充换电站及电动汽车远程监控系统研究与应用

徐敏锐

(江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103)

传统燃油汽车消耗了大量的石油资源，产生了大量的有害废气，给自然资源和人类生存环境带来巨大压力，而电动汽车具有高效节能、低排放或零排放、低噪音等优势，具有巨大的发展潜力，电动汽车充换电站是电动汽车大规模商业化后不可缺少的电动汽车能源服务基础设施。

为适应电动汽车对基础设施的发展需要，江苏省电力公司按照国家电网公司统一部署，在全省范围内全面加快建设电动汽车充电设施，提高充电设施建设覆盖面，为电动汽车的产业化和商业化运营提供技术服务支撑，提高能源利用效率，促进低碳经济和循环经济发展。目前，江苏省电力公司已建设完成扬州市吴州路、南京市迈皋桥、苏州市邓蔚路、江阴市西外环路等4个电动汽车充换电站，2011年底将建成32座电动汽车充换电站，预计“十二五”期间将建成300座充换电站。迄今为止，建立省级电动汽车及充换电站远程监控系统国内外尚没有先例，为此有必要对此进行研究。

1系统建设目标

充换电站及电动汽车远程监控系统可实现对全省所有电动汽车充换电站及电动汽车运行数据的实时采集和处理，实时监测、分析充换电站及电动汽车运行状况，为充换电站及电动汽车的安全、可靠、经济运行及管理提供保障手段。

通过该监控系统建设，制定江苏电动汽车充换电站及电动汽车信息接入技术标准，进一步提高电动汽车充电设施工程建设的标准化水平。监控系统可向江苏省电力公司、江苏各地市供电公司以及充换电站发布充换电站及电动汽车运行状况，为电动汽车用户提供优质、便捷服务，最终实现提高电能占终端能源消费比例和能源利用效率的目标。

2系统组成及网络架构

在江苏省电力公司总部建立充换电站及电动汽车远程监控系统，采集全省所有充换电站及电动汽车的运行数据，监控对象主要包括充换电站设备、充电监控后台、营业厅以及电动汽车。地市级供电公司不再建立区域集中的监控系统，而仅在充换电站内部建立站级的监控系统。站级监控系统主要负责对站内配电系统、充电系统以及计量计费等方面的信息监控。

充换电站及电动汽车远程监控系统网络架构如图1所示，主要由监控中心、电力广域网、GPRS无线通信网络、充换电站通讯管理机、视频系统及电动汽车车载终端等部分组成。

通讯管理机通过电力广域网实现充换电站现场设备（充换电设备、配电设备、监控系统等）和监控中心之间的数据信息交互。

视频系统通过电力广域网实现充换电站现场监控摄像机和监控中心之间的视频信息交互。

车载终端通过GPRS的APN专线网络[1]，实现电动汽车和监控中心之间的数据通信，车载终端安装方式可适当灵活选择，既可以直接在电动汽车上安装车载终端，也可以将一定数量的电动汽车数据汇总后转发，车载终端主要由单片机模块、GPS模块、GPRS模块以及电源模块等组成。

监控中心主要由通信服务器、数据库服务器、以及Web服务器构成。通信服务器负责接收通讯管理机以及车载终端采集的数据，解析后存入数据库服务器，同时远程监控车载终端通信的状态和参数设置。数据库服务器主要用来存储管理充换电站、电动汽车等各类监测数据信息以及省公司地理信息系统（GIS）地图信息。Web服务器主要用来响应客户端浏览器访问，提供可视化的监测数据查看、分析、评估等高级应用。

江苏省电力公司用户可在电力广域网中访问充换电站及电动汽车远程监控系统Web浏览器，各地市级公司用户仅能访问本地所属的充换电站及电动汽车的监控信息。

3系统的主要功能

该监控系统主要包括充换电、配电、视频、电动汽车运行等监控管理以及视频介绍等功能[2]。

3.1充换电监控管理

实现对充换电站内充电设备、电池更换设备的运行状态和电池充电、电池更换的过程进行监视和管理。具体功能如下：

（1）数据采集功能。采集直流充电机的工作状态、温度、故障信号、功率、电压、电流、电量、电费等；采集交流充电桩的工作状态、故障信号、功率、电压、电流、电量、电费等；采集电池组温度、荷电状态（SOC）、电压、电流、电池故障信号等；采集电池更换设备的位置、工作状态信息。

（2）数据处理与存储功能。具备充电设备的越限报警和故障统计等数据处理功能；具备充电过程数据统计等功能；具备对充电设备的遥测、遥信以及报警事件等实时数据和历史数据的集中存储以及查询功能。

（3）事件记录和报警功能。具备操作记录、系统故障记录、充电运行参数异常记录、电池组参数异常记录等功能，提供图形、文字等报警方式及相应的报警处理功能。

（4）电池充电信息管理功能。存储电池箱的各类参数、使用时间、维护维修记录等信息；记录电池箱充电过程相关数据，包括充电电压、充电电流、温度、充电次数、充电起止时间、充电电量等。

3.2配电监控管理

实现对充换电站配电系统的配电状况、电能质量、开关状态、配电设备运行参数等进行监视和管理。具体功能如下：

（1）采集充换电站配电系统的开关状态、保护信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能计量信息等。

