基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車換電站監(jiān)控系統(tǒng)建模方案

連湛偉，李洪峰

(國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司許繼電氣技術(shù)中心，河南省許昌市 461000)

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車換電站監(jiān)控系統(tǒng)建模方案

連湛偉，李洪峰

(國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司許繼電氣技術(shù)中心，河南省許昌市 461000)

闡述目前電動(dòng)汽車換電站系統(tǒng)與關(guān)鍵設(shè)備管理現(xiàn)狀，分析電動(dòng)汽車換電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)和功能需求，基于IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)提出電動(dòng)汽車換電站系統(tǒng)建模方案，建立換電站系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備信息模型，通過采用抽象數(shù)據(jù)建模方法，建立換電站中智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)的信息配置模型。提出的電動(dòng)汽車換電站關(guān)鍵設(shè)備建模方法，解決了換電站關(guān)鍵設(shè)備通信模型標(biāo)準(zhǔn)化的問題，推動(dòng)了充換電設(shè)備與系統(tǒng)之間信息交互的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，為下一步換電站系統(tǒng)集成提供了統(tǒng)一的信息模型支撐。

電動(dòng)汽車；換電站；監(jiān)控系統(tǒng)；智能電子設(shè)備(IED)；換電設(shè)備；分箱充電機(jī)；IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

0 引 言

發(fā)展電動(dòng)汽車是我國(guó)“節(jié)能減排”的重要舉措，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開電動(dòng)汽車充換電設(shè)施服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，作為電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要前提和基礎(chǔ)，電動(dòng)汽車充換電設(shè)施的建設(shè)引起了各方的廣泛關(guān)注。為保證電動(dòng)汽車換電站在實(shí)際運(yùn)行中的安全，需要通過現(xiàn)代化的技術(shù)手段和管理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)換電站中的充換電設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一集中監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)換電站監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化，降低現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高換電站運(yùn)行和運(yùn)營(yíng)管理水平。

電動(dòng)汽車換電站監(jiān)控系統(tǒng)是集配電監(jiān)控、充換電監(jiān)控、安防監(jiān)控、計(jì)量計(jì)費(fèi)等自動(dòng)化系統(tǒng)于一體的綜合控制與管理系統(tǒng)，它不僅是簡(jiǎn)單的集成，而且是將相關(guān)信息共享，進(jìn)行綜合性的數(shù)據(jù)處理后，按照一定的業(yè)務(wù)邏輯實(shí)施全站統(tǒng)一協(xié)調(diào)和全面管理。系統(tǒng)所監(jiān)控的設(shè)備種類繁多，包括電動(dòng)汽車、動(dòng)力電池、分箱充電機(jī)、換電設(shè)備、智能電表、配電變壓器、保護(hù)測(cè)控裝置、有源濾波及無功補(bǔ)償裝置、視頻攝像頭、傳感器、門禁裝置等，而且不同設(shè)備廠家的裝置通信模型不統(tǒng)一，裝置通信接口多樣化，通信標(biāo)準(zhǔn)不一致，導(dǎo)致?lián)Q電站監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)集成、系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)與設(shè)備間的互操作難度加大，同時(shí)整個(gè)工程調(diào)試周期加長(zhǎng)[1]。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為不同設(shè)備廠商間的系統(tǒng)與智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)間和設(shè)備與設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互操作性和無縫集成提供了途徑，其技術(shù)和方法逐漸被推廣到電動(dòng)汽車換電站及其他電力公用事業(yè)相關(guān)領(lǐng)域?；诖耍疚膶EC 61850標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)建模技術(shù)引入到電動(dòng)汽車換電站監(jiān)控系統(tǒng)中，針對(duì)換電站監(jiān)控系統(tǒng)及相關(guān)功能進(jìn)行基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)建模研究，對(duì)換電站站內(nèi)充電設(shè)備、換電設(shè)備、配電設(shè)備、通信設(shè)備進(jìn)行基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的信息模型研究，結(jié)合電動(dòng)汽車換電站系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型，最終形成電動(dòng)汽車換電站統(tǒng)一的系統(tǒng)模型、裝置信息模型。本文的目的是使所建設(shè)的換電站監(jiān)控系統(tǒng)具備良好的開放性和互操作性，提高換電站監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行管理效率[2]。

