基于IEC61850標準的電動汽車換電站監控系統建模方案

連湛偉，李洪峰

(國家電網許繼集團有限公司許繼電氣技術中心，河南省許昌市 461000)

基于IEC61850標準的電動汽車換電站監控系統建模方案

連湛偉，李洪峰

(國家電網許繼集團有限公司許繼電氣技術中心，河南省許昌市 461000)

闡述目前電動汽車換電站系統與關鍵設備管理現狀，分析電動汽車換電站監控系統架構和功能需求，基于IEC 61850系列標準提出電動汽車換電站系統建模方案，建立換電站系統關鍵設備信息模型，通過采用抽象數據建模方法，建立換電站中智能電子設備(intelligent electronic device，IED)的信息配置模型。提出的電動汽車換電站關鍵設備建模方法，解決了換電站關鍵設備通信模型標準化的問題，推動了充換電設備與系統之間信息交互的規范化和標準化，為下一步換電站系統集成提供了統一的信息模型支撐。

電動汽車；換電站；監控系統；智能電子設備(IED)；換電設備；分箱充電機；IEC 61850標準

0 引 言

發展電動汽車是我國“節能減排”的重要舉措，電動汽車產業的發展離不開電動汽車充換電設施服務網絡的建設，作為電動汽車大規模推廣應用的重要前提和基礎，電動汽車充換電設施的建設引起了各方的廣泛關注。為保證電動汽車換電站在實際運行中的安全，需要通過現代化的技術手段和管理方法實現對換電站中的充換電設施進行統一集中監控與管理，實現換電站監控系統自動化，降低現場工作人員的勞動強度，提高換電站運行和運營管理水平。

電動汽車換電站監控系統是集配電監控、充換電監控、安防監控、計量計費等自動化系統于一體的綜合控制與管理系統，它不僅是簡單的集成，而且是將相關信息共享，進行綜合性的數據處理后，按照一定的業務邏輯實施全站統一協調和全面管理。系統所監控的設備種類繁多，包括電動汽車、動力電池、分箱充電機、換電設備、智能電表、配電變壓器、保護測控裝置、有源濾波及無功補償裝置、視頻攝像頭、傳感器、門禁裝置等，而且不同設備廠家的裝置通信模型不統一，裝置通信接口多樣化，通信標準不一致，導致換電站監控系統的系統集成、系統調試和系統與設備間的互操作難度加大，同時整個工程調試周期加長[1]。

IEC 61850標準為不同設備廠商間的系統與智能電子設備(intelligent electronic device，IED)間和設備與設備間實現互操作性和無縫集成提供了途徑，其技術和方法逐漸被推廣到電動汽車換電站及其他電力公用事業相關領域。基于此，本文將IEC 61850標準中相關建模技術引入到電動汽車換電站監控系統中，針對換電站監控系統及相關功能進行基于IEC 61850標準的系統建模研究，對換電站站內充電設備、換電設備、配電設備、通信設備進行基于IEC 61850標準的信息模型研究，結合電動汽車換電站系統業務模型，最終形成電動汽車換電站統一的系統模型、裝置信息模型。本文的目的是使所建設的換電站監控系統具備良好的開放性和互操作性，提高換電站監控系統的運行管理效率[2]。

1 電動汽車換電站監控系統架構

電動汽車換電站監控系統主要負責對換電站的配電、充電、換電及安防設備進行全方位的監視與管理，保證電動汽車換電站安全、高效運行。該系統采用分層分布式架構，分為站控層、間隔層和網絡層，系統構成如圖1所示。

圖1 換電監控系統結構示意圖

站控層部署數據服務器、應用服務器、通訊服務器和工作站。其中通訊服務器通過分散于間隔層的充換電監控單元實時采集充換電設備數據；數據服務器采集處理間隔層上傳的數據以及應用服務器下發的數據；應用服務器負責處理各種換電業務需求；工作站負責系統畫面監視以及換電控制的下發等操作。

間隔層部署換電監控單元、充電機監控單元等設備，其中換電監控單元負責與換電設備通信完成換電監控功能，充電監控單元負責與分箱充電機通信完成充電設備監控功能；工位就地監控單元負責與換電監控單元和充電監控單元通信，并向站控層轉發數據并接受站控層下發的控制命令。

網絡層中部署交換機等通訊設備，站控層與間隔層之間部署匯聚層交換機和接入層交換機，采用實時、可靠的以太網方式通訊。

2 電動汽車換電站系統建模

電動汽車換電站以系統模型為基礎進行系統設計和分析，系統模型需要對整個體系結構進行規范描述。電動汽車換電站包括充電設備、換電設備、配電設備及其輔助設備。充電設備設分箱式充電機；換電設備設換電機器人；配電設備既有變壓器、斷路器、刀閘、母線等一次設備，也有保護/測控裝置等二次設備；輔助設備有環境/安防等設備。電動汽車換電站系統功能結構如圖2所示[2]。

