電動汽車充換電設施信息互操作技術研究

劉海波，李建祥，袁 弘，韓元凱，王 崗

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002；2.山東魯能智能技術有限公司，山東濟南250101)

電動汽車充換電設施信息互操作技術研究

劉海波1.2，李建祥1.2，袁 弘1.2，韓元凱1.2，王 崗1.2

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002；2.山東魯能智能技術有限公司，山東濟南250101)

為了促進不同廠家間電動汽車充換電設施的交互，需開展電動汽車充換電設施的信息互操作研究，首先介紹了一致性和互操作的概念，分析了一致性測試和互操作測試的必要性和測試方法、測試平臺、測試原則以及在電力行業尤其是智能電網領域的應用。電動汽車充換電服務網絡作為智能電網的重要組成部分，在近年得到大力發展，對信息互操作的研究可有效推動其標準化和規范化發展，通過一種充換電服務網絡互操作框架的提出，為后續的實用化研究提供參考。

電動汽車；充換電服務網絡；信息；互操作；框架

現代社會中，信息交換、信息共享已經是人們日益關注的問題，在一些信息密集型的行業，包括金融行業、通信行業、新聞媒體等，在對信息的標準化制定、處理及信息交換的兼容方面，已經具備了較高的信息化水平。同樣，電力行業尤其是智能電網的發展，對電網各系統之間信息的互操作提出了更高的要求,目前智能變電站和調度中心互操作模型的研究與應用已取得較大進展[1－2]。美國國家標準技術研究院(NIST)擬定了一個初步的標準列表[3]，對我國智能電網的信息化建設提供了有效的參考。

電動汽車采用電力取代石油作為動力來源，有清潔、環保的優點，具有廣闊的發展空間，發展電動汽車也是中國的重要產業政策，是實施可持續發展和新能源戰略的戰略決策[4]。電動汽車充換電設施作為智能電網的重要組成部分和電動汽車行業發展的基礎支撐，在近年得到快速的發展，電動汽車充換電網絡包括電動汽車充電設施、換電設施、相關的配電設施、安防設施、電動汽車、蓄電池等，對其運行參數和數據進行采集、分析，有助于為電動汽車的發展提供技術支持，保障其安全可靠運行。

電動汽車充換電服務網絡是一種新生事物，目前相關的標準尤其是信息化方面并不完善，各廠家在進行設備生產和研發時，往往按照自己定義的信息標準進行，造成充換電服務網絡設備種類多樣且信息交換方式和內容的多樣性，為各廠家設備的相互接入制造了很多障礙，也不利于電動汽車充換電服務網絡的發展，雖然目前有基于IEC61850標準在電動汽車充電樁監控信息模型方面的研究開展[5]，但IEC61850標準的復雜性在充換電領域應用具有較高難度。因此，開展適用于電動汽車充換電設施信息一致性和互操作的研究，不僅是一項必要的工作，也是為促進電動汽車行業發展所必需的工作，并為后續電動汽車與風電、光伏等可再生能源的協同調度的研究提供信息基礎[6－8]。

1 一致性與互操作介紹

1.1 一致性

一致性是指設備、系統的通信接口、通訊內容是否符合通訊協議和標準的要求，通訊鏈路上的數據流與相關標準是否一致，比如通訊方式及參數、數據幀的格式、數據交換原則、通訊錯誤的處理等。

1.2 互操作

美國電氣電子工程師學會 (IEEE)以及國際標準化組織(ISO)關于互操作進行了定義：是指兩個或多個系統之間交換數據，并相互使用所交換數據的能力。進一步的，我們可以將互操作理解為通過標準和技術規范的約束，在不同的設備之間、計算機系統之間、應用之間實現信息的交換、理解、解釋及信息共享的能力。

目前我們認識的互操作，包含兩個層面上的互操作，即語法互操作和語義互操作。語法互操作保證系統或設備之間通訊傳輸協議、數據內容和格式的一致，而語義互操作保證系統或設備之間對信息內容理解的一致。此外，實現互聯互通還會涉及安全性、完整性、訪問控制、審計等很多方面的問題，也是互操作規范研究和解決的課題。

2 一致性與互操作測試

實現不同廠家之間設備或系統之間的互通互連，必須包括至少兩方面的測試：一致性測試和互操作性測試。一致性測試是互操作測試的基礎，只有通過一致性測試的設備或系統，才具備互操作測試的條件和必要。