1 電動(dòng)汽車換電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

電動(dòng)汽車換電站監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)換電站的配電、充電、換電及安防設(shè)備進(jìn)行全方位的監(jiān)視與管理，保證電動(dòng)汽車換電站安全、高效運(yùn)行。該系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，分為站控層、間隔層和網(wǎng)絡(luò)層，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 換電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

站控層部署數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通訊服務(wù)器和工作站。其中通訊服務(wù)器通過分散于間隔層的充換電監(jiān)控單元實(shí)時(shí)采集充換電設(shè)備數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)服務(wù)器采集處理間隔層上傳的數(shù)據(jù)以及應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)；應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)處理各種換電業(yè)務(wù)需求；工作站負(fù)責(zé)系統(tǒng)畫面監(jiān)視以及換電控制的下發(fā)等操作。

間隔層部署換電監(jiān)控單元、充電機(jī)監(jiān)控單元等設(shè)備，其中換電監(jiān)控單元負(fù)責(zé)與換電設(shè)備通信完成換電監(jiān)控功能，充電監(jiān)控單元負(fù)責(zé)與分箱充電機(jī)通信完成充電設(shè)備監(jiān)控功能；工位就地監(jiān)控單元負(fù)責(zé)與換電監(jiān)控單元和充電監(jiān)控單元通信，并向站控層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)并接受站控層下發(fā)的控制命令。

網(wǎng)絡(luò)層中部署交換機(jī)等通訊設(shè)備，站控層與間隔層之間部署匯聚層交換機(jī)和接入層交換機(jī)，采用實(shí)時(shí)、可靠的以太網(wǎng)方式通訊。

2 電動(dòng)汽車換電站系統(tǒng)建模

電動(dòng)汽車換電站以系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析，系統(tǒng)模型需要對(duì)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范描述。電動(dòng)汽車換電站包括充電設(shè)備、換電設(shè)備、配電設(shè)備及其輔助設(shè)備。充電設(shè)備設(shè)分箱式充電機(jī)；換電設(shè)備設(shè)換電機(jī)器人；配電設(shè)備既有變壓器、斷路器、刀閘、母線等一次設(shè)備，也有保護(hù)/測(cè)控裝置等二次設(shè)備；輔助設(shè)備有環(huán)境/安防等設(shè)備。電動(dòng)汽車換電站系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

圖2 換電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電動(dòng)汽車換電站的業(yè)務(wù)功能需求建立系統(tǒng)模型，如圖3所示。電動(dòng)汽車換電站為根節(jié)點(diǎn)，它包括電壓等級(jí)和配電變壓器。安防、環(huán)境監(jiān)測(cè)等設(shè)備屬于站級(jí)設(shè)備，也隸屬于根節(jié)點(diǎn)；10 kV電壓等級(jí)包含斷路器、刀閘等配電設(shè)備以及保護(hù)、測(cè)控等設(shè)備；400 V電壓等級(jí)下除了相關(guān)配電設(shè)備外還有充電設(shè)備和換電設(shè)備，充電設(shè)備如分箱充電機(jī)為單箱電池提供充電服務(wù)，換電設(shè)備如換電機(jī)器人，根據(jù)電池箱的參數(shù)指標(biāo)和充電情況，為需要換電的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)選擇電池成組配置方案，通過換電設(shè)備完成對(duì)車輛上動(dòng)力電池的更換操作。

系統(tǒng)模型不僅要反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備之間的連接關(guān)系，也要體現(xiàn)IED之間的依賴關(guān)系[3]。

3 IED設(shè)備建模

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中，建模作為系統(tǒng)集成的重要基礎(chǔ)步驟，模型是否標(biāo)準(zhǔn)直接關(guān)系到IED設(shè)備能否對(duì)外提供符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)模型以及通信模型是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。IEC 61850采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，描述了若干類及類的特征和類的服務(wù)。這些類描述了通信系統(tǒng)模型的層次結(jié)構(gòu)：服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象等部分，如圖4所示[3-6]。

