广东 深圳 518000
摘要：本文主要针对电动汽车充电站监控系统的设计与实现展开了探讨，详细阐述了控系统硬件结构，并对监控系统软件的设计和监控系统功能的实现作了系统的分析，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：电动汽车；充电站；监控系统；设计；实现
电动汽车充电站是电动汽车大规模产业化后不可缺少的电动汽车能源服务基础设施。它不仅要为电动汽车补充能量，同时也是电动汽车与电网的接口，因此，电动汽车充电站建设是当前电动汽车产业化的关键所在。而为了促进电动汽车充电站的应用发展，必须要做好监控系统的设计与实现。基于此，本文就电动汽车充电站监控系统的设计与实现进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 控系统硬件结构
CAN总线因具有实时性好、可靠性强、通信服务简便、通信速率快等特点而广泛应用于电动汽车领域，且已安装的50台交流充电站都带有CAN通信接口，因此本文采用CAN网络实现底层各充电站的数据传输。由于位于城市不同区域的充电站群相隔监控中心距离较远，因此本文设计在每个充电站群地区安装无线数据传输单元（DTU，data transfer unit），基于4G网络与监控中心进行数据交互，满足无线城域网的规模应用与设计。
1.1 总体方案
电动汽车交流充电站集群监控系统的结构图如图1所示，在CAN总线与DTU之间增加了接口协议转换器，这是因为目前常用的DTU设备所采用的数据接口都是串口RS232/485，故本文采用了智能CAN转串口RS232的协议转换器，以满足集群监控系统的需要。当某台充电站开始充电工作后，监控系统能够迅速检测到该充电站，将充电站的运行数据通过4G网络上传到监控主机，以实现监控中心对各个充电站充电状况的实时监测。
图2 协议转换器的硬件结构框图
ACCM-102B的CAN总线和CPU之间的电源具有1000V的直流隔离，且信号具有耦合隔离，以确保良好的抗干扰性能。转换器的转换效率可达到1300帧/S，并提供3种转换模式：双向透明转换模式、透明带标识转换模式、白定义协议转换模式。当转换器正常工作时，一旦检测到CAN总线或串口侧有数据接收，立即进行解析并装入各自的缓冲区，再按设定的工作方式自动实现数据格式的转换。
1.3 4G无线终端设备
本设计采用4G网络，它内置有西门子工业级4G引擎和高速嵌入式处理器，并支持TCP、UDP、ICMP等众多复杂网络协议和Socket标准，提供全透明数据传输和用户自由控制传输两种模式，已广泛应用于电力监控、远程数据采集等领域。
根据监控系统具体情况的需要，本没计采用“中心对多点”的4G数据传输组网方式，其结构图如图3所示。监控中心服务器通过调制解调器以拨号方式的动态IP地址Internet接入网络，DTU以公网（CMNET）方式接入4G网络，实现监控中心与多个监测点之问的数据传输。
图3 “中心对多点”的4S数据传输组网方式
2 监控系统软件设计
LabVIEW是美国NI公司推出的一种虚拟仪器软件开发系统，它因具有扩展性强、图形化的编程环境、开发时间少等特点而广泛应用于信号处理和监控系统。笔者利用LabVIEW软件进行网络通信编程和监控界面的开发。
2.1 CAN网络通信设计
ACCM-102B协议转换器提供了专用配置工具，用于设置转换模式、CAN参数和串口参数。监控系统采用自定义协议转换的模式，其数据转换格式如图4所示，串口UART协议的通信规则中完全包含CAN的协议内容，串行帧中的帧起始、帧同步和控制字为固定值，由于设计中CAN协议的帧格式统一采用8B数据的扩展格式帧，它包括29位ID的标识符，故数据长度的字节值为OxOD。对于帧校验位可采用CRC16-ccrrr校验算法模式，占2B，也可不采用任何校验方式，此时CKT位不存在。此转换模式相当于将CAN报文嵌入在串行帧中，使得监控主机上的数据解析工作简便易懂。
图4 自定义协议转换模式下的数据转换格式
除了预设转换模式外，还需设置CAN网络波特率JD标识符和串口波特率。特别注意的是，协议转换器的CAN波特率必须与充电站的数据传输波特率完全匹配，否则会造成通信失败。交流充电站的通信位速率采用125kbit/s，故将转换器内部寄存器中的BTR0、BTR1设置为03H、1CH。串口波特率设置为9600bit/s，工作方式为1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校验位和无流控。
2.2 4G网络通信设计
要实现4G网络通信，首先需要将SIM卡开通4G服务，并将SIM卡插入DTU终端后通过RS232串口与PC机连接，运行DTU配置程序对其进行参数设置；然后设置移动服务中心，包括接入点名称与服务代码。因本监控系统设计采用Internet方式接人4G网络，故采用移动公用的接入点名称CMNET；最后根据使用手册设置数据服务中心的相关参数，便可实现监控中心的无线通信。