（2）具备配电系统的越限报警、事件记录、故障统计等数据处理功能。

3.3视频监控管理

实现对充换电站进行安全防范监控以及对站内外重要区域的视频监控。

（1）对充换电站的充电区、供电区、电池更换区、营业窗口、值班室等位置进行视频监视。

（2）具备对监控视频的来源、记录的时间、日期等信息进行记录功能。

3.4电动汽车运行监控管理

实现对电动汽车运行状态、电池运行状态进行监控和管理。具体功能如下：

（1）采集电动汽车的工作状态、速度、经度、纬度等信息；采集电动汽车电池SOC、总线电压、电池电流、电池模块最高温度、电池模块单体最高电压、单体最高电压电池编号、单体最低电压、单体最低电压电池编号等。

（2）具备根据电动汽车采集的经纬度、电池电量等信息，计算电动汽车运行里程以及百公里电耗。

（3）具备在GIS中实时显示电动汽车运行状态信息、电池运行状态信息以及行车路线等。

3.5视频介绍

实现电动汽车及充换电站相关内容的视频介绍，通过几个动画片段，将电动汽车充换电站及电动汽车的相关内容简明而又形象地展示给用户，给用户一个直观的视觉效果冲击，同时让用户能够基本明白电动汽车、充换电站等的基本情况，了解充换电站应用给社会与环境带来的环保及经济效益。视频介绍内容包括电动汽车的特点及效果、电动汽车充换电站机理、江苏省充换电站规划、充换电站监控系统建设、江苏典型充换电站建设情况介绍等。

另外，该监控系统还具有计量计费、工程接入、系统扩展管理、用户权限管理、运行维护、值班日志、统计报表等功能。

4系统关键技术

4.1数据信息接入技术

充换电站现场设备数据信息通过通讯管理机接入到监控中心，通讯管理机实现对各种现场设备协议转换、数据汇集传输等功能，提高了数据传输通信的效率和现场设备的接入管理。

通讯管理机与监控中心之间的数据通信协议采用IEC60870-5-104标准协议[3]，并在此标准协议的基础上做了一些补充规定：使用遥信功能传输所有开关变位、保护告警、充电启停事件等信号量，信号发生时通讯管理机主动上传；使用遥测功能传输所有设备的电气测量数据，但禁用主动上传机制，通讯管理机仅响应监控中心总召唤命令，监控中心通过设置适当的总召唤频率来满足测量数据的采样速率要求；充换电站数据信息接入时，监控中心和通讯管理机两侧同步配置数据测量点，并进行远程通信联调。

4.2视频接入技术

充换电站视频信息通过站内视频系统接入到监控中心。监控中心直接调用视频系统厂家提供的视频控件，提高了视频传输通信的速度和效率。

充换电站的视频服务器生产商或视频系统集成商提供基于ActiveX技术的图像显示控件[4]，控件包含编程接口，供监控中心页面嵌入使用。

监控中心自行开发展示页面中除控件以外的部分，完成对编程接口的调用代码。对于不同厂家提供的控件，监控中心将分别编写页面，根据生产商进行程序分支。

视频场景采用数据库方式进行存储，站内现场新安装或修改摄像头和预置位设置时，将由工程安装人员提供实际的配置清单，监控中心根据该清单进行数据库配置。

4.3电动汽车接入技术

电动汽车的运行状态、电池运行状态等信息数据，通过车载终端，实现和监控中心中的通讯服务器通信。

为了提高通信速度和效率，车载终端与监控中心的通信规约采用自行定义的 《电动汽车数据传输规约》，车载终端和监控中心之间的通信采用UDP方式，监控中心服务器打开2100端口，车载终端端口可以自行选择。在帧结构设计上采用适用于串口等情况的链路层定义的 “监控中心轮询+车载终端应答”半双工方式。应用层的整数均为4字节的带符号整数，使用补码进行编码。浮点数均采用IEEE 754双精度标准编码，8字节存储。字符串均按照字面顺序，采用以0结尾的不定长字符串，汉字及中文符号使用GBK编码。报文结构设计依照有效传递信息和高寻址空间来设计。设计的报文结构为：起始字节 （68h）+报文字节数+车载终端地址+重复起始字节（68h）+帧类型+应用层数据+校验码+结束字节（16h）。帧类型主要包括车载终端登录、登出、历史数据（电池数据）、实时数据（定位数据）以及读/写监测周期等。

5系统应用情况

该系统自2010年6月份投运以来，运行稳定可靠，界面操作方便。目前，系统完成了南京市迈皋桥、扬州市吴州路、苏州市邓蔚路、江阴市西外环路等4个充换电站及相关8辆电动汽车接入工作，接入数据准确可靠，实现了对这些电动汽车充换电站及电动汽车运行数据的实时采集和处理，为江苏省电力公司和相关地市供电公司用户提供实时监测、分析这些充换电站和电动汽车的运行状况的平台，为其安全、可靠、经济运行及管理提供了保障。

6结束语

充换电站及电动汽车远程监控系统的研发成功，实现了对江苏省充换电站及电动汽车的实时监控和有效管理。随着充换电站和电动汽车商业化运行的增多，该远程监控系统需要进一步扩展服务范围，完成后续投运的充换电站及电动汽车接入工作，使系统发挥更大的社会效益和经济效益。

[1]张 虹，陈 堂.GPRS技术在电力负荷管理系统中的应用[J].江苏电机工程，2006，25(6)：41-43.

[2]严 辉，李庚银，赵 磊，等.电动汽车充电站监控系统的设计与实现[J].电网技术，2009，33（12）：15-19.

[3]IEC 60870-5-104—2006，遥控设备和系统[S].

[4]宇 鹏，王晓峰，李云飞.Visual C++实践与提高—ActiveX篇[M].北京：中国铁道出版社，2001．