充換電站及電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

徐敏銳

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

傳統(tǒng)燃油汽車(chē)消耗了大量的石油資源，產(chǎn)生了大量的有害廢氣，給自然資源和人類(lèi)生存環(huán)境帶來(lái)巨大壓力，而電動(dòng)汽車(chē)具有高效節(jié)能、低排放或零排放、低噪音等優(yōu)勢(shì)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，電?dòng)汽車(chē)充換電站是電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的電動(dòng)汽車(chē)能源服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。

為適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展需要，江蘇省電力公司按照國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一部署，在全省范圍內(nèi)全面加快建設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施，提高充電設(shè)施建設(shè)覆蓋面，為電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)服務(wù)支撐，提高能源利用效率，促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，江蘇省電力公司已建設(shè)完成揚(yáng)州市吳州路、南京市邁皋橋、蘇州市鄧蔚路、江陰市西外環(huán)路等4個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充換電站，2011年底將建成32座電動(dòng)汽車(chē)充換電站，預(yù)計(jì)“十二五”期間將建成300座充換電站。迄今為止，建立省級(jí)電動(dòng)汽車(chē)及充換電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有先例，為此有必要對(duì)此進(jìn)行研究。

1系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

充換電站及電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)全省所有電動(dòng)汽車(chē)充換電站及電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析充換電站及電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行狀況，為充換電站及電動(dòng)汽車(chē)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及管理提供保障手段。

通過(guò)該監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，制定江蘇電動(dòng)汽車(chē)充換電站及電動(dòng)汽車(chē)信息接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化水平。監(jiān)控系統(tǒng)可向江蘇省電力公司、江蘇各地市供電公司以及充換電站發(fā)布充換電站及電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行狀況，為電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)、便捷服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)提高電能占終端能源消費(fèi)比例和能源利用效率的目標(biāo)。

2系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在江蘇省電力公司總部建立充換電站及電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采集全省所有充換電站及電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)控對(duì)象主要包括充換電站設(shè)備、充電監(jiān)控后臺(tái)、營(yíng)業(yè)廳以及電動(dòng)汽車(chē)。地市級(jí)供電公司不再建立區(qū)域集中的監(jiān)控系統(tǒng)，而僅在充換電站內(nèi)部建立站級(jí)的監(jiān)控系統(tǒng)。站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)站內(nèi)配電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)以及計(jì)量計(jì)費(fèi)等方面的信息監(jiān)控。

充換電站及電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，主要由監(jiān)控中心、電力廣域網(wǎng)、GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、充換電站通訊管理機(jī)、視頻系統(tǒng)及電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載終端等部分組成。

通訊管理機(jī)通過(guò)電力廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)充換電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（充換電設(shè)備、配電設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等）和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)信息交互。

視頻系統(tǒng)通過(guò)電力廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)充換電站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)和監(jiān)控中心之間的視頻信息交互。

車(chē)載終端通過(guò)GPRS的APN專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)[1]，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信，車(chē)載終端安裝方式可適當(dāng)靈活選擇，既可以直接在電動(dòng)汽車(chē)上安裝車(chē)載終端，也可以將一定數(shù)量的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)匯總后轉(zhuǎn)發(fā)，車(chē)載終端主要由單片機(jī)模塊、GPS模塊、GPRS模塊以及電源模塊等組成。

監(jiān)控中心主要由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、以及Web服務(wù)器構(gòu)成。通信服務(wù)器負(fù)責(zé)接收通訊管理機(jī)以及車(chē)載終端采集的數(shù)據(jù)，解析后存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控車(chē)載終端通信的狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要用來(lái)存儲(chǔ)管理充換電站、電動(dòng)汽車(chē)等各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息以及省公司地理信息系統(tǒng)（GIS）地圖信息。Web服務(wù)器主要用來(lái)響應(yīng)客戶(hù)端瀏覽器訪問(wèn)，提供可視化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看、分析、評(píng)估等高級(jí)應(yīng)用。

江蘇省電力公司用戶(hù)可在電力廣域網(wǎng)中訪問(wèn)充換電站及電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)Web瀏覽器，各地市級(jí)公司用戶(hù)僅能訪問(wèn)本地所屬的充換電站及電動(dòng)汽車(chē)的監(jiān)控信息。

3系統(tǒng)的主要功能

該監(jiān)控系統(tǒng)主要包括充換電、配電、視頻、電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行等監(jiān)控管理以及視頻介紹等功能[2]。

3.1充換電監(jiān)控管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)充換電站內(nèi)充電設(shè)備、電池更換設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和電池充電、電池更換的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和管理。具體功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集功能。采集直流充電機(jī)的工作狀態(tài)、溫度、故障信號(hào)、功率、電壓、電流、電量、電費(fèi)等；采集交流充電樁的工作狀態(tài)、故障信號(hào)、功率、電壓、電流、電量、電費(fèi)等；采集電池組溫度、荷電狀態(tài)（SOC）、電壓、電流、電池故障信號(hào)等；采集電池更換設(shè)備的位置、工作狀態(tài)信息。

