基于MCGS的充电站监控系统设计

1 引言

　电动汽车由于燃料的可再生性、清洁性，逐渐成为国家在新能源汽车产业大力发展的对象，而电动汽车充电站是电动汽车大规模产业化后必须建设的基础设施。从文献[2]、[3]、[6]的论述中可以看出，在充电站建设中，实现其高效、安全、智能化管理已成为主流，充电站监控系统作为充电站自动化系统的核心，是目前电动汽车充电站建设产业研究的重要课题和热点。

　　本文首先介绍了基于专用停车场的充电站监控系统的结构设计，根据国家标准设计监控系统实现的功能，最后介绍基于mcgs技术的充电站监控系统的实现。

2 充电站监控系统结构设计

　　参照国家电网公司电动汽车充电设施指导意见[7][8]、电动汽车充电设施典型设计[9]、电力监控系统的技术实现路线及发展趋势，充电站监控系统采用c/s和b/s相结合的方式进行设计，如图1所示

图1 充电站监控系统结构图

　　整个监控系统采用工业以太网连接，充电机、bms(电池管理系统)和智能电表由通讯控制器经协议转换后接入以太网并与上位机进行通讯，配电监控系统同样由以太网与监控系统通信，这些部分采用c/s结构；上级监控系统通过以太网与本地监控系统通信，该部分采用b/s结构；服务器负责存储充电站内的各种数据信息，gps时钟提供本地时钟校准功能。监控系统能通过工业以太网实现各种类型充电机的接入，对充电机和电池管理系统进行监控。此外，本地监控系统可以通过以太网与多个上级监控系统进行通信，实现分级和远程监控。这种结构使系统具备较强的可伸缩性，可以满足充电设施规模不断扩容的要求。

3 监控系统功能设计

　　充电站监控系统的核心功能是充电监控功能，即对充电机和充电电池的各种工作状态的监控。此外，还包括一些辅助功能以增强系统稳健性和智能化管理。

　　3.1数据采集功能

　　系统采集充电机工作状态(充电模式)、温度、电压(输出电压，直流母线电压)、电流(输出电流，直流母线电流)、功率和故障信号(输入电压过压，输入电压欠压，输入电流过流，输出电压过压，输出电流过流，模块温度过高，输入缺相，通信中断，风扇故障等)；采集电池组的温度、soc、端电压、端电流、电池连接状态和电池故障信号(包括单体电池工作参数，如正常工作电压，温度，容量，能量，电池电压上限、下限报警限制，温度报警上限，最大充电电流及电流报警上限，电压互差最大报警上限，充电次数，电池健康指数)；采集充电站配电系统监控上传的开关状态、保护信号、电压电流、有功功率、无功功率和功率因数。

　　3.2控制调节功能

　　监控系统能向充电机下发控制指令，遥控充电机启停、校时、紧急停机、远方设定充电参数，控制配电系统断路器及开关的分合。

　　3.3数据处理和存储功能

　监控系统根据充电站内的数据性质、重要性进行分类存储，当数据量大时，可以根据预定策略保证重要信息的实时传送；提供对充电机和电池组遥测、遥信、报警事件等实时数据和历史数据的集中存储和查询功能；此外，系统具备操作记录、系统故障记录、充电运行参数异常记录和电池组参数异常记录功能。

4 充电站监控系统实现

　　4.1gps时钟系统

　　该系统选用上海瑞呈有限公司的k806-d卫星同步时钟，该时钟除了配有通用串口外，还提供2路网络对时信号，系统自保持能力强(优于0.6us/min)，支持多种操作系统及基于ntp协议的路由器、交换机、智能控制器等网络设备，支持电源中断、gps失步干接点信号告警，工作稳定，操作简便。在充电站监控系统中，gps时钟授时采用的时间格式如图2所示。

图2 gps时钟授时的时间格式

　　4.2通讯控制器

　　充电机传送数据使用的是can总线，它不提供can总线信号和以太网信号之间的转换，而上层监控计算机采用工业以太网通信，因此在监控计算机和待监控充电机之间使用通信控制器来完成这中转换。该控制器其主要包括硬件平台设计和软件系统设计。

　　4.2.1硬件设计

　 硬件平台以atmel公司的at91rm9200芯片为核心，这款工业级芯片内嵌网络控制器，包含了以太网mac控制，因此只需外接一片10/100m物理层芯片dm9161e提供以太网接入通道即可。can总线接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can总线收发器tja1050构成[1]。mcp2515与at91rm9200的连接是通过标准串行外设接口spi(at91rm9200内嵌)来实现的，它支持canv2.0b技术规范，能够发送和接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。tja1050是与mcp2515相配的高速can总线收发器，它担负着节点和总线之间接收和发送电平转换的任务。另外，为了使硬件平台提供高效的软件运行环境，系统还设计了存储电路(16mb nor flash，主要用来存放系统引导程序bootloader、内核、文件系统；64mb nand flash，用来存储数据；32mb sdram，提供内核与应用程序的运行空间)、复位电路、jtag调试接口和rs485扩展串口。系统结构如图3所示。