基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車充換電站服務(wù)平臺(tái)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

連湛偉，李洪峰，朱意霞，劉華鋒，徐鵬

（1.國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)許繼電氣技術(shù)中心，河南許昌 461000；2．國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210096）

目前，國內(nèi)電動(dòng)汽車充換電站系統(tǒng)的應(yīng)用和實(shí)施尚處于探索示范階段，充換電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)多采用面向點(diǎn)的專有通信協(xié)議進(jìn)行通信，很難實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備之間的互操作和系統(tǒng)集成。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是面向?qū)ο蟮耐ㄐ沤涌跇?biāo)準(zhǔn)，其主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)不同廠家智能相關(guān)電子設(shè)備之間的互操作[1]。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的第二版作為面向電力公共事業(yè)的無縫通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，充分借鑒了變電站、電動(dòng)汽車、新能源等領(lǐng)域的長期經(jīng)驗(yàn)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)具有面向?qū)ο蠼y(tǒng)一建模，面向通信系統(tǒng)的ACSI及各種特定通信服務(wù)映射SCSM、面向應(yīng)用的自描述等特點(diǎn)，在不同制造商的智能電子設(shè)備（intelligent electronic device，IED）之間實(shí)現(xiàn)良好的互操作性，并且能夠適應(yīng)通信及應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[2]。

本文對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的抽象通信服務(wù)接口進(jìn)行了研究，對抽象通信服務(wù)接口對象模型到制造報(bào)文規(guī)范MMS（manufacturing message specification）映射進(jìn)行了分析，提出了電動(dòng)汽車充換電站的服務(wù)平臺(tái)接口架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車充換電設(shè)備的通信接口，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車充換電站的服務(wù)平臺(tái)接口。

1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)抽象通信服務(wù)接口

電動(dòng)汽車充換電站系統(tǒng)化的功能主要完成對站內(nèi)充電設(shè)備、換電設(shè)備、配電設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)視與控制。IEC61850第二版定義了抽象通信服務(wù)接口ACSI（abstract communication service interface）?；竞w了電力公共事業(yè)分布式能源部分的功能需求，并且提供了如何對模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫、取代、報(bào)告、記錄等服務(wù)[3]，對象服務(wù)模型如圖1所示。

圖1 ACSI服務(wù)模型Fig.1 Model for the service of ACSI

應(yīng)用關(guān)聯(lián)模型（association），控制著不同類型的設(shè)備間如何通信。邏輯設(shè)備模型（LD）是邏輯節(jié)點(diǎn)的組合。數(shù)據(jù)類模型（data），數(shù)據(jù)表示在自動(dòng)化設(shè)備內(nèi)應(yīng)用程序有意義的信息。取代模型（substitution），支持用遠(yuǎn)方設(shè)定值取代過程值。定值組控制模塊（SGCB）、定義如何切換定值區(qū)及修改定值的方法。

報(bào)告控制塊和日志控制塊模型，描述了基于客戶設(shè)定參數(shù)的報(bào)告和日志產(chǎn)生的條件。日志由LCB控制，控制模型（control），描述了控制服務(wù)，如設(shè)備或參數(shù)的整定組切換，時(shí)間和時(shí)間同步模型（time），為設(shè)備和系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，具體在特定通信服務(wù)映射中實(shí)現(xiàn)。文件傳輸模型（file），提供從文件存儲(chǔ)器傳輸文件和向文件存儲(chǔ)器傳輸文件以及管理文件存儲(chǔ)器[4-10]。

2 MMS在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用

IEC61850在技術(shù)上的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是通過采用抽象通信服務(wù)接口ACSI映射到制造報(bào)文規(guī)范MMS來實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議與應(yīng)用及通信介質(zhì)的分離。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中站控層和間隔層之間的通信采用抽象通信服務(wù)接口ACSI，具體實(shí)現(xiàn)映射到MMS。因此實(shí)現(xiàn)協(xié)議中規(guī)范的ACSI接口到MMS接口的映射是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充換電站服務(wù)接口平臺(tái)的關(guān)鍵。

2.1 ACSI與MMS的關(guān)系

ACSI采用抽象的建模技術(shù)，為對象設(shè)備定義了公共應(yīng)用服務(wù)，從而提供了通過虛擬鏡像訪問真實(shí)數(shù)據(jù)和真實(shí)設(shè)備的途徑。虛擬的觀點(diǎn)可用于描述設(shè)備的全部行為。ACSI與MMS的關(guān)系見圖2。