2.1 一致性測試

一致性測試主要是確定設備或系統的協議實現是否與相關標準的規定相符，是否滿足協議說明的要求，一致性測試的方法，通常是采用黑盒測試，搭建黑盒測試網絡環境，通過預先制定的測試序列，比較被測設備或系統的輸出結果與預期結果，判定設備或系統的協議實現是否符合標準要求。這項工作通常是由各廠家的測試人員甚至開發人員完成，但由于測試環境、標準設備、時間等因素的限制，很難對設備或系統按照標準的要求進行完全測試，而且很多的協議標準為了能在更多的場合應用，留出了一些自定義的通訊條目，各廠家對此部分的應用有自己的理解，造成即使通過一致性測試的設備或系統也不一定能實現互操作。

2.2 互操作測試

互操作性測試是指在特定的網絡環境中，評價兩個或多個設備或系統之間的協議實現是否能夠正確的進行交互并完成協議標準中規定的功能。

互操作測試一般適用于廠家新研發的設備或系統，通過內部或外部的一致性測試，投入市場之前的正式測試，或運營商設備選型的必要測試。目前常用的互操作測試形式為選擇具有資質的第三方測試機構，采用經認可的軟件平臺、終端設備，有專業人員來完成，并提供測試報告。

2.3 一致性測試和互操作測試的應用

作為測試協議標準實現重要且有效方法的一致性測試和互操作測試，是相輔相成的關系，二者既緊密連接，又有所不同。一致性測主要是測試設備或系統在協議標準的實現上是否滿足規定，而互操作測試則是設備或系統之間是否具備互聯互通的功能。

下面將以在智能電網通訊中較為常用的IEC61850系列標準來介紹一致性測試和互操作測試方面的應用。在電力通信領域，通信傳輸規約眾多，各廠家對規約的應用尤其是自定義部分有自己的理解和應用，并缺少一致性測試和互操作測試的條件，各廠家設備或系統之間實現互通互聯，一切只能現場見或事先在實驗室聯調，這些問題造成產品互操作性問題日益突出，并直接使得工程費用增加，成為變電站自動化行業發展的巨大障礙。IEC61850系列標準的出現，為這一問題提供了良好的解決方案，它采用面向對象的建模技術，面向未來通訊的可擴展架構，來實現“一個世界，一種技術，一個標準”的目標，提供變電站通信網絡和系統總體要求、系統和工程管理、一致性測試，為不同廠家的設備互聯提供互操作性。

IEC61850標準的主要目的之一是實現各生產廠家設備的一致性和互操作性，IEC61850的一致性測試部分使得各生產廠家和用戶能客觀評價所測試的設備或系統對IEC61850標準的支持情況，數據分析表明，在IEC61850標準測試的KEMA公司進行的規約兼容測試的設備及系統，一次通過率僅達到60%，必須進行第二次測試。由此可見，規約的一致性測試將是電力自動化產品投入使用前的必經階段[9]。

IEC61850的測試，國內外都經過了幾個階段，是一個長期的過程，國外前期進行的幾次試驗，主要是研究和探索性的。一方面驗證了IEC61850草案的正確性，另一方面各大電氣廠家也進行了樣機的研發、技術的累積，及對標準理解、實現技術的相互磨合。為各大電氣廠家的設備在IEC61850上的互操作應用奠定了基礎。國外后期進行的幾次試驗，是在前期所累積的基礎上進行的，面向實際工程應用，進行了比較詳細的實驗，至此各廠家基于IEC61850的產品和系統達到了可商業應用的水平[10]。

國內相關廠家的實驗，首先確定互操作的試驗應分階段、多次進行的方式來開展，第一次互操作試驗主要進行基本功能的互聯互通測試，各廠家設備之間鏈路層互聯的實現，基于ACSI服務互操作功能的實現；第二次進行數據模型配置、模型的描述和交換及特定服務的互操作；第三次測試配置文件驗證、文件操作、替代、歷史記錄和對時；第四次進行goose和采樣值傳輸及產品功能測試；第五次電科院檢測中心對各廠家的裝置進行產品功能測試，主要內容包括關聯、報告、遙測、遙信、遙控、定值；第六次進行了后臺和保護測控裝置的功能測試。

