电动汽车充电站监控系统设计

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(青岛科技大学 自动化与电子工程学院,山东 青岛 266042)

电动汽车充电站监控系统设计

高德欣，张如耀，张佳伟，白剑飞

(青岛科技大学自动化与电子工程学院,山东青岛266042)

随着电动汽车的普及，电动汽车充电站建设的地位愈发重要，因此，充电站监控系统的开发具有重要意义;基于.NET平台，设计开发了一套电动汽车充电站监控系统，实现对电动汽车充电站的监控；首先，设计了充电站监控系统的总体结构；其次，基于硬件接口设计了监控系统的通信，并对通信的硬件配置和软件实现进行了详细的讲解；然后，采用C#语言开发了充电站上位机监控系统;该系统能够实现充电和配电运行情况实时监控，故障信息实时报警和电动汽车充电的计量收费，保证了电动汽车充电站的正常运营。

电动汽车；充电站；监控系统；CAN总线

0 引言

传统汽车的大量使用加剧了环境污染，电动汽车由于节能环保，并且国家政策大力支持，因此得到了快速的普及[1-2]。充电站是电动汽车不可或缺的基础设施[3]，充电站监控则是管理和维护电动汽车充电站的核心，是保证电动汽车充电站高效运行的重要一环。充电站在提供安全、方便充电的同时需要对充电站的统一监控，因此需要开发智能、集中的电动汽车充电站监控系统来实现充电站的集中管理和监控[4-5]。

本文基于.NET平台，设计开发了一套电动汽车充电站监控系统，实现了对充电站的集中监控，系统主要分为充电监控和配电监控两大部分。采用工控机作为监控主机，实现对充电桩、充电机、配电室、IC卡信息、电池信息等进行实时监控，同时对电动汽车充电情况进行计费和统计分析。采用CAN以太网转换器连接充电桩和监控主机，实现对充电过程中的电压、电流等主要参数进行实时监控；采用多串口卡连接配电室仪表和监控主机，实现对配电部分的监控和故障报警，方便现场人员及时做出处理。

1 监控系统结构设计

充电站监控系统与传统的监控系统比较有以下特殊性：

1)监控对象种类繁多，通信方式各异，每种设备具有各自的通信协议，包含TCP/IP协议、CAN总线、Modbus协议。充电监控主要使用TCPIP和CAN总线通信；配电监控使用Modbus协议，高压室、变压室、低压室仪表具有不同的协议。

2)充电站规模的不同，需要监控的充电设备和配电设备的数量不一，要求监控系统能够对设备个数和通信参数进行灵活的配置，从而增加了监控系统的复杂程度。

针对以上情况，我们设计了一套电动汽车充电站监控系统，包括充电监控和配电监控两大部分。充电监控主要采集充电机、充电桩、BMS(电池管理系统)的数据信息，并对充电消费情况进行计量和统计分析从而实现对充电站的运营；配电监控主要将高压室、变压室和低压室的仪表信息和各种保护和开关状态统一监控，实现配电室的数据采集分析、故障报警等功能。监控系统将所有的数据存入SQLServer到数据库中，方便日后消费情况和故障信息的统计分析，有利于管理者更好的了解整个充电站的运行情况。监控系统结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

整个系统分为充电站监控层、网络通讯层和设备层三层，每一层又包含充电监控和配电监控两大部分。充电监控部分中的充电桩通过CAN以太网转换器、交换机连接到监控主机，实现计费运营和数据的采集分析。配电监控部分通过RS485总线、多串口卡连接监控主机。

1.1 充电站监控层

充电站监控层主要包括工控机和数据服务器等。由于监控系统距离配电室比较近，存在比较大的电磁干扰，因此使用工控机作为监控主机来降低干扰。电动汽车充电站监控系统运行在工控机上，监控系统包括充电监控和配电监控两大部分。数据服务器对所有数据进行备份，进一步保证了数据的安全。为避免断电造成的数据丢失，使用UPS不间断电源作为后备电源。充电站监控层是整个监控系统的核心，通过监控软件可以监控整个充电站信息。

监控软件设计主要包括界面显示模块、数据采集与解析模块和数据库操作模块三大模块。数据采集与解析模块按照通信协议对充电金额、BMS、充电桩、监控仪表的数据进行处理，然后将处理后的数据进行界面显示和数据库保存操作。

1.2 网络通讯层

充电桩与监控主机是通过CAN以太网转换器连接。充电桩的CAN通信接口连接CAN以太网转换器CAN口，CAN以太网转换器的网口连接交换机从而实现与监控主机相连。CAN以太网转换器我们选用致远电子的CANET-4E-U，实现数据的透明传输。该设备是实现充电监控的核心设备，实现了CAN接口网口的转换。

配电通讯部分我们采用RS485和多串口卡实现。高压室、变压室、低压室监控仪表连接RS485集线器，通过集线器与监控主机相连。在监控系统的解析程序之中我们进行模块化设计，分别针对高压室、变压室、低压室监控仪表的通讯协议进行解析，解决了监控种类繁杂的问题。