圖2 換電站系統結構

根據電動汽車換電站的業務功能需求建立系統模型，如圖3所示。電動汽車換電站為根節點，它包括電壓等級和配電變壓器。安防、環境監測等設備屬于站級設備，也隸屬于根節點；10 kV電壓等級包含斷路器、刀閘等配電設備以及保護、測控等設備；400 V電壓等級下除了相關配電設備外還有充電設備和換電設備，充電設備如分箱充電機為單箱電池提供充電服務，換電設備如換電機器人，根據電池箱的參數指標和充電情況，為需要換電的電動汽車動態選擇電池成組配置方案，通過換電設備完成對車輛上動力電池的更換操作。

系統模型不僅要反映系統結構和電氣設備之間的連接關系，也要體現IED之間的依賴關系[3]。

3 IED設備建模

IEC 61850標準中，建模作為系統集成的重要基礎步驟，模型是否標準直接關系到IED設備能否對外提供符合IEC標準的服務模型以及通信模型是否符合標準的要求。IEC 61850采用面向對象的建模技術，描述了若干類及類的特征和類的服務。這些類描述了通信系統模型的層次結構：服務器、邏輯設備、邏輯節點和數據對象等部分，如圖4所示[3-6]。

圖3 電動汽車換電站系統模型

圖4 IED的分層信息模型

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

邏輯設備(logical device，LD)：存在于服務器中，作為一組邏輯節點的容器實現特定功能，或者完成網關、代理者設備功能的虛擬設備。

邏輯節點(logical node，LN)：交互數據的最小功能單元，一個邏輯節點代表一項基本功能或IED中的一組設備信息，可以與其他邏輯節點進行信息交互，并執行特定的操作，邏輯節點由數據對象、數據屬性、數據屬性列表以及對應的功能服務聚合而成。

數據對象(data object，DO)：包含邏輯節點的所有信息，從不同的設備環境對象類(common data class, CDC)繼承而來，每個數據對象的內涵，是模型中信息的最終承載者。

3.1 建模原則

(1)對換電站關鍵設備業務信息對應IEC 61850最新標準中已有的邏輯節點則直接采用，沒有的邏輯節點則按照IEC 61850擴展的原則擴展；

(2)對于邏輯節點下沒有的業務對象采用擴展DO的方式進行建模；

(3)對于例如交流充電樁上保護的開關量對象，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擴展規則，采用擴展邏輯節點類型的方式進行建模；

(4)設備自身的信息單獨建成一個LD，命名為LD0；

(5)對于充電樁(機)相關的充電、控制、計量等信息(不含自身信息)建成一個LD，考慮一樁(機)充二車的情況，需要再復制一個LD，滿足兩車一樁同時充電的需求，LD的命名以此類推。

3.2 IED建模思想

所謂建模，就是把功能可以對外交互的信息組織在模型中，并建立合適的通信服務以確定信息的傳輸方式和過程。IEC 61850關注的是可以在網絡上傳輸的信息。基于IEC 61850的IED建模思想是：對實際間隔層設備功能進行抽象，依據面向對象思想分析設備的邏輯構成，對傳統的過程化流程實現的功能進行解耦分析，抽象出設備所含有的邏輯節點以及每個邏輯節點所含的參數、屬性，找出邏輯節點之間的數據流向，再利用統一建模語言工具作進一步分析[4]。

電動汽車換電站系統由IED組成，并由分布于IED中LD的LN交互完成其系統功能。在對一個IED裝置進行建模時，首先要確定該IED具有哪些功能，哪些功能是用來交換數據的。然后，根據IEC 61850-7-4標準，將每個需要進行數據交換的換電站自動化功能逐一分解為若干個邏輯節點。一旦確定了某個邏輯節點，就得到了邏輯節點類中所有的兼容數據。如圖5所示，從虛擬世界抽象出電動汽車間隔層的充電樁進行建模，對于充電樁相關的充電、控制、計量等信息(不含自身信息)建成一個LD，充電樁細化出幾個LN，控制是其中一個LN，控制信息有控制條件和模式等數據屬性。這些數據都不能滿足該IED的實際功能需求時，需要擴展數據(但是為了保證各個廠商IED之間的互操作性，一般不建議新建LN類)。建立好邏輯節點后，以這些邏輯節點的公共特征為依據，劃分邏輯設備。一個邏輯設備至少包含3個邏輯節點：1個邏輯節點零(logical node zero, LLN0)，1個物理設備信息(physical device information, LPHD)和1～n個LN(待定邏輯節點)。最后將IED建模為一個或多個Server類的實例，通信模式采用客戶/服務器模式或訂閱者/發布者模式[6-14]，如圖5所示。

