作為客戶端，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備參數是否匹配，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;

//調用函數檢測TCP是否連接成功

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

//設置TCP工作模式

2.1.1 自然災害頻繁 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，伏旱時有發生，并間有冰雹、霜凍、低溫等自然災害。2018年春季低溫霜凍導致全縣十余萬畝花椒絕收，部分花椒主枝或樹冠全部凍死，自然災害頻繁嚴重制約著花椒產業的發展。

cmdtype = (uint)can.CMD.CMD_TCP_TYPE;

//設置本機為服務器模式

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);

//調用發送函數發送數據幀

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

//復位CAN

VCI_ResetCAN(m_devtype, m_devind, m_canind)

2.2 配電監控通信實現

配電室監控通信通過RS-485總線，使用Modbus協議實現集中監控。配電室監控儀表連接RS-485總線，通過多串口卡連接監控主機。RS-485總線采用平衡發送、差分接收，具有很強的抑制共模干擾能力。Modbus協議是主從協議，通過主機發送請求，從機響應的方式進行通信。Modbus協議包含設備地址、功能代碼、數據段和校驗位，通過校驗位可以保證數據的正確性。

系統使用SerialPort串口控件，通過設置波特率、數據位、端口號、奇偶校驗位、停止位、設備地址與監控儀表參數一致進行通信。監控系統接收到監控儀表上傳的數據時，觸發DataReceived函數，進行數據解析。監控系統使用定時器實現固定頻率的數據采集，并針對充電時、故障時和空閑時設置不同的采集頻率，既保證了充電和故障數據的及時采集，又減少了充電空閑時的數據量。

C#與變壓室儀表通訊的主要代碼：

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

//設置串口參數

spTrans.PortName=”COM12”;//端口號

spTrans.BaudRate=9600;//波特率

spTrans.DataBits=8;//數據位

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);//發送數據

byte[] response=new byte[13];

spTrans.Read(response,0,response.Length);//將得到的數據放入response中

spTrans.Close();//關閉串口

3 監控系統軟件開發

本系統參照GB/T 50966-2014《電動汽車充電站設計規范》進行設計開發，根據國標要求，電動汽車充電站監控系統主要包括充電監控部分和配電監控部分。

3.1 充電監控部分

充電監控部分主要包含站監控、報表查詢、統計分析、故障管理、報警查詢、IC卡管理、系統設置、用戶管理、使用幫助等功能。

1)站監控包括：充電樁監控、充電機監控、配電室監控。實時監控充電樁、充電機、配電室的電參量和狀態信息。后臺模塊通過檢測狀態值和設置閥值進行異常檢測，對于異常情況進行報警提示，可實現電動汽車監控系統的智能監控功能。

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

3)故障管理：對系統出現故障的處理，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)系統設置：主要包含數據庫的配置和充電樁的配置。實現充電站中對應不同個數充電樁的零活配置。

7)用戶管理：可增加刪除用戶，設置登陸密碼和登陸權限。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，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、充電機絕緣檢測結果、充電機狀態和電池管理系統的信息進行顯示。操作人員可以實時的查看A、B兩槍的參數及狀態。監控系統將采集與解析得到的參數信息存入SQLServer數據庫，在對充電數據和故障信息查詢時，讀取數據庫中對應的表，將數據讀取上來進行界面顯示。監控系統和刷卡充值系統需保持內容上一致，要進行實時更新。

3.2 配電監控部分

配電監控部分主要包括高壓室、變壓室和低壓室監控。高壓室監控儀表采用微型計算機的繼電器保護，該設備通過判斷開關的狀態來確定是否進行跳閘處理，對整個配電室電氣設備、線路進行保護，避免操作不當引起的儀器損壞；變壓室監控儀表采用溫控器進行變壓室溫度控制，實現對變壓室的溫度調控；低壓室監控儀表采用多功能電力儀表進行低壓室運行狀態監控。如圖3所示。

圖3 配電監控界面

由圖3可以看出，配電監控界面中主要顯示高壓、變壓和低壓的主要參數：高壓室包含開關狀態、斷線狀態、失壓狀態、高溫狀態、速斷狀態和零序電壓狀態等；變壓室包括風機啟停狀態、超高溫跳閘狀態、A相傳感器狀態、B相傳感器狀態、C相傳感器狀態和超高溫報警狀態；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，可以點擊對應的圖片，界面會轉到對應的界面，顯示具體的內容。

4 結論

本文設計開發了一套電動汽車充電站監控系統，實現了充電站的充電和配電設備統一集中監控。系統的應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的設計與實現[J]. 儀表技術,2016,5:22-24.

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

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[5] 張明江, 袁 弘, 王濱海, 等. 基于可靠性的電動汽車監控系統設計與實現[J]. 制造業自動化, 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開發[J].計算機測量與控制,2016,21(12): 37-40.

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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，山東煙臺人，博士(后)，教授，碩士生導師，主要從事優化控制、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

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