1  引言
               
  　電動汽車由于燃料的可再生性、清潔性，逐漸成為國家在新能源汽車產業大力發展的對象，而電動汽車充電站是電動汽車大規模產業化后必須建設的基礎設施。從文獻[2]、[3]、[6]的論述中可以看出，在充電站建設中，實現其高效、安全、智能化管理已成為主流，充電站監控系統作為充電站自動化系統的核心，是目前電動汽車充電站建設產業研究的重要課題和熱點。
           
　　本文首先介紹了基于專用停車場的充電站監控系統的結構設計，根據國家標準設計監控系統實現的功能，最后介紹基于mcgs技術的充電站監控系統的實現。
           
2  充電站監控系統結構設計
              
　　參照國家電網公司電動汽車充電設施指導意見[7][8]、電動汽車充電設施典型設計[9]、電力監控系統的技術實現路線及發展趨勢，充電站監控系統采用c/s和b/s相結合的方式進行設計，如圖1所示。

                                        
圖1 充電站監控系統結構圖

　　整個監控系統采用工業以太網連接，充電機、bms(電池管理系統)和智能電表由通訊控制器經協議轉換后接入以太網并與上位機進行通訊，配電監控系統同樣由以太網與監控系統通信，這些部分采用c/s結構；上級監控系統通過以太網與本地監控系統通信，該部分采用b/s結構；服務器負責存儲充電站內的各種數據信息，gps時鐘提供本地時鐘校準功能。監控系統能通過工業以太網實現各種類型充電機的接入，對充電機和電池管理系統進行監控。此外，本地監控系統可以通過以太網與多個上級監控系統進行通信，實現分級和遠程監控。這種結構使系統具備較強的可伸縮性，可以滿足充電設施規模不斷擴容的要求。
           
3  監控系統功能設計
              
　　充電站監控系統的核心功能是充電監控功能，即對充電機和充電電池的各種工作狀態的監控。此外，還包括一些輔助功能以增強系統穩健性和智能化管理。
           
　　3.1數據采集功能
              
　　系統采集充電機工作狀態(充電模式)、溫度、電壓(輸出電壓，直流母線電壓)、電流(輸出電流，直流母線電流)、功率和故障信號(輸入電壓過壓，輸入電壓欠壓，輸入電流過流，輸出電壓過壓，輸出電流過流，模塊溫度過高，輸入缺相，通信中斷，風扇故障等)；采集電池組的溫度、soc、端電壓、端電流、電池連接狀態和電池故障信號(包括單體電池工作參數，如正常工作電壓，溫度，容量，能量，電池電壓上限、下限報警限制，溫度報警上限，最大充電電流及電流報警上限，電壓互差最大報警上限，充電次數，電池健康指數)；采集充電站配電系統監控上傳的開關狀態、保護信號、電壓電流、有功功率、無功功率和功率因數。
           
　　3.2控制調節功能
              
　　監控系統能向充電機下發控制指令，遙控充電機啟停、校時、緊急停機、遠方設定充電參數，控制配電系統斷路器及開關的分合。
           
　　3.3數據處理和存儲功能
              
    　監控系統根據充電站內的數據性質、重要性進行分類存儲，當數據量大時，可以根據預定策略保證重要信息的實時傳送；提供對充電機和電池組遙測、遙信、報警事件等實時數據和歷史數據的集中存儲和查詢功能；此外，系統具備操作記錄、系統故障記錄、充電運行參數異常記錄和電池組參數異常記錄功能。
           
4  充電站監控系統實現
           
　　4.1gps時鐘系統
              
　　該系統選用上海瑞呈有限公司的k806-d衛星同步時鐘，該時鐘除了配有通用串口外，還提供2路網絡對時信號，系統自保持能力強(優于0.6us/min)，支持多種操作系統及基于ntp協議的路由器、交換機、智能控制器等網絡設備，支持電源中斷、gps失步干接點信號告警，工作穩定，操作簡便。在充電站監控系統中，gps時鐘授時采用的時間格式如圖2所示。

                                            
圖2 gps時鐘授時的時間格式

　　4.2通訊控制器
              
　　充電機傳送數據使用的是can總線，它不提供can總線信號和以太網信號之間的轉換，而上層監控計算機采用工業以太網通信，因此在監控計算機和待監控充電機之間使用通信控制器來完成這中轉換。該控制器其主要包括硬件平臺設計和軟件系統設計。
           