圖5 IEC 61850建模思想

3.3 關鍵設備業務信息

依據上述建模原則、建模方法和建模思想，本文對分箱充電機和換電設備進行模型分析。

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

(2)換電設備。換電設備信息包括換電設備自身參數設置信息、告警信息、位置信息、換電設備控制。

3.4 關鍵設備建模

3.4.1 分箱充電機

分箱充電機的建模實際上是管理分箱充電機的充電機就地監控裝置建模，一般是一個就地監控裝置對應8個充電模塊或者6個充電模塊，如圖6所示。

圖6 分箱充電機建模示意圖

3.4.2 換電設備

以標準公交車換電站一個工位的一臺換電設備為例，換電設備本身作為一個服務器IED，IEDName命名為BcrDev1，根據換電設備的業務模型，結合IEC 61850的對象模型，進行換電設備IEC 61850抽象建模，如圖7所示。

圖7 換電設備建模示意圖

4 電動汽車換電站通信信息集成

4.1 IED模型實例

以分箱充電機設備為例，結合其業務信息模型，按照IEC 61850建模標準進行模型ICD文件的編寫，文件內容如圖8～11所示。

圖8 分箱充電機模型總體圖

圖9 分箱充電機邏輯設備LD0圖

圖10 分箱充電機邏輯設備LD1圖

4.2 信息集成

電動汽車換電站內信息集成換電站監控系統完成。分箱充電機監控IED和換電設備監控IED具備通信方式轉換功能，實現監控后臺與設備間的監測信息和控制信息的傳輸。對站內非IEC 61850通信的裝置建立邏輯映射關系，形成具備標準信息模型的IED。通過配置工具，按照IEC 61850-6規定的SCL語言進行配置，保證所有設備能夠滿足一致性、交互性及標準化的要求，形成智能電子設備實例化配置描述(configured IED description, CID)文件并下發到充電監控IED和換電監控IED中，實現對監控裝置的自動接入和自動識別。其功能與配置過程如圖12所示。因此，站內所有設備置于同一通訊平臺下，可實現不同監測設備信息標準化上傳、控制指令標準化下達，統一對外提供IEC 61850服務。

圖11 分箱充電機數據類型模板圖

圖12 信息流程與配置

5 結 論

為了實現對電動汽車充換電設備的統一標準化管理，本文遵照IEC 61850標準，研究了電動汽車換電站監控系統中關鍵設備的信息建模和信息交換，結合換電站系統功能，提出了電動汽車換電站關鍵設備建模方法，解決了換電站關鍵設備通信模型標準化的問題，推動了充換電設備與系統之間信息交互的規范化和標準化。通過該建模方案提高了系統集成能力，簡化了換電站的建模過程，減少了充換電設備接入和維護的工作量，有利于推進電動汽車大規模發展。本文的研究成果，對提高換電站運行管理水平具有較大的參考價值。

[1]趙明宇，王剛，汪映輝，等.電動汽車充電設施監控系統設計與實現[J].電力系統自動化，2011，35(10)：65-69.

[2]胡勇，郭子健，劉奇峰，等.基于IEC 61970/61850的電動汽車充電站監控系統建模方案[J].電力系統自動化，2013，37(2)：24-29.

[3]李濤，楊桂丹.電動汽車充電站和電池更換站監控系統設計方案研究[J].自動化與傳動，2012，9(51)：48-51.

[4]韓法玲，黃潤長，張華，等.基于IEC 61850標準的IED建模分析[J].電力系統保護與控制，2010，38(19)：119-222.

[5]IEC 61850—6 2004(E) Communication networks and systems in substation：Part 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S].

[6]IEC 61850—7 Communication networks and systems in substation: Part 7-2 basic communication structure for substation and feeder equipment-abstractcommunication service interfaces[S]. IEC 2003.

[7]IEC 61850—7 Communication networks and systems in substation: Part 7-3 basic communication structure for substation and feeder equipment-common data classed[S].IEC 2003.

[8]IEC 61850—7 communication networks and systems in substation: Part 7-4 basic communication structure for substation and feeder equipment-compatible logical node classes and data classes[S]. IEC 2003.

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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，高級工程師，主要研究方向為電動汽車換電站系統方案，E-mail：lianzhanwei@xjgc.com；

李洪峰(1978)，男，工程師，主要研究方向為電動汽車換電站系統方案，E-mail：lihongfeng@xjgc.com。