1.3 设备层

充电监控：包括充电机和充电桩。充电机连接低压室，为充电桩供电，充电桩通过充电枪给电动汽车动力电池供电；充电桩主要包括桩体、电气模块、计量模块、人机交互界面、通讯接口计费和安全防护等。

配电监控：配电室包括高压室、变压室、低压室的电力仪表。高压室仪表采用微机保护装置实现对整个电路的保护；变压室仪表采用温度控制器，进行温度检测和调控；低压室为多功能电力仪表，对低压室的各种电参量和运行状态进行监控。

2 通信方式选择与实现

监控系统的通信主要分为充电监控的通信和配电监控的通信。充电监控通信是监控主机和充电桩之间的通信，使用CAN以太网转换器实现；配电监控通信是监控主机和配电室监控仪表之间的通信，使用RS-485总线实现。

2.1 充电监控通信实现

充电监控通信使用CAN以太网转换，CAN以太网转换器用于监控主机和充电桩之间的通信，将充电桩的CAN口转换为网口进行数据传递。CAN总线具有可靠性强、实时性好、通信速率快、通信服务简便等特点而广泛应用电动汽车充电系统[7]。CAN总线采用差分信号传输方式，以双绞线作为物理层，需要有2根线作为差分信号线(CAN_H、CAN_L)。

监控系统使用CANET-4E-U高性能CAN以太网转换器实现监控系统和充电桩之间的通讯。系统采用的CANET-4E-U高性能CAN以太网转换器提供了标准的动态链接库，通过动态链接库可以实现监控主机与该设备的通讯。CANET-4E-U使用9～24 V直流电源供电，V+接电源正极，V-接电源负极，DC端子与地相连。拥有4个CAN口和一个以太网口，分别和充电桩和充电站监控系统进行连接。由于高频信号传输时，信号波长相对传输线较短，信号在传输线终端会形成放射波，干扰原信号，所以需要在传输线末端加终端电阻。

CANET-4E-U设备的默认IP地址为：192.168.0.178。也可以使用ZNETCOM配置软件进行设备IP的配置和读取。在使用工控机和CANET设备通信时，需要保证工控机与设备在同一网段内。我们将工控机作为服务器，CANET设备作为客户端，CANET-4E-U将主动与工控机进行连接。如果连接不成功则需要检查设备参数是否匹配，图2是C#与CANET-4E-U的通讯流程图。

图2 C#与CANET-4E-U的通讯流程图

下面是C#与CANET-4E-U通讯的主要代码：

//获得本机端口

uintsrcpo = Convert.ToUInt32(textBox_srcport.Text);

byte[] srcports = IntToBytes(srcpo, 4);

uintcmdtype = (uint)can.CMD.CMD_SRCPORT;

//调用函数检测TCP是否连接成功

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

//设置TCP工作模式

2.1.1 自然灾害频繁 秦安县年平均降雨量507.3 mm，且分布极不均匀，秋季最多，夏季次之，冬季最少，春旱频繁，伏旱时有发生，并间有冰雹、霜冻、低温等自然灾害。2018年春季低温霜冻导致全县十余万亩花椒绝收，部分花椒主枝或树冠全部冻死，自然灾害频繁严重制约着花椒产业的发展。

cmdtype = (uint)can.CMD.CMD_TCP_TYPE;

//设置本机为服务器模式

uinttcptype = (uint)can.TCPTYPE.TCP_SERVER;

byte[] types = IntToBytes(tcptype, 4);

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

//启动CAN

VCI_StartCAN(m_devtype, m_devind, m_canind);

//调用发送函数发送数据帧

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

//复位CAN

VCI_ResetCAN(m_devtype, m_devind, m_canind)

2.2 配电监控通信实现

配电室监控通信通过RS-485总线，使用Modbus协议实现集中监控。配电室监控仪表连接RS-485总线，通过多串口卡连接监控主机。RS-485总线采用平衡发送、差分接收，具有很强的抑制共模干扰能力。Modbus协议是主从协议，通过主机发送请求，从机响应的方式进行通信。Modbus协议包含设备地址、功能代码、数据段和校验位，通过校验位可以保证数据的正确性。

系统使用SerialPort串口控件，通过设置波特率、数据位、端口号、奇偶校验位、停止位、设备地址与监控仪表参数一致进行通信。监控系统接收到监控仪表上传的数据时，触发DataReceived函数，进行数据解析。监控系统使用定时器实现固定频率的数据采集，并针对充电时、故障时和空闲时设置不同的采集频率，既保证了充电和故障数据的及时采集，又减少了充电空闲时的数据量。

