CN103529340A - 电动汽车充电站在线监测和分析评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车充电站在线监测和分析评估系统，包括采集终端单元、车载终端单元、FPGA和PCI接口单元和嵌入式工控机；由多个采集终端单元和嵌入式工控机构成电动汽车充电站在线监测平台，实时采集充电站公共连接点和各充电机电压、电流；通过FPGA和PCI接口单元实现多个采集终端单元与工控机的数据交换。车载终端单元将电动汽车的运行状态、充电信息传输至嵌入式工控机，采用雷达图法对电动汽车的状态进行综合评估，并统计分析电动汽车起始充电时间、初始荷电状态和日行驶里程的概率分布。该系统稳定可靠，能实现对充电站的长期监测，并为充电站运行与规划提供大量可靠的监测数据。

Description

电动汽车充电站在线监测和分析评估系统

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种电动汽车充电站在线监测和分析评估系统。

背景技术

随着电动汽车的推广和应用，与之相配套的充、换电站等充电设施也在逐步建设。然而，充电设施大规模接入电网，将给电网带来负荷冲击，并对电网的电能质量、网络损耗、设备利用率等产生不容忽视的影响。电动汽车充电特征数据，主要包括起始充电时间、初始荷电状态和日行车里程，对研究电动汽车充电过程对配电的影响十分重要，然而现有的电动汽车充电站监控系统主要从电能计量，电动汽车电池能量管理等方面对电动汽车及充电机进行监测分析，还没有专门针对电动汽车充电特征数据的统计分析，亦未对充电机、配电变压器的运行特性进行分析以及电动汽车状态的综合评估。

因此，有必要建立电动汽车充电站在线监测和分析评估系统，研究充电站中充电机、配电变压器的运行特性，有针对性的提出相应的改进措施以保证充电站可靠、稳定的运行。此外，其还有助于掌握电动汽车的充电规律，为分析电动汽车充电行为对配电网带来的不利影响提供大量可靠的数据。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种准确性更高、实时性更强、并能对电动汽车充电站全面、客观的分析与评估的电动汽车充电站在线监测和分析评估系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

电动汽车充电站在线监测和分析评估系统，包括采集终端单元、车载终端单元、FPGA和PCI接口单元和嵌入式工控机；多个采集终端单元和嵌入式工控机构成电动汽车充电站的在线监测平台，实现对电动汽车充电站公共连接点电气量和开关量的采集；所述采集终端单元由依次串联的信号调理模块、A/D采集模块和DSP处理模块构成；由过零触发电路和DSP处理模块的不可屏蔽中断NMI、捕获器CAP和定时器TIME实现同步交流采样，在高精度采样和同步传输的基础上，采用双峰谱线修正算法计算充电站的谐波及基波参数，然后在频域中分离谐波和间谐波，实现充电站间谐波的检测；所述车载终端单元主要由电动汽车的监控系统和GPRS数据传输模块构成，用于采集电动汽车速度、里程、电池状态、电池温度、电池电压、电池电流和电动汽车充电次数信息，并将信息发送给嵌入式工控机；所述FPGA和PCI接口单元用于嵌入式工控机PCI总线与多个采集终端的数据交换，在FPGA中设置双口RAM用于缓存数据；所述嵌入式工控机根据电动汽车充电站在线监测平台采集的各项电能质量数据对变压器、充电机的运行特性进行分析，利用电动汽车运行和充电信息对电动汽车的状态进行综合评估，采用对数正态分布、高斯分布方法对电动汽车充电特征数据进行统计分析，以得到各充电特征数据的概率密度分布表达式；所述电动汽车充电特征数据包括起始充电时间、初始荷电状态和日行车里程。

作为本发明的一种优选方案，所述A/D转换模块采用MAX1320数模转换芯片或者AD7606数模转换芯片。

作为本发明的另一种优选方案，所述DSP处理模块采用TMS320C6747芯片的DSP处理器。

与现有技术中的光伏并网发电监测设备相比，本发明具有如下优点：

1、灵活高效的数据采集方式：通过APN专线接入GPRS网络，实现车载终端与嵌入式工控机的数据传输；采用FPGA实现多DSP与PCI的连接，实现电能质量采集终端与嵌入式工控机的高速数据传输。

2、全面的电动汽车充电站在线监测：实时监测公共连接点和各充电机交流侧的谐波、频率偏差、不平衡度等电能质量指标，并通过远程终端采集电动汽车行驶状态数据，如行驶里程、车速等，充电信息，如充电机直流侧的电压、电流和蓄电池的荷电状态。

3、电动汽车与充电站主要设备的全方位评估：利用雷达图直观显示电动汽车电池及整车状态；直观地评估配电变压器效率、高压和低压侧的电压偏差、不平衡度和谐波与负载率的关系；直观地展示各充电机交流侧谐波、不平衡度和功率因数随充电功率变化规律。

