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基于Web的交流充电桩远程监控系统设计

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：邹毅峰

[导读] 摘要：为保证充电桩的安全运行，对故障进行远程报警，设计了一种基于 Web 的交流充电桩远程监控系统。

        (重庆广汇供电服务有限责任公司帕美来分公司重庆市 400020)
        摘要：为保证充电桩的安全运行，对故障进行远程报警，设计了一种基于 Web 的交流充电桩远程监控系统。系统将采集到的数据进行分析处理，判断是否发生故障。经过测试，系统运行稳定，能对常见故障进行报警，可有效实现交流充电桩的运行监控。
        关键词：Web，交流充电桩，数据采集，故障诊断
        交流充电桩的健康状态监测技术和故障诊断技术的研究，对发展和普及电动汽车将具有十分重要的理论意义和工程应用价值。对充电桩的监测功能主要包括：采集充电桩的运行过程中的电压、电流等的交流输入输出，监测充电桩的运行状态及各开关状态，计量输出电能，对充电桩的保护以及各动作告警［1］。本文主要通过使用单片机技术采集充电桩输入输出的电压电流，对交流充电桩的运行状态进行监控和故障诊断。
        1 总体设计系统整体结构框数据采集模块由传感器、调理电路、单片机模块、Wi－Fi 模块和电源模块五部分组成，监控平台由故障诊断模块、Java 应用服务器、数据库和监控端四部分组成［2－3］。数据采集模块通过传感器得到电压电流信号，经过调理电路将采集到的信号转换为单片机可以接收的模式；单片机模块对采集信号进行 A ／ D 变换、接收控制模块发送的继电器状态信息并将状态信息和变换后得到的数字信号通过串口通信发送至 Wi－Fi 模块中；Wi－Fi 模块负责将单片机处理后的信号通过无线路由送入以太网，传输到远程监控平台；而电源模块则给其他四路模块提供对应工作电压。服务器接收到数据后一方面通过浏览器显示电气量实时曲线、实时动态数据以及最新报警信息，同时经过信号处理与故障诊断，存储故障数据和信息到数据库，以便用户查询分析［4－5］。
        2 硬件设计
        2．1 传感器模块设计传感器使用南京奇霍科技的 VSM200D 型霍尔电压传感器，可测量－400～400V 范围内的瞬时交流电压信号，且响应时间小于 100μs。使用 CSM010GT 型霍尔电流传感器，可以测量－20～20A 范围内的瞬时交流电流信号，响应时间小于 500ns。该模块精确度高，线性度好，且动态性能和过载能力好，满足故障诊断和绘制电压电流曲线的准确度要求。
        2．3 单片机模块设计数据采集模块中的单片机主要用于对传感器采集的信号进行A ／D 转换并与 Wi－Fi 模块进行信号传输。设计中采用ATMEL 公司生产的 ATmega48 单片机［6］。单片机 ADC 进行初始化时，将设定参考电压、采样频率、转换精度和采样通道；串口初始化时将设置相应的波特率及数据帧格式。单片机模块分别对 4个传感器的采集信息进行A／D转换，每四组转换后检查继电器是否处于工作状态，若控制模块发送信息表明继电器处于工作状态，则继续进行数据采集和传输，若控制模块发送信息表明继电器停止工作，则数据采集模块停止数据采集和传输［7］。
        2．4 Wi－Fi 模块设计
        ESP8266 由乐鑫公司开发，其低功耗、紧凑设计和高稳定性可以满足用户的需求，集成了Tensilica L106 系列 32 位处理器，主频 80MHz，最大可达到 160MHz，内置 50KB SRAM 高速缓存储器和 16M ROM，可以使用 UART、SDIO、SPI、12C、12S 总线传输模式。ESP8266 工作状态由其使能端决定，当使能端置低电平时，芯片处于关闭状态，工作电流极小；当使能端置高电平时，芯片处于正常工作状态。 Wi－Fi 模块进行初始化时，将选择工作模式、串口通信波特率与帧格式并写入所连接路由器状态信息及数据接收端地址，连接到指定路由器，实现与外网的连接。当通过接收端地址查询到服务器后，ESP8266 将与服务器建立连接，实现数据传输。
        2．5 电源模块设计
        电源模块负责给数据采集模块内其他模块提供工作电压，由前文得知电源模块需要分别提供±15V、5V和3.3V工作电压此处使用 LM2575 系列稳压芯片。 LM2575系列稳压芯片是
        2．6 控制模块设计
        控制模块主要有两个功能，第一是控制继电器通断，第二是向数据采集模块发送继电器状态信息。控制模块由两部分组成：单片机模块和驱动模块。