圖3 電動(dòng)汽車換電站系統(tǒng)模型

圖4 IED的分層信息模型

Server(服務(wù)器)：將IED的自動(dòng)化功能加相關(guān)信息抽象、分解，并通過對(duì)語義模型的繼承、重載或直接引用、生成特定的應(yīng)用實(shí)例，將這些實(shí)例按照類的形式層次化地構(gòu)成具有一致性和確定性的信息模型，即服務(wù)器。這是抽象通信服務(wù)接口(abstract communication service interface, ACSI)模型的根，其他的模型都是服務(wù)器的一部分，或者說從屬于服務(wù)器。任何一個(gè)客戶都可以通過ACSI和服務(wù)器通信訪問數(shù)據(jù)。每個(gè)IED包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器本身又包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備。

邏輯設(shè)備(logical device，LD)：存在于服務(wù)器中，作為一組邏輯節(jié)點(diǎn)的容器實(shí)現(xiàn)特定功能，或者完成網(wǎng)關(guān)、代理者設(shè)備功能的虛擬設(shè)備。

邏輯節(jié)點(diǎn)(logical node，LN)：交互數(shù)據(jù)的最小功能單元，一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)代表一項(xiàng)基本功能或IED中的一組設(shè)備信息，可以與其他邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，并執(zhí)行特定的操作，邏輯節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)對(duì)象、數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)屬性列表以及對(duì)應(yīng)的功能服務(wù)聚合而成。

數(shù)據(jù)對(duì)象(data object，DO)：包含邏輯節(jié)點(diǎn)的所有信息，從不同的設(shè)備環(huán)境對(duì)象類(common data class, CDC)繼承而來，每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的內(nèi)涵，是模型中信息的最終承載者。

3.1 建模原則

(1)對(duì)換電站關(guān)鍵設(shè)備業(yè)務(wù)信息對(duì)應(yīng)IEC 61850最新標(biāo)準(zhǔn)中已有的邏輯節(jié)點(diǎn)則直接采用，沒有的邏輯節(jié)點(diǎn)則按照IEC 61850擴(kuò)展的原則擴(kuò)展；

(2)對(duì)于邏輯節(jié)點(diǎn)下沒有的業(yè)務(wù)對(duì)象采用擴(kuò)展DO的方式進(jìn)行建模；

(3)對(duì)于例如交流充電樁上保護(hù)的開關(guān)量對(duì)象，建議采用通用過程I/O接口(Generic process I/O, GGIO)建模，如果GGIO不適合的，則按照IEC 61850擴(kuò)展規(guī)則，采用擴(kuò)展邏輯節(jié)點(diǎn)類型的方式進(jìn)行建模；

(4)設(shè)備自身的信息單獨(dú)建成一個(gè)LD，命名為L(zhǎng)D0；

(5)對(duì)于充電樁(機(jī))相關(guān)的充電、控制、計(jì)量等信息(不含自身信息)建成一個(gè)LD，考慮一樁(機(jī))充二車的情況，需要再復(fù)制一個(gè)LD，滿足兩車一樁同時(shí)充電的需求，LD的命名以此類推。

3.2 IED建模思想

所謂建模，就是把功能可以對(duì)外交互的信息組織在模型中，并建立合適的通信服務(wù)以確定信息的傳輸方式和過程。IEC 61850關(guān)注的是可以在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔??；贗EC 61850的IED建模思想是：對(duì)實(shí)際間隔層設(shè)備功能進(jìn)行抽象，依據(jù)面向?qū)ο笏枷敕治鲈O(shè)備的邏輯構(gòu)成，對(duì)傳統(tǒng)的過程化流程實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行解耦分析，抽象出設(shè)備所含有的邏輯節(jié)點(diǎn)以及每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)所含的參數(shù)、屬性，找出邏輯節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向，再利用統(tǒng)一建模語言工具作進(jìn)一步分析[4]。