DTU终端设置主要包括DTU工作模式、通信协议、串口设置、身份识别码、最大传输包长、在线报告时间间隔等。本系统采用透明数据传输模式以及UDP通信协议，串口参数和与DTU连接的协议转换器的串口设置参数一致，身份识别码为各个DTU中的SIM卡号，用于监控中心识别是哪一区域的DTU终端。对于其他的参数设置，可根据用户使用手册进行配置，不再赘述。
2.3 监控软件设计
笔者基于LabVIEW以及Microsoft SQL Server数据库系统设计了上位机监控软件，主要实现以下两方面功能：一方面实时监测充电状态，能实时与监控中心交换充电数据，以保证每台交流充电粧都在监控系统的监控下；另一方面提供良好的人机交互界面，监控中心人员能方便地查询、掌握各交流充电站的状况，并根据用户需求实现相应的控制操作。监控软件的程序运行流程图如图5所示。
图5 监控程序运行流程图
设计的监控软件采用多线程处理应用程序，一方面连续监视串口是否有数据接收，另一方面主线程等待用户是否有控制操作。本文设计的监视方式为每隔500ms获取一次DTU缓冲区里的数据，由于通过4G网络传输到DTU终端里的数据是具有串行帧格式的串U数据，因此当有数据接收时，先根据协议转换器的自定义协议解析出CAN报文，然后根据CAN报文的ID标识符，判断出数据的源地址和帧类型，并进入相应的处理程序，将解析后的数据结果同步敁示在监控界面上。而有一些数据帧耑要监控主机的确认，如主动上送的变化遥信量，因此还需判断是否发送确认帧返回给交流充电站。
主线程用于等待是否有用户控制操作，4程序接收到控制命令后判断是否具有权限操作，若不具有权限则弹出登陆框让用户登陆，再根据控制命令发送相应的控制数据帧给交流充电站，最后通过确认帧判断是否控制成功。控制数据帧的有效数据为CAN报文帧数据的前6B，分别代表如下控制操作：紧急停机、启动充电站、停机命令、请求发送充电状态、请求发送充电模式，请求发送电池状态。
3 监控系统功能实现
电动汽车交流充电站集群监控系统软件主要有4个选项卡，分别实现5种主要功能：充电管理、计量计费、电能质量管理、视频监控、用户管理。首先需登陆集群监控系统，登陆后会显示充电粧位置地图的界面。
地图中标示出了所有各个地域的充电站群所在位置，每个地方都设置有图钉形的布尔控件，点击某个图钉形按钮则进人该地域的监控主界面。另外，还可以查看监控系统的历史操作日志，并具备打印功能。
进人监控主界面后，有5个选项卡分别显示5种监控功能。若需查看另一地域的充电粧情况，则点击退出按钮返回到位置地图的界面即可。
(1)充电管理。该模块是集群监控系统域主要的监控界面，显示充电站群所在的地点名称以及该地R含有的充电站数量；实现充电过程的实时监控，显示充电过程中的电压、电流、充电方式、工作阶段数，以及本段工作时间和累计工作时间；能够查看电池模块信息和甲.体电池信息，以及估算电池的荷电状态（SOC）；具有控制充电站启、停的功能。
（2）计量计费。计算并显示输人、输出电量，在监控界面上显示开始充电时间、结束充电时间、耗时、单价、电量以及费用，并保存记录每一次的充电数据。监控中心人员还可以登陆后修改计费参数，
（3）电能质量管理。显示各相电压、电流值，计算充电过程中的各次（最高至25次）谐波电流值、各次谐波电流含有率以及总谐波畸变率，并以图表形式显示计算结果。
（4）视频监控联动报警。进入该模块在平面立体地图上显示充电站所有的视频监控点，可以实时监看和回放现场视频。系统与计量参数和电能参数进行联动报警，系统超过所预设阀值，在监控中心地图上以声光高亮显示该报警位置，监控中心系统会自动弹出充电桩所关联的视频，前端视频监控点设计也具备了越线、敏感区域、人脸采集等功能，以达到无人值守的目标。
（5）用户管理。实现用户的权限管理，登陆后可以修改用户名和密码，监控软件需登陆后才能操作。
4 结束语
综上所述，电动汽车的应用普及，正说明了人们对环境保护的逐渐重视。而充电站作为电动汽车最为重要的建筑设施，我们必须要建设好相应的监控系统，以有效的提高充电站的工作效率，从而推进整个电动汽车充电监控网络的组建，为电动汽车的运行带来帮助。
参考文献
[1]严辉、李庚银、赵磊、武斌.电动汽车充电站监控系统的设计与实现[J].电网技术.2009（33）.
[2]李浩.浅议电动汽车充电站监控系统的设计与实现[J].城市建设旬刊.2010（01）.
论文作者:唐斌,袁道仁
论文发表刊物:《电力技术》2016年第9期
论文发表时间:2017/1/6
标签：充电站论文; 监控系统论文; 数据论文; 电动汽车论文; 串口论文; 模式论文; 数据传输论文; 《电力技术》2016年第9期论文;