郑强， 赵丽平， 周林

(西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031)

电动汽车充电站综合监控系统设计

郑强， 赵丽平， 周林

(西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031)

首先介绍当前电动汽车获取电能的三种方式及其优缺点，充电站的系统概况和数据流向。电动汽车充电桩的大规模接入会对配电网产生负面影响，监控系统对于保障充电过程安全、提高充电站运营管理自动化水平、改善电网电能质量发挥着至关重要的作用。在充电站监控系统设计中将系统细分为充电监控、换电监控、配电监控、电能质量监控、安全防护监控，并基于LabVIEW平台完成监控软件设计开发，并对系统的功能可靠性进行验证。

电动汽车充电站；监控系统；LabVIEW；电能质量；充电站

0 引 言

近年来，随着化石能源和环境危机的不断加剧，电动汽车凭借其良好的节能和环保特性日渐受到亲睐。愈来愈多的国家政府、汽车制造企业、研发机构将注意力转移到新能源汽车的研发与生产推广，作为新能源交通工具的代表，电动汽车具有广阔的应用前景，已被众多国家大力推广，以抢占未来汽车科技发展制高点，同时作为战略新兴产业电动汽车也得到了强有力的政策支持[1-2]。

电动汽车充电站是电动汽车规模化集中充电的场所，负责将电能从低压配电网络传递至电动汽车动力电池内部，电动汽车作为大功率、随机性和非线性负荷，对配电网络的影响不容忽视[3-4]。充电站监控系统对于保证充电过程安全以及充电服务质量起着关键性作用，其可靠性也决定着充电站的运营管理的自动化水平。

本文首先介绍了常用电动汽车的电能获取方式、充电站及其监控系统概况和数据流程，分析设计了集充电和换电于一体并计及常规电能质量分析监测功能的电动汽车充电站综合监控系统，并在LabVIEW编程实现监控软件功能。

1 EV电能补给方式与充电站概况

1.1 EV电能补给方式

目前，电动汽车电能获取主要有三种方式：直流充电桩、交流充电桩和更换电池组。

1)交流充电桩：又称为“慢充”，充电功率小(2～10 kW)、充电时间长[5]160(5～8 h)，由380 V或220 V交流电源供电，提供慢速充电服务，经过车载充电机为动力电池组充电。

2)直流充电桩：又称为“快充”，充电功率大(30～200 kW)、充电时间短(0.5～2 h)，由380 V交流电源供电，经充电桩内部整流、直-直变换和滤波后给动力电池充电，此种充电桩的充电电流可达100 A以上，充电过程会对动力电池产生损伤，影响电池使用寿命[6]。

3)更换电池组：电池组快速更换设备将乏电电池组从电动汽车取出并更换满电电池组。这种方式消耗时间最短，且不会影响电池使用寿命，但建设及运营维护成本在三种方式中最高[2]892。

1.2 充电站概况

充电站是指由三台及以上充电设备(交流充电桩或充电机)组成，提供电动汽车能量补给服务，并能够对充电设备、动力蓄电池状态进行监控的场所[5]162。大型充电站一般是从变电站端引出专用供电线路或者由10 kV线路双回路常供配电专用变压器供电；中型充电站一般采用10 kV单路常供配专用变压器供电；小型充电站一般采用直接接入0.4 kV低压线路。图1所示为中型充电站的典型结构。

图1 中型充电站结构图

图2 直流充电桩结构框图

1.3 充电桩类型与结构

交流充电桩功率较小，结构简单，给电动汽车车载充电机提供交流电源，由车载充电机整流后为动力电池充电；直流充电桩具有比较复杂的内部结构，交流输入侧从380 V交流三相电网获取电能，由充电桩内部整流装置变换为直流，后经过功率变换电路和滤波电路变换为电压和电流可以调节的直流电能为动力电池组充电，基本结构如图2所示。