（2）數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)功能。具備充電設(shè)備的越限報(bào)警和故障統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)處理功能；具備充電過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能；具備對(duì)充電設(shè)備的遙測(cè)、遙信以及報(bào)警事件等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)以及查詢(xún)功能。

（3）事件記錄和報(bào)警功能。具備操作記錄、系統(tǒng)故障記錄、充電運(yùn)行參數(shù)異常記錄、電池組參數(shù)異常記錄等功能，提供圖形、文字等報(bào)警方式及相應(yīng)的報(bào)警處理功能。

（4）電池充電信息管理功能。存儲(chǔ)電池箱的各類(lèi)參數(shù)、使用時(shí)間、維護(hù)維修記錄等信息；記錄電池箱充電過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)，包括充電電壓、充電電流、溫度、充電次數(shù)、充電起止時(shí)間、充電電量等。

3.2配電監(jiān)控管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)充換電站配電系統(tǒng)的配電狀況、電能質(zhì)量、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、配電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)視和管理。具體功能如下：

（1）采集充換電站配電系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、保護(hù)信號(hào)、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電能計(jì)量信息等。

（2）具備配電系統(tǒng)的越限報(bào)警、事件記錄、故障統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)處理功能。

3.3視頻監(jiān)控管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)充換電站進(jìn)行安全防范監(jiān)控以及對(duì)站內(nèi)外重要區(qū)域的視頻監(jiān)控。

（1）對(duì)充換電站的充電區(qū)、供電區(qū)、電池更換區(qū)、營(yíng)業(yè)窗口、值班室等位置進(jìn)行視頻監(jiān)視。

（2）具備對(duì)監(jiān)控視頻的來(lái)源、記錄的時(shí)間、日期等信息進(jìn)行記錄功能。

3.4電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行監(jiān)控管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)、電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理。具體功能如下：

（1）采集電動(dòng)汽車(chē)的工作狀態(tài)、速度、經(jīng)度、緯度等信息；采集電動(dòng)汽車(chē)電池SOC、總線電壓、電池電流、電池模塊最高溫度、電池模塊單體最高電壓、單體最高電壓電池編號(hào)、單體最低電壓、單體最低電壓電池編號(hào)等。

（2）具備根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)采集的經(jīng)緯度、電池電量等信息，計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行里程以及百公里電耗。

（3）具備在GIS中實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息、電池運(yùn)行狀態(tài)信息以及行車(chē)路線等。

3.5視頻介紹

實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)及充換電站相關(guān)內(nèi)容的視頻介紹，通過(guò)幾個(gè)動(dòng)畫(huà)片段，將電動(dòng)汽車(chē)充換電站及電動(dòng)汽車(chē)的相關(guān)內(nèi)容簡(jiǎn)明而又形象地展示給用戶(hù)，給用戶(hù)一個(gè)直觀的視覺(jué)效果沖擊，同時(shí)讓用戶(hù)能夠基本明白電動(dòng)汽車(chē)、充換電站等的基本情況，了解充換電站應(yīng)用給社會(huì)與環(huán)境帶來(lái)的環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益。視頻介紹內(nèi)容包括電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)及效果、電動(dòng)汽車(chē)充換電站機(jī)理、江蘇省充換電站規(guī)劃、充換電站監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)、江蘇典型充換電站建設(shè)情況介紹等。

另外，該監(jiān)控系統(tǒng)還具有計(jì)量計(jì)費(fèi)、工程接入、系統(tǒng)擴(kuò)展管理、用戶(hù)權(quán)限管理、運(yùn)行維護(hù)、值班日志、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。

4系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1數(shù)據(jù)信息接入技術(shù)

充換電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)信息通過(guò)通訊管理機(jī)接入到監(jiān)控中心，通訊管理機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)匯集傳輸?shù)裙δ埽岣吡藬?shù)據(jù)傳輸通信的效率和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接入管理。

通訊管理機(jī)與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[3]，并在此標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上做了一些補(bǔ)充規(guī)定：使用遙信功能傳輸所有開(kāi)關(guān)變位、保護(hù)告警、充電啟停事件等信號(hào)量，信號(hào)發(fā)生時(shí)通訊管理機(jī)主動(dòng)上傳；使用遙測(cè)功能傳輸所有設(shè)備的電氣測(cè)量數(shù)據(jù)，但禁用主動(dòng)上傳機(jī)制，通訊管理機(jī)僅響應(yīng)監(jiān)控中心總召喚命令，監(jiān)控中心通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)目傉賳绢l率來(lái)滿(mǎn)足測(cè)量數(shù)據(jù)的采樣速率要求；充換電站數(shù)據(jù)信息接入時(shí)，監(jiān)控中心和通訊管理機(jī)兩側(cè)同步配置數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程通信聯(lián)調(diào)。