電動(dòng)汽車換電站系統(tǒng)由IED組成，并由分布于IED中LD的LN交互完成其系統(tǒng)功能。在對(duì)一個(gè)IED裝置進(jìn)行建模時(shí)，首先要確定該IED具有哪些功能，哪些功能是用來交換數(shù)據(jù)的。然后，根據(jù)IEC 61850-7-4標(biāo)準(zhǔn)，將每個(gè)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的換電站自動(dòng)化功能逐一分解為若干個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。一旦確定了某個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，就得到了邏輯節(jié)點(diǎn)類中所有的兼容數(shù)據(jù)。如圖5所示，從虛擬世界抽象出電動(dòng)汽車間隔層的充電樁進(jìn)行建模，對(duì)于充電樁相關(guān)的充電、控制、計(jì)量等信息(不含自身信息)建成一個(gè)LD，充電樁細(xì)化出幾個(gè)LN，控制是其中一個(gè)LN，控制信息有控制條件和模式等數(shù)據(jù)屬性。這些數(shù)據(jù)都不能滿足該IED的實(shí)際功能需求時(shí)，需要擴(kuò)展數(shù)據(jù)(但是為了保證各個(gè)廠商IED之間的互操作性，一般不建議新建LN類)。建立好邏輯節(jié)點(diǎn)后，以這些邏輯節(jié)點(diǎn)的公共特征為依據(jù)，劃分邏輯設(shè)備。一個(gè)邏輯設(shè)備至少包含3個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)：1個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)零(logical node zero, LLN0)，1個(gè)物理設(shè)備信息(physical device information, LPHD)和1～n個(gè)LN(待定邏輯節(jié)點(diǎn))。最后將IED建模為一個(gè)或多個(gè)Server類的實(shí)例，通信模式采用客戶/服務(wù)器模式或訂閱者/發(fā)布者模式[6-14]，如圖5所示。

圖5 IEC 61850建模思想

3.3 關(guān)鍵設(shè)備業(yè)務(wù)信息

依據(jù)上述建模原則、建模方法和建模思想，本文對(duì)分箱充電機(jī)和換電設(shè)備進(jìn)行模型分析。

(1)分箱充電機(jī)。分箱充電機(jī)信息包括充電機(jī)自身的參數(shù)設(shè)置信息、告警信息、充電電壓電流信息等，充電機(jī)與充電架電池BMS信息，充電控制命令。

(2)換電設(shè)備。換電設(shè)備信息包括換電設(shè)備自身參數(shù)設(shè)置信息、告警信息、位置信息、換電設(shè)備控制。

3.4 關(guān)鍵設(shè)備建模

3.4.1 分箱充電機(jī)

分箱充電機(jī)的建模實(shí)際上是管理分箱充電機(jī)的充電機(jī)就地監(jiān)控裝置建模，一般是一個(gè)就地監(jiān)控裝置對(duì)應(yīng)8個(gè)充電模塊或者6個(gè)充電模塊，如圖6所示。

圖6 分箱充電機(jī)建模示意圖

3.4.2 換電設(shè)備

以標(biāo)準(zhǔn)公交車換電站一個(gè)工位的一臺(tái)換電設(shè)備為例，換電設(shè)備本身作為一個(gè)服務(wù)器IED，IEDName命名為BcrDev1，根據(jù)換電設(shè)備的業(yè)務(wù)模型，結(jié)合IEC 61850的對(duì)象模型，進(jìn)行換電設(shè)備IEC 61850抽象建模，如圖7所示。

圖7 換電設(shè)備建模示意圖

4 電動(dòng)汽車換電站通信信息集成

4.1 IED模型實(shí)例

以分箱充電機(jī)設(shè)備為例，結(jié)合其業(yè)務(wù)信息模型，按照IEC 61850建模標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型ICD文件的編寫，文件內(nèi)容如圖8～11所示。