目前國內外對IEC61850的應用已有很多的成功案例，尤其是在智能變電站領域已有大規模的應用，下一步更將探索其在風力發電場的監視和控制系統的通信、分布式能源的通訊系統、水電廠的監視和控制系統通信、變電站到控制中心的應用，IEC61850系列標準的成功也將為電動汽車充換電服務網絡的互操作研究提供借鑒作用。

3 充換電設施互操作研究

電動汽車充換電服務網絡是智能電網的重要組成部分，其主要包括電動汽車充電站、電動汽車電池更換站、離散充電設施、電動汽車、運營管理系統等，充換電站內包含交流充電設施、整車直流充電設施、分箱式直流充電設施、換電設施、安防監控、配電設施、車輛BMS等，網絡結構圖如圖1所示，網絡中各部分分別通過串口、CAN網、以太網等方式進行數據交互，并且不同廠家之間采用的通訊方式各不相同，造成各廠家設備之間進行通訊時，需進行規約轉換和調試，增加大量的工作量。

IEC61850相關規約雖在智能變電站領域取得較多的應用，但其在充換電服務網絡的應用卻有較多的限制，一方面IEC61850系統標準比較復雜，學習及應用難度較大，若將其應用于電動汽車充換電領域，需要較長時間的理解、應用及實驗過程；第二方面，目前電動汽車充換電網絡的離散充電設施、電動汽車數據的采集大部分采用無線通訊方式，而IEC61850標準的通訊交互數據流較多，將使用較多的數據流量，勢必增加大量通訊費用。因此，建立適用于電動汽車充換電領域的通訊系列標準，開展相關的一致性測試和互操作測試，對促進電動汽車行業的發展具有重要的意義和必要性。

圖1所示為電動汽車充換電服務網絡圖。由圖1可見，充換電服務網絡設備種類繁多，設計的通訊交互多樣，在實際工程中，不同廠家設備之間通訊調試復雜，給實際工作帶來較大難度，因此對充換電服務網絡中的對象進行統一建模，采用面向對象技術和抽象服務通信接口，增強設備間的互操作性，實現不同廠家的設備或系統之間的無縫連接，使不同廠家生產的設備或系統具備互操作性，可有效降低設備調試、部署的工作量和難度。

圖1 充換電服務網絡圖

3.1 充換電服務網絡互操作框架

充換電服務網絡互操作的實現首先需制定一個支撐信息管理的協議和模型的框架，用來保證充換電網絡的設備和系統的互操作性。Grid Wise將互操作從層次上分為技術層、信息層和組織層，各層次相互依賴又相對獨立，如圖2所示。

互操作的關鍵在于信息交換及所交換信息的正確利用，在電動汽車充換電網絡，除設備之間通訊多樣之外，對一些鑒權信息通訊的安全性更加關注，針對這些實際應用的需求，結合Grid Wise架構委員會8層互操作框架和張子仲在智能電網互操作框架及其在配用電環節的應用最新進展一文中的介紹，提出電動汽車充換電服務網絡互操作框架如圖3所示。

圖2 Grid Wise架構委員會8層互操作框架

圖3 互操作框架

(1)明確互操作業務需求

作為充換電服務網絡的核心環節，充換電業務的信息標準化是充換電網絡標準化的縮影。其他還包括車輛運行、運營管理系統等，眾多的設備、廠商，采用不同的信息標準，甚至是私有標準。雖然可通過協議轉換的方式實現互通互聯，但遠不能滿足智能充換電網絡的要求。開展充換電網絡一致性和互操作性的研究，是電動汽車充換電事業發展的有效推動。

(2)概念模型

充換電服務網絡可分為四個大的領域，分別為充電、換電、用電、運營管理，概念模型的建立主要包括三個方面：不同領域之間的接口，以及不同領域之間需要交換的信息；各領域中所包含的系統或設備，以及這些系統或設備之間需要交換的信息；不同領域之間及各領域中的系統或設備之間信息交換的標準。

(3)安全架構

充換電服務網絡的商業化運行，會有用戶鑒權信息、計量計費信息等安全性要求較高的通訊要求，互操作架構必須具備足夠的安全保障，保護設備之間報文交互的安全性和提供數據訪問權限。