4、快速的间谐波检测算法：采用基于频域滤波的间谐波在线检测算法，对采样信号进行一次FFT计算，在频域中消除基波和谐波分量后，再进行间谐波检测。既保证了测量精度，又显著减少了计算量，适合用于在线监测装置。

5、电动汽车充电时、空特征数据的统计分析：利用双峰正态分布或对数正态分布对电动汽车起始充电时间、日行驶里程等进行拟合，得到它们的概率密度表达式，以此作为监测区域充电负荷计算和分析电动汽车充电行为与配电网交互影响的基础。

6、装置的强弱电布置完全分开，可大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合增强装置的抗干扰能力，保证系统连续运行稳定性和记录数据的安全可靠性。

7、能够实时显示数据并有存储功能，方便数据查询和管理；在发生故障时，可根据详细的故障前后各参数波形进行深入分析；根据月统计数据、年统计数据，可以进一步统计研究设备老化问题以及当地天气情况对电站运行的中长期影响。

附图说明

图1为电动汽车充电站在线监测和分析评估系统的硬件设计结构框图；

图2为电动汽车充电站在线监测和分析评估系统的软件设计结构框图；

图3为电动汽车充电特征数据统计流程图；

图4为电动汽车状态综合评估的指标体系图；

图5为电动汽车状态综合评估流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，电动汽车充电站在线监测和分析评估系统，包括采集终端单元、车载终端单元、FPGA和PCI接口单元和嵌入式工控机。其中采集终端单元由依次串联的信号调理模块、A/D采集模块和DSP处理模块构成，采集终端单元采集4路电压（三相及中性点电压）和4路电流（三相及中性点电流）模拟量，由DSP处理模块计算三相电压和电流基波幅值、相位和三相电压频率。

车载终端单元主要由电动汽车的监控系统和GPRS数据传输模块构成，用于将电动汽车速度、里程、电池状态、电池温度、电池电压、电池电流和电动汽车充电次数等数据发送给嵌入式工控机。FPGA和PCI接口单元用于嵌入式工控机PCI总线与多个采集终端的数据交换，由于PCI接口芯片与DSP时钟频率不一致，须在FPGA中设置双口RAM用于缓存数据。

嵌入式工控机根据电动汽车充电站在线监测平台采集的各项电能质量数据对变压器、充电机的运行特性进行分析，利用电动汽车运行和充电信息对电动汽车的状态进行综合评估，采用对数正态分布、高斯分布等方法对电动汽车充电特征数据进行统计分析，以得到各充电特征数据的概率密度分布表达式。电动汽车充电特征数据包括起始充电时间、初始荷电状态和日行车里程。

如图2所示，电动汽车充电站在线监测和分析评估系统的软件分析系统包括采集终端软件、车载终端软件和嵌入式工控机软件3个部分。其中，采集终端软件包括平台初始化、采样脉冲触发、A/D采样、数据处理、数据存储及传输。A/D采样程序主要包括A/D转换、校准等功能；而采样脉冲触发程序则是利用DSP定时器启动A/D转换，其在读取转换结果时通过DSP外部中断的方式实现，须与A/D采样配合进行；DSP数据处理程序主要完成充电站电气量的有效值、频率和相位测量、各项电能质量指标计算；再由传输程序将数据存储到FPGA的双口RAM中完成采集。

车载终端软件系统包括初始化、数据传输请求与应答、GPRS数据发送等模块，初始化成功后启动GPRS模块连接网络，并发送数据传输请求至嵌入式工控机，之后按照嵌入式工控机的应答需求发送采集数据。工控机软件系统用于实现电动汽车充电站各测点的电能质量、电动汽车充电特征数据的统一管理和综合分析，包括数据传输程序、数据处理及管理程序、以太网通讯程序（接收车载终端数据）以及相关驱动程序，主要完成充电特征数据统计分析，电动汽车状态评估，充电机及变压器运行特性分析，此外还具有实时电气量监测，历史数据查询等基本功能。

如图3所示，对电动汽车充电特征数据的统计分析按以下步骤进行：

①提取电动汽车充电特征数据，并对数据做相应的预处理；

②将电动汽车充电特征数据按一定间隔分成若干段，统计其在每个段内的次数；

③计算每个段内，电动汽车充电特征数据的概率密度值，得到其概率密度直方图；

④根据概率密度直方图，拟合得到电动汽车充电站特征数据的概率密度表达式。

为了能够清楚说明电动汽车充电特征数据的统计分析过程，以起始充电时间为例，说明如下：

假设有N个起始充电时间数据，将一天分为24/Δt个时间间隔，统计起始充电时间在每个时间间隔内的次数。若在第i个时间间隔内，起始充电时间数据有N_i个，此时起始充电时间的概率密度值为