圖2 ACSI與MMS的關(guān)系Fig.2 Relation between MMS and ACSI

2.2 IEC61850與MMS映射

IEC61850-7第二版為分布式新能源應(yīng)用領(lǐng)域定義了抽象的信息模型和服務(wù)模型。IEC61850-7-2中定義的所有抽象通信服務(wù)除了通用面向?qū)ο笞冸娬臼录℅OOSE）和采樣值傳輸外均映射到應(yīng)用層協(xié)議MMS。IEC61850-8-1第二版定義SCSM抽象的通信服務(wù)、對象及相關(guān)參數(shù)映射到特定的應(yīng)用層協(xié)議，IEC 61850的信息模型和各種控制塊分別映射到MMS的虛擬制造設(shè)備（VMD）、域（domain）、有名變量（named variable）、有名變量列表（named variable list）、日志（journal）和文件管理（file management）模型，服務(wù)則對應(yīng)的映射到MMS類的服務(wù)。ACSI到MMS的映射關(guān)系如圖3所示[11]。

圖3 IEC61850與MMS映射Fig.3 IEC61850 and MMS mapping

3 電動(dòng)汽車充換電站的服務(wù)接口平臺(tái)架構(gòu)

電動(dòng)汽車充換電站系統(tǒng)加構(gòu)見圖4?；贗EC61850的充換電站系統(tǒng)為分層分布式系統(tǒng)，按邏輯功能可分為站控層、間隔層、過程層3層，其中站控層涉及的主要設(shè)備包括服務(wù)器、工作站及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；間隔層涉及的主要設(shè)備包括分箱充電機(jī)、換電設(shè)備、配電設(shè)備等其他設(shè)備；過程層涉及的相關(guān)設(shè)備包括車輛上的電池、換電站內(nèi)的電池、充電架上的電池以及配電一次智能設(shè)備等，站控層與間隔層之間宜采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各層內(nèi)部宜采用星型連接，本部分提出了一種多層級(jí)服務(wù)接口的平臺(tái)架構(gòu)，該架構(gòu)包括3層級(jí)，分別為：

1）過程層，該層是架構(gòu)的最底層和執(zhí)行層，管理對象為動(dòng)力電池本身，其目標(biāo)是保障用戶的充電需求并降低充電費(fèi)用。該層需要借助車載或非車載的智能終端實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的充電過程的優(yōu)化管理[11]。

2）間隔層，該層的管理對象為本地配電設(shè)備、車載設(shè)備、充電設(shè)備、換電設(shè)備及其他電源或負(fù)荷，該層的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與其他負(fù)荷和電源的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖4 電動(dòng)汽車充換電站系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 The System structure of electric vehicle charging-swapping station

3）站控層，該層的管理對象為多個(gè)充換電設(shè)施及電動(dòng)汽車用戶，該層通過充（換）電站監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，其目標(biāo)是通過各設(shè)施或用戶的協(xié)調(diào)管理實(shí)現(xiàn)。

3.1 電動(dòng)汽車充換電站服務(wù)接口框架

服務(wù)接口總體設(shè)計(jì)遵循IEC61850抽象通信服務(wù)接口的設(shè)計(jì)思想，具體實(shí)現(xiàn)安裝IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的特定通信服務(wù)定義完成接口的設(shè)計(jì)，電動(dòng)汽車充換電設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)的接口開發(fā)主要是充換電設(shè)施客戶端業(yè)務(wù)接口的開發(fā)，通信接口整體設(shè)計(jì)框架見圖5。

圖5 接口整體設(shè)計(jì)框架Fig.5 The structure of interface designing

3.2 電動(dòng)汽車充換電設(shè)備接口定義3.2.1 分箱充電機(jī)

分箱充電機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一由分箱充電機(jī)監(jiān)控設(shè)備負(fù)責(zé)完成，充電機(jī)具體的充電電壓充電電流按照模擬量方式通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用周期報(bào)告的方式進(jìn)行上傳。充電機(jī)的告警信息按照狀態(tài)量通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用變位報(bào)告的方式進(jìn)行上送。充電機(jī)對車充電的電池BMS信息通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用周期報(bào)告的方式進(jìn)行上傳。充電機(jī)的啟動(dòng)停止充電命令采用IEC61850控制服務(wù)的接口方式進(jìn)行控制命令。如表1所示。