直流充电桩的整流装置主要有三种：不控整流、相控整流和PWM整流。优缺点分别为：

(1)不控整流：成本低、谐波含量高；

(2)相控整流：控制简单、成本适中、谐波含量比不控整流明显减小，主要为6k±1次谐波；

(3)PWM整流：成本高、控制结构复杂、效率高、谐波含量低。

不控整流由于产生的谐波含量较高，不能满足国标的谐波水平要求，应用较少，PWM整流装置过高的成本限制了它的大规模推广应用，当前应用最为普遍的是相控整流装置。

2 充电站监控系统概况以及数据流程图

2.1 充电站监控系统概况

综合型充电站的监控系统结构如图3所示，包含交流充电桩、直流充电桩和电池组更换三种电能补给方式，站级监控系统通常由一台或多台工作站或服务器构成，由专用网络联接设备进行连接组成局部网络，并能够实现人机交互，完成对充电站区域范围内充电、换电、配电等设备的数据采集处理，并能够完成与上级监控中心之间的网络通信，根据需要向上级监控中心转发统计数据信息。

图3 充电站监控系统结构简图

2.2 充电站监控系统数据流向

充电站监控系统的数据流向如图4所示，图中简要表示了从监控对象侧开始到计算机处理及数据存储转发各个过程中数据流向，下面根据图形依次分析各数据流阶段的功能及实现方法。

图4 充电站监控系统数据流图

2.2.1监控对象

电动汽车充电站内的主要设备有充电桩、电动汽车、电池组快速更换设备、充电架，备用电池箱、配电变压器、配电柜等等[7]。监控系统要实现站域的监控功能，必须能够实时采集设备运行状态和数据。待测信息包括变压器一、二次侧ABC各相电压、电流，充电桩输入侧ABCN各相电压和电流，充电站内各断路器和开关的状态，充电站内的环境状态信息。

2.2.2信号调理

信号调理部分主要完成传感器转换后信号的调节和处理，使得进入AD转换的信号满足系统的设计要求，从而使得系统具有较高的计算精度和可靠性。

2.2.3数据采集

采样是将一个连续的信号进行离散化的过程。采样定理指出：要实现从离散化信号无失真地重建原始连续信号，那么采样频率的大小必须满足的条件是大于等于连续信号中最高频率成分的两倍。

在系统设计中，电能质量分析中需要对电压或者电流的谐波成分进行分析，为使得谐波分析更加准确应避免频率混叠发生，拟定分析谐波的最高次数为60，由采样定理不难得出原始信号的采样频率应至少为6 000 Hz，即每秒采集6 000个数据点。

2.2.4数据处理

传感器采集到的数据经过信号调理和AD转换之后，由专用传输接口接入计算机，利用计算机的高速运算硬件资源，再配以相应的处理软件，实现对原始数据的运算和显示，分析和计算，并将所得数据信息和时间节点存储起来，方便进行历史数据和记录的查询，并能够根据需要生成报表。

2.2.5数据存储及转发

充电站范围内的监控系统只是对充电站范围内的设备及运行情况的实时在线监控，当电动汽车得到更大程度的普及，更大范围内的监控系统对于整个配电网络的安全运行显得尤为重要，而且区域级监控网络能够分析各充电站上传到数据信息并进行集中分析处理，实现充电站自动化运营与管理。因此站级的监控系统需要将原始数据采集信息进行分析和提取，并转发统计数据信息至上级监控中心。

3 监控系统的子系统划分及功能实现

本文结合虚拟仪器的设计思想，利用美国NI公司开发的图形化编程语言和开发环境LabVIEW，完成充电站监控系统的软件设计开发，与其他编程语言相比，具有灵活的数据流编程能力和丰富的数学分析处理工具，并提供友好的人机交互界面，是被公认的标准数据采集和仪器控制程序。

监控系统主要完成对电动汽车充电相关的配电设备、充电设备、电池更换设备、安全防护设备的实时监控和管理，确保充电过程的安全和高效[8]，将系统分为用户管理、充电监控、换电监控、配电监控、电能质量监控、安全防护监控和数据存储及转发子系统，以下分别介绍各子系统的功能及实现。

3.1 用户管理

为了确保监控系统的安全，为监控系统设置用户登录界面，系统定义合法的用户名和密码具有登录权限，进入监控系统的软件应用界面，同时为不同的用户设置不同的用户权限，系统管理员承担着系统运行信息的全局管控和数据维护，拥有监控系统的最高管理权限。

3.2 充电监控

充电监控的主要监控对象主要是交流充电桩和直流充电桩，实现对设备运行数据的采集和处理，并且需要与电动汽车在充电过程中实现实时通信，通过专用接口连接BMS系统掌握电池的实时充电数据信息，包括SOC、单体电压和电流等[9]。控制和调节充电桩的输出对动力电池组实现充电控制，并完成充电过程的计时计费、充电事件记录、参数越限报警等功能，为充电设备的安全可靠工作以及充电过程的快捷高效提供保障。