$f_i=\frac{N_i}{N*\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

然后根据起始充电时间概率密度直方图分布情况，即可拟合得到其概率密度表达式。

如图4所示，本发明提出的电动汽车状态综合评估的指标体系，包括三个级别的指标，其中，一级指标为电动汽车状态；二级指标包括电池组效率、电池组寿命、电动汽车运行状态、电池组充放电特性和单体电池一致性；三级指标包括能量损耗、放电效率、单位里程能耗、放电深度、电池运行寿命系数、充放电次数、电池组容量、电机温度、平均故障间隔里程、最高车速、行驶里程、充电电压不平衡度、充电电压波动、充电功率因数、充电电流谐波、电池截止电压、持续放电时间、电池电压匹配系数、初始SOC匹配系数和电池温度匹配系数。其中，单体电池温度、初始SOC和电池电压匹配系数以电池组中各单体电池的温度、初始SOC和电压标准差表示；平均故障间隔里程为电动汽车故障的间隔里程平均值；考虑不同放电深度下电池循环寿命差异，将电池的历史充放电次数累积，以表征其电池循环运行寿命。设充放电次数为n，对应的放电深度为x₁，x₂，…，x_n，则循环寿命系数R₂₂为

$R_{22}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{N\left(x_k\right)}---\left(2\right)$

式中：N(x_k)为电动汽车电池组放电深度为x_k时的最大循环次数。

图5为电动汽车状态综合评估流程图。具体评估流程如下：

①根据电动汽车特性选定评估指标，将其分为一级指标、二级指标和三级指标，将各项指标进行标准化，结合改进AHP主观赋权和客观熵权法，计算各项指标权重；

②将评估等级分为优质、良好、合格和较差四个等级，建立三级指标的标准样本矩阵；

③根据雷达图综合评估的基本原理，计算得到四个评估等级的取值区间；

④根据电动汽车三级指标的监测数据对二级指标中相应的指标进行评估，然后利用二级指标值对一级指标（电动汽车状态进行评估）。

电动汽车雷达图综合评估步骤如下：

①以圆心为起点，垂直向上引出第1条单位长度线段OA，将第1个指标权重转换为角度值，绘制第2条单位长度线段OB，同理绘制其余线段；

②以圆心为起点，作每个扇形的角平分线，将各归一化指标作为角平分线的长度；

③依次连接前述外围点形成雷达图，利用雷达图多边形总面积S和周长C，得到定量评估值

④根据项目层各项指标的评估值，由步骤a至d可得电动汽车状态综合评估结果，再根据不同等级的标准样本数据，确定待评估样本综合水平。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.电动汽车充电站在线监测和分析评估系统，其特征在于：包括采集终端单元、车载终端单元、FPGA和PCI接口单元和嵌入式工控机；多个采集终端单元和嵌入式工控机构成电动汽车充电站的在线监测平台，实现对电动汽车充电站公共连接点电气量和开关量的采集；所述采集终端单元由依次串联的信号调理模块、A/D采集模块和DSP处理模块构成；由过零触发电路和DSP处理模块的不可屏蔽中断NMI、捕获器CAP和定时器TIME实现同步交流采样，在高精度采样和同步传输的基础上，采用双峰谱线修正算法计算充电站的谐波及基波参数，然后在频域中分离谐波和间谐波，实现充电站间谐波的检测；所述车载终端单元主要由电动汽车的监控系统和GPRS数据传输模块构成，用于采集电动汽车速度、里程、电池状态、电池温度、电池电压、电池电流和电动汽车充电次数信息，并将信息发送给嵌入式工控机；所述FPGA和PCI接口单元用于嵌入式工控机PCI总线与多个采集终端的数据交换，在FPGA中设置双口RAM用于缓存数据；所述嵌入式工控机根据电动汽车充电站在线监测平台采集的各项电能质量数据对变压器、充电机的运行特性进行分析，利用电动汽车运行和充电信息对电动汽车的状态进行综合评估，采用对数正态分布、高斯分布方法对电动汽车充电特征数据进行统计分析，以得到各充电特征数据的概率密度分布表达式；所述电动汽车充电特征数据包括起始充电时间、初始荷电状态和日行车里程。

2.根据权利要求1所述的电动汽车充电站在线监测和分析评估系统，其特征在于：所述A/D转换模块采用MAX1320数模转换芯片或者AD7606数模转换芯片。

3.根据权利要求1所述的电动汽车充电站在线监测和分析评估系统，其特征在于：所述DSP处理模块采用TMS320C6747芯片的DSP处理器。

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