4.2視頻接入技術(shù)

充換電站視頻信息通過(guò)站內(nèi)視頻系統(tǒng)接入到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心直接調(diào)用視頻系統(tǒng)廠家提供的視頻控件，提高了視頻傳輸通信的速度和效率。

充換電站的視頻服務(wù)器生產(chǎn)商或視頻系統(tǒng)集成商提供基于ActiveX技術(shù)的圖像顯示控件[4]，控件包含編程接口，供監(jiān)控中心頁(yè)面嵌入使用。

監(jiān)控中心自行開(kāi)發(fā)展示頁(yè)面中除控件以外的部分，完成對(duì)編程接口的調(diào)用代碼。對(duì)于不同廠家提供的控件，監(jiān)控中心將分別編寫(xiě)頁(yè)面，根據(jù)生產(chǎn)商進(jìn)行程序分支。

視頻場(chǎng)景采用數(shù)據(jù)庫(kù)方式進(jìn)行存儲(chǔ)，站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)新安裝或修改攝像頭和預(yù)置位設(shè)置時(shí)，將由工程安裝人員提供實(shí)際的配置清單，監(jiān)控中心根據(jù)該清單進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)配置。

4.3電動(dòng)汽車(chē)接入技術(shù)

電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)、電池運(yùn)行狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)，通過(guò)車(chē)載終端，實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控中心中的通訊服務(wù)器通信。

為了提高通信速度和效率，車(chē)載終端與監(jiān)控中心的通信規(guī)約采用自行定義的 《電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》，車(chē)載終端和監(jiān)控中心之間的通信采用UDP方式，監(jiān)控中心服務(wù)器打開(kāi)2100端口，車(chē)載終端端口可以自行選擇。在幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用適用于串口等情況的鏈路層定義的 “監(jiān)控中心輪詢(xún)+車(chē)載終端應(yīng)答”半雙工方式。應(yīng)用層的整數(shù)均為4字節(jié)的帶符號(hào)整數(shù)，使用補(bǔ)碼進(jìn)行編碼。浮點(diǎn)數(shù)均采用IEEE 754雙精度標(biāo)準(zhǔn)編碼，8字節(jié)存儲(chǔ)。字符串均按照字面順序，采用以0結(jié)尾的不定長(zhǎng)字符串，漢字及中文符號(hào)使用GBK編碼。報(bào)文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依照有效傳遞信息和高尋址空間來(lái)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的報(bào)文結(jié)構(gòu)為：起始字節(jié) （68h）+報(bào)文字節(jié)數(shù)+車(chē)載終端地址+重復(fù)起始字節(jié)（68h）+幀類(lèi)型+應(yīng)用層數(shù)據(jù)+校驗(yàn)碼+結(jié)束字節(jié)（16h）。幀類(lèi)型主要包括車(chē)載終端登錄、登出、歷史數(shù)據(jù)（電池?cái)?shù)據(jù)）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（定位數(shù)據(jù)）以及讀/寫(xiě)監(jiān)測(cè)周期等。

5系統(tǒng)應(yīng)用情況

該系統(tǒng)自2010年6月份投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，界面操作方便。目前，系統(tǒng)完成了南京市邁皋橋、揚(yáng)州市吳州路、蘇州市鄧蔚路、江陰市西外環(huán)路等4個(gè)充換電站及相關(guān)8輛電動(dòng)汽車(chē)接入工作，接入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些電動(dòng)汽車(chē)充換電站及電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，為江蘇省電力公司和相關(guān)地市供電公司用戶(hù)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析這些充換電站和電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行狀況的平臺(tái)，為其安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及管理提供了保障。

6結(jié)束語(yǔ)

充換電站及電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)了對(duì)江蘇省充換電站及電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理。隨著充換電站和電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化運(yùn)行的增多，該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)一步擴(kuò)展服務(wù)范圍，完成后續(xù)投運(yùn)的充換電站及電動(dòng)汽車(chē)接入工作，使系統(tǒng)發(fā)揮更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張 虹，陳 堂.GPRS技術(shù)在電力負(fù)荷管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程，2006，25(6)：41-43.

[2]嚴(yán) 輝，李庚銀，趙 磊，等.電動(dòng)汽車(chē)充電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（12）：15-19.

[3]IEC 60870-5-104—2006，遙控設(shè)備和系統(tǒng)[S].

[4]宇 鵬，王曉峰，李云飛.Visual C++實(shí)踐與提高—ActiveX篇[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001．