3.3 换电监控

采取更换电池的方式实现电能补给能够有效地减少汽车在充电站内的停留时间，利用空余时间对更换下的电池进行充电[10]。电池组快速更换系统通常由电池箱更换设备、充电架、分箱充电机和电池箱组成[2]894，监控系统嵌装在设备内部，在电池组更换过程中完成车辆的导向和电池组更换等功能。

3.4 配电监控

配电监控主要完成对充电站配电设备、继电保护设备等的监测数据采集与处理、控制命令下达及设备保护动作，保护信息和时间报警信息的记录，并能以报表的形式进行导出[11]。如变压器绕组短路、铁芯过热，线路出现断电、缺相、电压电流越限，三相不平衡等；另外还要对有功、无功、功率因数的测量与记录。

3.5 电能质量监控

电动汽车充电对电网电能产生电能质量影响已经成为一个不争的事实，电能质量的实时监测对于充电站的安全可靠运行非常关键[12]。电能质量监控主要监控配变一次侧和充电桩输入侧电能质量指标，主要包括：电压偏差、频率偏差、电压/电流不平衡度、电压/电流总谐波畸变率、电压/电流N次谐波幅值及含有率等。

3.6 安全防护监控

安全防护监控系统主要功能是实现对充电站区域内充电及配电设备以及周边环境安全的实时视频监控，及时获取各项设备的报警信息，实现各项保护设备联动控制，并实时告知值班人员及时处理，从而保证整个充电站的安全可靠运行。

3.7 数据存储及转发

数据存储是电动汽车充电站监控系统的重要组成部分，系统的运行数据对于充电站系统的评估、故障诊断以及电能质量改善都具有非常重要的参考。将每个充电站的运行状态信息转发给上级监控中心，由上级监控中心来统筹分配各充电站内充电设备资源和配电容量，提高充电站运行效率以及经济性。

4 系统验证

为验证监控系统的各项监控功能的可靠性，在LabVIEW平台下编程产生模拟电压和电流的基波+谐波源，并验证充电过程中各相关电量及电能质量指标的实时测量显示，实现数据的实时存储和图形显示，根据需要打印和生成报表。经过验证，本系统能够实现所设计的监控功能，并且具有较高的计算精度。

电能质量监控是本监控系统的一大特色，图5所示为电能质量监控系统的监控界面。

图5 电能质量监控子系统界面

配电监控子系统是本监控系统的重要组成部分，图6为配电监控中功率测量部分界面，主要测量配电变压器一次侧电压和电流及各相有功、无功、视在功率和功率因数，并以仪表和数值形式进行显示。

图6 充电站功率测量部分前面板

5 结束语

本文基于LabVIEW平台设计开发的充电站综合监控系统能够较好实现监控系统的各项监控功能，且具有友好的人机交互界面，开发周期短，为快速搭建充电站监控系统提供借鉴，同时能快速实现系统的功能拓展，在充电站建设中采用虚拟仪器平台构建监控软件是一种可行的解决方案。

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Design of A Comprehensive Monitoring System for EV Charging Stations

Zheng Qiang, Zhao Liping, Zhou Lin

(College of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

At the beginning, this paper introduces three prevailing methods for EV power supply and their merits and demerits, system overview and data flow of charging stations. Large-scale access of charging piles will produce negative effects on the distribution network. The monitoring system plays a crucial part in ensuring charging process safety, raising automation level of charging station’s operational management and improving grid power quality. In the design of the station monitoring system, it is segmented into charging monitoring, battery replacement monitoring, power distribution monitoring, power quality monitoring and safety protection monitoring. Design of monitoring software is completed on the basis of LabVIEW platform, and functional reliability of the system is verified.

EV charging station; monitoring system; LabVIEW; power quality; charging station

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.008

TM910.6

A

1000-3886(2017)04-0026-03

定稿日期: 2016-11-07

郑强(1990-)，男，河南许昌人，硕士生。专业：电气工程。研究方向电力系统及其自动化，从事电动汽车充电桩监控系统研究，充电桩电能质量研究。 赵丽平(1973-)，女，四川成都人，博士生，副教授，专业：电气工程。从事继电保护和综合自动化研究，电能质量监控。 周林(1993-)，男，安徽安庆人，硕士生。专业：电气工程。研究方向电力系统及其自动化。