表1 分箱充電機(jī)接口Tab.1 Interface of the battery pack charger

3.2.2 換電設(shè)備

換電設(shè)備的換電記錄采用IEC61850文件服務(wù)接口方式，文件格式采用自定義的格式，按照IEC61850調(diào)用錄波文件的方式進(jìn)行調(diào)用。換電設(shè)備的控制啟停操作采用IEC61850控制服務(wù)的接口方式進(jìn)行控制命令。換電設(shè)備的告警信息按照狀態(tài)量通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用變位報(bào)告的方式進(jìn)行上送。換電設(shè)備的位置信息按照模擬量，通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用周期報(bào)告方式進(jìn)行上送。如表2所示。

表2 換電設(shè)備通信接口Tab.2 Interface of the swapping equipment

4 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

基于上述的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用C/C++語言，基于VC++6.0平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于IEC61850的電動(dòng)汽車充換電站的服務(wù)接口平臺(tái)。在設(shè)計(jì)過程中，充分發(fā)揮了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)和編程技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了大量的組件和功能的復(fù)用，極大地增強(qiáng)了代碼的可維護(hù)性。下面從電動(dòng)汽車充換電站服務(wù)模塊總體設(shè)計(jì)和服務(wù)模塊接口設(shè)計(jì)2個(gè)方面進(jìn)行說明。

4.1 服務(wù)模塊總體設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充換電站的服務(wù)接口平臺(tái)提供的服務(wù)分為2種類型的服務(wù)：一種是帶確認(rèn)的服務(wù)類型，該類型服務(wù)的請求由IEC61850客戶端發(fā)起，IEC61850服務(wù)端響應(yīng)客戶端的請求。所有客戶端主動(dòng)發(fā)起的服務(wù)都設(shè)計(jì)為異步服務(wù)，客戶端在回調(diào)通知里接收返回值。每個(gè)服務(wù)對應(yīng)3個(gè)接口：

1）evc_service_req，對外開放的服務(wù)調(diào)用接口，該接口負(fù)責(zé)完成將客戶端請求加到對象服務(wù)請求隊(duì)列中，在未來的某個(gè)時(shí)間發(fā)送；

2）evc_service_req_handler，在handler接口里處理返回結(jié)果，并調(diào)用用戶回調(diào)u_service_req_done，最后釋放服務(wù)過程中申請的資源。

另一類服務(wù)類型是不帶確認(rèn)的服務(wù)接口，該類型服務(wù)的請求由IEC61850服務(wù)端發(fā)起，客戶端接收服務(wù)類型數(shù)據(jù)。該類系的服務(wù)接口在IEC61850 TPAA類型的服務(wù)中只有報(bào)告Report一種服務(wù)。

4.2 服務(wù)模塊接口設(shè)計(jì)

依據(jù)電動(dòng)汽車充換電站充換電設(shè)備業(yè)務(wù)功能的實(shí)際需求，將服務(wù)平臺(tái)劃分為如下接口子模塊。4.2.1 軟件環(huán)境管理模塊

本模塊提供軟件平臺(tái)環(huán)境初始化和終止化、接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等接口。接口模塊包括以下函數(shù)，如表3所示。

表3 軟件環(huán)境管理模塊Tab.3 Software environment management module

軟件環(huán)境管理模塊工作流程分3步：第一步是程序環(huán)境初始化，包括加載SCD配置文件；第二步用戶回調(diào)函數(shù)設(shè)置；第三步啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接收線程等。

4.2.2 SCD文件解析模塊

本模塊根據(jù)SCD文件的內(nèi)容，制定相應(yīng)的模塊數(shù)據(jù)對象類，類里面包括IED設(shè)備個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)模板節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)鏈表等。模塊接口包含的基本處理函數(shù)，如表4所示。

表4 SCD文件解析模塊Tab.4 SCD File analyzing module

SCD文件解析模塊工作流程是首先打開SCD文件，然后按照服務(wù)器，邏輯設(shè)備，邏輯節(jié)點(diǎn)類型，邏輯節(jié)點(diǎn)及報(bào)告控制塊和數(shù)據(jù)集進(jìn)行解析，并把解析完成的數(shù)據(jù)對象存儲(chǔ)到事先定義好的數(shù)據(jù)池中。