　　4.2.1硬件設計
              
   　 硬件平臺以atmel公司的at91rm9200芯片為核心，這款工業級芯片內嵌網絡控制器，包含了以太網mac控制，因此只需外接一片10/100m物理層芯片dm9161e提供以太網接入通道即可。can總線接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can總線收發器tja1050構成[1]。mcp2515與at91rm9200的連接是通過標準串行外設接口spi(at91rm9200內嵌)來實現的，它支持canv2.0b技術規范，能夠發送和接收標準的和擴展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。tja1050是與mcp2515相配的高速can總線收發器，它擔負著節點和總線之間接收和發送電平轉換的任務。另外，為了使硬件平臺提供高效的軟件運行環境，系統還設計了存儲電路(16mb nor flash，主要用來存放系統引導程序bootloader、內核、文件系統；64mb nand flash，用來存儲數據；32mb sdram，提供內核與應用程序的運行空間)、復位電路、jtag調試接口和rs485擴展串口。系統結構如圖3所示。

                                           
圖3 通訊控制器硬件結構框圖

1  引言
               
  　電動汽車由于燃料的可再生性、清潔性，逐漸成為國家在新能源汽車產業大力發展的對象，而電動汽車充電站是電動汽車大規模產業化后必須建設的基礎設施。從文獻[2]、[3]、[6]的論述中可以看出，在充電站建設中，實現其高效、安全、智能化管理已成為主流，充電站監控系統作為充電站自動化系統的核心，是目前電動汽車充電站建設產業研究的重要課題和熱點。
           
　　本文首先介紹了基于專用停車場的充電站監控系統的結構設計，根據國家標準設計監控系統實現的功能，最后介紹基于mcgs技術的充電站監控系統的實現。
           
2  充電站監控系統結構設計
              
　　參照國家電網公司電動汽車充電設施指導意見[7][8]、電動汽車充電設施典型設計[9]、電力監控系統的技術實現路線及發展趨勢，充電站監控系統采用c/s和b/s相結合的方式進行設計，如圖1所示

                                        
圖1 充電站監控系統結構圖

　　整個監控系統采用工業以太網連接，充電機、bms(電池管理系統)和智能電表由通訊控制器經協議轉換后接入以太網并與上位機進行通訊，配電監控系統同樣由以太網與監控系統通信，這些部分采用c/s結構；上級監控系統通過以太網與本地監控系統通信，該部分采用b/s結構；服務器負責存儲充電站內的各種數據信息，gps時鐘提供本地時鐘校準功能。監控系統能通過工業以太網實現各種類型充電機的接入，對充電機和電池管理系統進行監控。此外，本地監控系統可以通過以太網與多個上級監控系統進行通信，實現分級和遠程監控。這種結構使系統具備較強的可伸縮性，可以滿足充電設施規模不斷擴容的要求。
           
3  監控系統功能設計
              
　　充電站監控系統的核心功能是充電監控功能，即對充電機和充電電池的各種工作狀態的監控。此外，還包括一些輔助功能以增強系統穩健性和智能化管理。
           
　　3.1數據采集功能
              
　　系統采集充電機工作狀態(充電模式)、溫度、電壓(輸出電壓，直流母線電壓)、電流(輸出電流，直流母線電流)、功率和故障信號(輸入電壓過壓，輸入電壓欠壓，輸入電流過流，輸出電壓過壓，輸出電流過流，模塊溫度過高，輸入缺相，通信中斷，風扇故障等)；采集電池組的溫度、soc、端電壓、端電流、電池連接狀態和電池故障信號(包括單體電池工作參數，如正常工作電壓，溫度，容量，能量，電池電壓上限、下限報警限制，溫度報警上限，最大充電電流及電流報警上限，電壓互差最大報警上限，充電次數，電池健康指數)；采集充電站配電系統監控上傳的開關狀態、保護信號、電壓電流、有功功率、無功功率和功率因數。
           
　　3.2控制調節功能
              
　　監控系統能向充電機下發控制指令，遙控充電機啟停、校時、緊急停機、遠方設定充電參數，控制配電系統斷路器及開關的分合。
           
　　3.3數據處理和存儲功能
              
    　監控系統根據充電站內的數據性質、重要性進行分類存儲，當數據量大時，可以根據預定策略保證重要信息的實時傳送；提供對充電機和電池組遙測、遙信、報警事件等實時數據和歷史數據的集中存儲和查詢功能；此外，系統具備操作記錄、系統故障記錄、充電運行參數異常記錄和電池組參數異常記錄功能。
           
4  充電站監控系統實現
           
　　4.1gps時鐘系統
              
　　該系統選用上海瑞呈有限公司的k806-d衛星同步時鐘，該時鐘除了配有通用串口外，還提供2路網絡對時信號，系統自保持能力強(優于0.6us/min)，支持多種操作系統及基于ntp協議的路由器、交換機、智能控制器等網絡設備，支持電源中斷、gps失步干接點信號告警，工作穩定，操作簡便。在充電站監控系統中，gps時鐘授時采用的時間格式如圖2所示。