圖8 分箱充電機(jī)模型總體圖

圖9 分箱充電機(jī)邏輯設(shè)備LD0圖

圖10 分箱充電機(jī)邏輯設(shè)備LD1圖

4.2 信息集成

電動(dòng)汽車換電站內(nèi)信息集成換電站監(jiān)控系統(tǒng)完成。分箱充電機(jī)監(jiān)控IED和換電設(shè)備監(jiān)控IED具備通信方式轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控后臺(tái)與設(shè)備間的監(jiān)測(cè)信息和控制信息的傳輸。對(duì)站內(nèi)非IEC 61850通信的裝置建立邏輯映射關(guān)系，形成具備標(biāo)準(zhǔn)信息模型的IED。通過配置工具，按照IEC 61850-6規(guī)定的SCL語言進(jìn)行配置，保證所有設(shè)備能夠滿足一致性、交互性及標(biāo)準(zhǔn)化的要求，形成智能電子設(shè)備實(shí)例化配置描述(configured IED description, CID)文件并下發(fā)到充電監(jiān)控IED和換電監(jiān)控IED中，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控裝置的自動(dòng)接入和自動(dòng)識(shí)別。其功能與配置過程如圖12所示。因此，站內(nèi)所有設(shè)備置于同一通訊平臺(tái)下，可實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)設(shè)備信息標(biāo)準(zhǔn)化上傳、控制指令標(biāo)準(zhǔn)化下達(dá)，統(tǒng)一對(duì)外提供IEC 61850服務(wù)。

圖11 分箱充電機(jī)數(shù)據(jù)類型模板圖

圖12 信息流程與配置

5 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充換電設(shè)備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化管理，本文遵照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，研究了電動(dòng)汽車換電站監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的信息建模和信息交換，結(jié)合換電站系統(tǒng)功能，提出了電動(dòng)汽車換電站關(guān)鍵設(shè)備建模方法，解決了換電站關(guān)鍵設(shè)備通信模型標(biāo)準(zhǔn)化的問題，推動(dòng)了充換電設(shè)備與系統(tǒng)之間信息交互的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。通過該建模方案提高了系統(tǒng)集成能力，簡(jiǎn)化了換電站的建模過程，減少了充換電設(shè)備接入和維護(hù)的工作量，有利于推進(jìn)電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展。本文的研究成果，對(duì)提高換電站運(yùn)行管理水平具有較大的參考價(jià)值。

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[11]IEC 61850—7 Ed.2 Communication networks and systems for power utility：Part 7-1 basic communication structure-principles and models[S].Genvea.IEC 2008.

[12]IEC 61850—7 Ed.2 Communication networks and systems for power utility automation: Part7-2 basic information and communication struct: abstract communication Service Interfaces[S].Genvea. IEC 2010.

[13]IEC 61850—7 Ed.2 Communication networks and systems for power utility automation：Part7-3 basic information and communication struct: common data classed[S].Genvea. IEC 2010.

[14]IEC 61850—7 Ed.2 Communication networks and systems for power utility automation: Part 7-4 basic information and communication struct：Compatible logical node classes and data classes[S].Genvea. IEC 2010.

(編輯：張媛媛)

ModelingSchemeofElectricVehicleBatterySwapStationMonitoringsystemBasedonIEC61850

LIAN Zhanwei, LI Hongfeng

(State Grid XJ Group Co.， XJ Electrical Technology Center, Xuchang 461000, Henan Province, China)

This paper described the battery swap station system for electric vehicle and the current status of key equipment management, and analyzed the architecture and functional requirements of monitoring system in the battery swap station system for electric vehicle. Based on IEC 61850, the modeling scheme was proposed for the battery swap station system of electric vehicle, and the information model of key equipments was established. With using abstract data modeling method, the information configuration model was built for the intelligent electronic device (IED) in battery swap station. The proposed modeling method of key equipments in battery swap station can solve the communication model standardization issues of the key equipments, which can promote the normalization and standardization of information exchange between battery swap device and system, and provide a unified information model support for the system integration of battery swap station.

electric vehicle; battery swap station; monitoring system; intelligent electronic device (IED); battery swap device; battery charge device; IEC 61850

TM 714

： A

： 1000-7229(2014)05-0060-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.010

2013-11-16

：2013-12-10

連湛偉(1972)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車換電站系統(tǒng)方案，E-mail：lianzhanwei@xjgc.com；

李洪峰(1978)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車換電站系統(tǒng)方案，E-mail：lihongfeng@xjgc.com。