4.2.3 對象空間創(chuàng)建模塊

依據(jù)SCD文件解析后，創(chuàng)建的緩沖類，進(jìn)行IED設(shè)備的對象空間創(chuàng)建。模塊接口包含的處理函數(shù)，如表5所示。

表5 對象空間創(chuàng)建模塊Tab.5 Constructing the module of the object space

對象空間創(chuàng)建模塊工作流程是按照文件解析的數(shù)據(jù)池，按照構(gòu)建邏輯節(jié)點(diǎn)類型，實(shí)例化邏輯節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建邏輯設(shè)備及報(bào)告控制塊和數(shù)據(jù)集，最終構(gòu)建服務(wù)器。

4.2.4 站點(diǎn)管理模塊

初始化或反初始化站點(diǎn)管理存儲(chǔ)類，并通過SCD文件，更新IED設(shè)備的對象空間等。模塊包含的接口函數(shù)，如表6所示。

表6 站點(diǎn)管理模塊Tab.6 Station management module

站點(diǎn)管理模塊詳細(xì)工作流程如圖6所示。

圖6 站點(diǎn)管理模塊流程Fig.6 Station management module process

4.2.5 對象管理模塊

本模塊負(fù)責(zé)完成IED對象空間的各種操作，快速訪問空間對象，每個(gè)對象都通過對象ID的方式進(jìn)行索引訪問。模塊包含的函數(shù)，如表7所示。

表7 對象管理模塊Tab.7 Object management module

對象管理模塊工作流程是將IEC 61850數(shù)據(jù)對象按照ID的形式存儲(chǔ)并提取，通過列表中的函數(shù)接口快速訪問空間對象。

4.2.6 讀/寫服務(wù)管理模塊

本模塊負(fù)責(zé)完成對象讀/寫服務(wù)處理，接口對應(yīng)的函數(shù)，如表8所示。

表8 讀/寫服務(wù)管理模塊Tab.8 Read/write management module

讀寫服務(wù)管理模塊工作流程是首先構(gòu)建讀寫服務(wù)數(shù)據(jù)塊，同時(shí)向服務(wù)發(fā)送隊(duì)列發(fā)送讀寫服務(wù)指令，發(fā)送指令前需要設(shè)置讀寫服務(wù)回調(diào)接口。

4.2.7 定值服務(wù)管理模塊

本模塊按照61850定值業(yè)務(wù)處理邏輯，定義定值服務(wù)接口，接口對應(yīng)的函數(shù)，如表9所示。

定值服務(wù)管理模塊工作流程是首先一定數(shù)量的定值區(qū)，然后設(shè)置當(dāng)前定值區(qū)，對定值區(qū)可以進(jìn)行切換和編輯。

4.2.8 報(bào)告服務(wù)管理模塊

對平臺(tái)來說，關(guān)聯(lián)充換電設(shè)備IED報(bào)告控制塊的一個(gè)實(shí)例，不管IED是隱式還是顯式，平臺(tái)只需配置相關(guān)報(bào)告控制塊實(shí)例的參引，平臺(tái)可以完成報(bào)告控制塊的讀寫。接口對應(yīng)的函數(shù)，如表10所示。

表9 定值服務(wù)管理模塊Tab.9 Service setting management module

表10 報(bào)告服務(wù)管理模塊Tab.10 Report management module

報(bào)告服務(wù)管理模塊工作流程是首先通過報(bào)告實(shí)例對報(bào)告控制塊進(jìn)行使能，然后設(shè)置回調(diào)接口進(jìn)行報(bào)告接收。

4.2.9 文件服務(wù)管理模塊

本模塊主要完成充換電記錄存儲(chǔ)文件的讀寫，接口報(bào)告的函數(shù)，文件服務(wù)管理模塊工作流程是首先召喚文件列表，然后再依據(jù)文件列表的名稱召喚文件。如表11所示。

表11 文件服務(wù)管理模塊Tab.11 File management module

5 結(jié)語

從電動(dòng)汽車充換電站實(shí)際情況出發(fā)，依據(jù)電動(dòng)汽車充換電設(shè)施互操作性的需求，提出了電動(dòng)汽車充換電站服務(wù)接口平臺(tái)架構(gòu)及充換電設(shè)施接口定義，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車充換電站的服務(wù)接口平臺(tái)模塊接口，為下一步電動(dòng)汽車充換電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了參考依據(jù)。

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