C#与变压室仪表通讯的主要代码：

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

//设置串口参数

spTrans.PortName=”COM12”;//端口号

spTrans.BaudRate=9600;//波特率

spTrans.DataBits=8;//数据位

spTrans.Parity=Parity.None;//奇偶校验位

spTrans.StopBits=StopBits.One;//停止位

spTrans.Open();//打开串口

byte[] send={02,03,00,00,00,04,68,58};

spTrans.Write(send,0,send.Length);//发送数据

byte[] response=new byte[13];

spTrans.Read(response,0,response.Length);//将得到的数据放入response中

spTrans.Close();//关闭串口

3 监控系统软件开发

本系统参照GB/T 50966-2014《电动汽车充电站设计规范》进行设计开发，根据国标要求，电动汽车充电站监控系统主要包括充电监控部分和配电监控部分。

3.1 充电监控部分

充电监控部分主要包含站监控、报表查询、统计分析、故障管理、报警查询、IC卡管理、系统设置、用户管理、使用帮助等功能。

1)站监控包括：充电桩监控、充电机监控、配电室监控。实时监控充电桩、充电机、配电室的电参量和状态信息。后台模块通过检测状态值和设置阀值进行异常检测，对于异常情况进行报警提示，可实现电动汽车监控系统的智能监控功能。

2)报表查询：按照时间和充电机编号等条件查询历史数据，可进行分页显示。对于查询出来的数据可以进行报表导出和打印。

3)故障管理：对系统出现故障的处理，包括故障追踪、派工处理和维修管理。

4)报警查询：对报警信息进行按时间段和故障信息查询，以报表形式显示和导出。

5)计量计费：主要包括IC卡的充值、消费、账户信息的查询以及月电量和年电量的统计。能够详细的显示每一次充电所消耗的金额、时间和电量信息。

6)系统设置：主要包含数据库的配置和充电桩的配置。实现充电站中对应不同个数充电桩的零活配置。

7)用户管理：可增加删除用户，设置登陆密码和登陆权限。只有输入正确的用户名和密码才能登录成功。

8)使用帮助：介绍软件操作流程，使软件操作者快速上手，正确操作软件

通过点击主界面的充电桩图标，可以进入到充电枪界面，显示详细的充电信息。

充电桩中包含有A枪和B枪，每个充电桩可以同时为两辆车充电。该界面主要对充电枪的电量、充电机绝缘检测结果、充电机状态和电池管理系统的信息进行显示。操作人员可以实时的查看A、B两枪的参数及状态。监控系统将采集与解析得到的参数信息存入SQLServer数据库，在对充电数据和故障信息查询时，读取数据库中对应的表，将数据读取上来进行界面显示。监控系统和刷卡充值系统需保持内容上一致，要进行实时更新。

3.2 配电监控部分

配电监控部分主要包括高压室、变压室和低压室监控。高压室监控仪表采用微型计算机的继电器保护，该设备通过判断开关的状态来确定是否进行跳闸处理，对整个配电室电气设备、线路进行保护，避免操作不当引起的仪器损坏；变压室监控仪表采用温控器进行变压室温度控制，实现对变压室的温度调控；低压室监控仪表采用多功能电力仪表进行低压室运行状态监控。如图3所示。

图3 配电监控界面

由图3可以看出，配电监控界面中主要显示高压、变压和低压的主要参数：高压室包含开关状态、断线状态、失压状态、高温状态、速断状态和零序电压状态等；变压室包括风机启停状态、超高温跳闸状态、A相传感器状态、B相传感器状态、C相传感器状态和超高温报警状态；低压室主要显示各相电压和功率等信息。如果想看某室中的详细信息，可以点击对应的图片，界面会转到对应的界面，显示具体的内容。

4 结论

本文设计开发了一套电动汽车充电站监控系统，实现了充电站的充电和配电设备统一集中监控。系统的应用保证了充电站的正常运营，提高了电动汽车充电站的安全运行能力，极大的方便了电动汽车充电站的管理。

[1] 孟 莹, 曹以龙, 曾俊东. 电动汽车充电站智能管理系统的设计与实现[J]. 仪表技术,2016,5:22-24.

[2] 刘立功, 王会军, 卜银娜,等.一种电动汽车充电站监控终端的设计与实现[J].电测与仪表,2016,53(13): 118-122.

[3] 冯东青, 赵洪蕊, 王迎迎.电动汽车充电站智能监控系统设计[J]. 计算机测量与控制,2011,19(7):1619-1621.

[4] 赵明宇, 王刚, 汪映辉, 等.电动汽车充电设施监控系统设计与实现[J].电力系统自动化, 2011,35(10):48-51.

[5] 张明江, 袁 弘, 王滨海, 等. 基于可靠性的电动汽车监控系统设计与实现[J]. 制造业自动化, 2014(12):135-140.

[6] 高德欣, 程 捷, 白剑飞.基于C#的交流异步电动机测试与分析系统开发[J].计算机测量与控制,2016,21(12): 37-40.

[7] 刘永相, 惠富会, 徐瑞林,等.基于LabVIEW和CAN总线的电动汽车充电站监控系统设计[J].电测与仪表,2011,48(11): 41-44.

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，山东烟台人，博士(后)，教授，硕士生导师，主要从事优化控制、计算机控制等方向的研究。

1671-4598(2017)11-0084-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.022

TP273.2

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