                                            
圖2 gps時鐘授時的時間格式

　　4.2通訊控制器
              
　　充電機傳送數據使用的是can總線，它不提供can總線信號和以太網信號之間的轉換，而上層監控計算機采用工業以太網通信，因此在監控計算機和待監控充電機之間使用通信控制器來完成這中轉換。該控制器其主要包括硬件平臺設計和軟件系統設計。
           
　　4.2.1硬件設計
              
   　 硬件平臺以atmel公司的at91rm9200芯片為核心，這款工業級芯片內嵌網絡控制器，包含了以太網mac控制，因此只需外接一片10/100m物理層芯片dm9161e提供以太網接入通道即可。can總線接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can總線收發器tja1050構成[1]。mcp2515與at91rm9200的連接是通過標準串行外設接口spi(at91rm9200內嵌)來實現的，它支持canv2.0b技術規范，能夠發送和接收標準的和擴展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。tja1050是與mcp2515相配的高速can總線收發器，它擔負著節點和總線之間接收和發送電平轉換的任務。另外，為了使硬件平臺提供高效的軟件運行環境，系統還設計了存儲電路(16mb nor flash，主要用來存放系統引導程序bootloader、內核、文件系統；64mb nand flash，用來存儲數據；32mb sdram，提供內核與應用程序的運行空間)、復位電路、jtag調試接口和rs485擴展串口。系統結構如圖3所示。

                                           
圖3 通訊控制器硬件結構框圖

　　4.2.2軟件設計
              
　　通訊控制器采用linux作為系統的軟件平臺，開發工作主要包括交叉編譯環境的建立、u-boot的配置、linux內核的裁剪和移植、jffs2(journalling flash file system version 2)文件系統的制作和協議轉換軟件的設計。

　　4.3充電站服務器
              
　　服務器存儲和管理充電站內的數據信息，記錄異常事件，提供用戶權限管理、遠程訪問、gps時間校準功能。
           
　　4.3.1硬件平臺搭建
              
   　 充電站內，服務器存儲和處理的數據量大，運行時間長并且要求系統響應時間短，因此對系統硬件平臺的性能要求很高。此外，硬件平臺需采用國際計算機市場上的主流產品，符合計算機產業的發展方向，適應電力工業的應用環境。參考配置見表1。

                                    
    表1  硬件平臺的參考配置

        4.3.2軟件設計
              
  　  服務器存儲和管理充電站內的各種海量數據信息，數據之間邏輯關系復雜。站內的工作站需要服務器快速響應各種請求并提供數據服務，遠程客戶端通過瀏覽器可以訪問服務器上的數據。因此需要開發針對充電站的數據管理系統和web服務程序。根據服務器實現的功能，整個軟件系統采用架構如圖4所示。

                                       
圖4 充電站服務器軟件系統架構

              
　　整個軟件系統采用分層和模塊化結構，便于系統維護和軟件升級，提高服務器的可擴展性。系統通過相應的軟件實現服務器的硬件平臺管理、數據存儲、數據管理和遠程訪問功能。操作系統管理服務器硬件，提高硬件平臺的運行效率和穩定性，為上層軟件提供運行平臺，方便服務器軟件功能的擴展，提供數據的安全保護和服務器用戶權限管理。服務器存儲的數據量大，數據之間邏輯聯系緊密。與文件系統相比，數據庫能夠提高充電站內信息在硬件設備上的高效存儲，提信息據查詢、修改等操作的效率和安全性。數據庫為應用程序提供大量接口，方便系統的二次開發。此外，數據庫還提供用戶權限管理，為服務器上數據提供二次保護，提高服務器數據的安全性。充電站數據管理系統負責上層軟件與本地數據庫的通信，響應上層軟件查詢、存儲、修改數據庫中數據的請求并提供相應的服務。提供服務器的用戶權限管理，管理充電站內的通信協議。充電站提供遠程監控功能，遠程客戶端通過web服務器實現遠程訪問，客戶端用戶只需安裝ie6或ie7瀏覽器，輸入充電站web服務器的網址，驗證身份后登錄、查詢和操作權限內的數據。web服務程序提供數據的圖形顯示方式，可以輸出和打印報表。
　　
　　4.4監控軟件設計
              
　　本設計采用北京昆侖通態軟件公司研發的組態軟件開發系統mcgs(monitor and control generated system)，該系統可以快速構造和生成上位機監控軟件，模塊化程度高，運行高效穩定，操作界面友好。根據監控系統的功能設計，監控軟件的操作界面設計如圖5所示。

                                       
圖5 充電機監控界面
           
 

5  結束語
              
　　本文分析和討論了充個電站監控系統的設計，采用c/s和b/s相結合的方式構造整個系統。
           
　　與以往監控軟件的設計方式不同，文中引入了一種新的、高效可靠地設計方式，即采用mcgs組態軟件進行快速的設計。隨著國家大力扶持電動汽車產業政策的實施，充電站監控系統的建設必將提上日程，希望本文能為該產業的發展提供有力的支持和參考。