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由于单片机驱动不了继电器，所以常用单片机来控制三极管放大电路间接控制继电器。控制模块中也使用ATmage48作为单片机模块，由于数据采集模块中的单片机使用3．3V供电，控制模块中的单片机使用5V 供电，所以在单片机 I ／ O 口外接分压电阻，让高电平时 5V 信号变为 3.3V 信号。控制模块电源部分设计与数据采集模块类似，在此不再赘述。
        3 远程监控平台的设计
        服务器程序是基于 Web 的 B ／ S 模式设计的，采用 Spring MVC 思想设计。使用 MySQL 数据库，设计了不同数据表供用户登录和查询［8］实时监控采用 Ajax 异步刷新技术和 Servlet ＋Applet ＋ JFreeChart 类库进行，使用动态数据与动态图形配合，有利于分析充电桩的运行状况以及进行故障诊断。
        4 系统运行测试
        由于交流充电桩功率过大，实验室不满足实验条件，设计一个实验平台模拟交流充电桩主回路的工作状态，并使用数据采集模块对模拟主回路的电压电流进行采集［9］。主回路可以工作在 0～250V 交流电压下，负载用 4个 40Ω、500W 的大功率波纹电阻并联而成，使电路在交流 50V 下产生 5A 额定电流，每个电阻在额定电流下分流 1．25A，功率为62．5W，控制模块控制继电器的通断模拟上电与断电过程。数据经过计算处理后，送入故障诊断模块，在故障发生时能迅速准确发出诊断信号，触发故障报警和记录模块。常见故障主要包括漏电、短路、过流、欠压、继电器直接失效和继电器间接失效等［10］。本文主要测试过压和漏电故障。主界面显示实时电压电流有效值，绘制动态变化波形图并显示当前报警信息。当检测到有故障发生时，系统界面的确认报警按钮闪烁，同时报警信息框中显示当前故障类型，排除故障并点击确认按钮后，将报警信息写入数据库。历史曲线查询链接可以跳转到故障波形显示界面，报警信息链接可以查看历史报警信息。经过多次测试，系统能准确判断故障，并记录下故障数据。
        5 结束语
        此系统主要通过单片机技术和Web技术完成，能基本完成交流充电桩远程监控需求。通过登录监控系统，对交流充电桩的运行进行实时监控，当发生故障时，能够做到记录故障数据和及时报警。通过分析运行状态及故障信息，为交流充电桩的监控与故障诊断提供有力支持。
        参考文献:
        ［1］郭子健，唐明．基于 IEC61850 标准的电动汽车充电桩监控信息模型研究［J］．电力系统保护与控制，2013，41（3）：134－139
        ［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］孟散散，王秋平，赵宝宜，等．基于WEB 的远程 LED 照明监控系统设计与实现［J］．计算机工程与应用，2013，49（S3）：146－149
        ［4］邬海欣，刘欣，张飞，等．基于 Web 的换热站 SCADA 系统设计－［J］．工业控制计算机，2017，30（2）：10－13
        ［5］徐飞．逆变器中 IGBT 的保护和故障诊断研究［D］．长沙：中南大学， 2009
        ［6］廖承喜．基于 ATmega48 单片机的电动自行车控制器的设计［D］．长沙：湖南大学，2008
        ［7］刘小群，钱郁，陈磊．基于单片机的多路数据采集与传输显示系统［J］．电源技术，2014，38（8）：1546－1548
        ［8］杨洁翔，吴影清，刘廷章．LED 照明工程远程监控系统设计［J］．计算机工程与科学，2012，34（7）：172－176
        ［9］范建磊，刘君．基于虚拟仪器技术的分布式电动汽车充电站在线监控系统［J］．电测与仪表，2014，51（3）：81－85
        ［10］魏国，商慧杰，朱春波，等．电动汽车交流充电桩系统设计［J］．现代电子技术，2012，35（21）：124－127