充換電網絡互操作框架安全架構主要體現在四個方面：身份校驗、加密保護、有效性驗證及訪問控制。

身份校驗是為確保充換電服務網絡中接入的設備是確定要接入的，設備配置表單中自帶身份認證信息，通過身份認證信息的比對認證，確定接入設備的身份，達到身份校驗的目的。

加密保護是將通訊過程中的敏感信息和報文通過加密方式傳輸，只有特定的接收者具有解密的秘鑰，從而進行數據的安全傳輸。

有效性驗證是指充換電網絡內設備進行數據傳輸之前，首先進行信息的互相確認，包括設備類型、設備編碼、通訊協議及版本號、通訊配置表單等，只有通過確認后，才能確保設備之間具有互操作的能力。充換電網絡的互操作框架還應包括對不同設備或系統的訪問控制權限，進行不同等級的劃分，使得充換電網絡訪問層次清晰，增強其安全性。

(4)標準與規范

充換電網絡不同領域之間、同領域內不同設備之間的互操作和信息交互是通過報文的傳輸來實現的，而各領域和設備間內容和方式存在較大不同，難以用同一種標準來約束，因此在互操作框架的標準層面可采用多個部分來進行規范，具體可包括：充換電系統與運營管理系統、電動汽車車載電池管理系統(BMS)與充換電系統、電動汽車與運營管理系統等。

由于Ethernet、PPP等基礎鏈接標準的建立和TCP、UDP等網絡標準的廣泛應用，電動汽車充換電服務網絡標準層面的重點將是信息互通的語義和語法方面。

(5)測試與驗證

充換電服務網絡互操作框架的測試與驗證也包括兩個方面：一致性測試和互操作測試。其中一致性測試的主要內容為配置文件、數據模型和標準映射，一致性測試是充換電服務網絡互操作的基礎，必須貫徹執行。通過一致性測試設備或系統可進行互操作性測試，互操作測試的范圍除配置文件、數據模型和標準映射外，還包括時間同步測試、性能測試等，以及測試過程的監視及測試結果的分析。

圖4和圖5分別為一致性測試和互操作測試結構的示意圖，測試仿真設備或系統根據設定的測試序列發出測試指令；通訊網絡可為以太網、CAN網、串行網絡等；測試分析儀將記錄測試過程并分析測試中出現的問題；測試仿真終端接收被測設備的指令控制，并將結果反饋到測試仿真設備或系統。

圖4 一致性測試結構示意圖

3.2 互操作技術應用

對充換電服務網絡一致性與互操作的實驗和應用應分階段進行，考慮到充換電網絡的復雜性及設備的多樣性，前期以國內各個廠家的充換電產品為基礎，主要是對安全架構及通訊標準的理解和實現，保證其一致性，并發現充換電服務網絡互操作框架的問題，進一步進行完善，為實現互操作奠定條件。后期以實際工程為基礎，在實際的工程應用中，進行互操作的深入理解和驗證。更進一步地成立充換電網絡設備和系統的互操作檢測中心，檢測結果作為充換電服務網絡的入網條件。

圖5 互操作測試結構示意圖

4 結語

充換電服務網絡互操作技術的研究是基于信息標準的綜合性研究工作，第一步的工作主要包括技術標準和信息標準兩個部分，通過對設備統一的建模和通信，所有產品均通過互操作試驗最大限度地保證系統和設備的可靠性，提高通信性能，減少中間環節的轉換，減少調試工作量。同時組織完善的入網互操作測試是將來大規模推廣電動汽車充換電業務發展必須進行的工作，既保證設備的一致性、規范性，大大減少現場調試、維護的工作量，又能減少設備出現異常的概率。

[1]朱伯通，程志海，唐志強，等.基于CIM模型的智能變電站和調度中心互操作研究[J].電力系統保護與控制，2013，V41(10)：93-97.

[2]羅建，朱伯通，蔡明，等.基于CIM XML的CIM和SCL模型互操作研究[J].電力系統保護與控制，2011，V39(17)：134-138.

[3]武建東.智能互動電網標準：美國的戰略制高點[J].中國電力企業管理，2009(6)：19-20.

[4]郭子健，唐明.基于IEC61850標準的電動汽車充電樁監控信息模型研究[J].電力系統保護與控制，2013，V41(3)：134-139.

[5]劉文霞，趙天陽，邱威，等.規模化EV充電與風力/火電發電系統協調運行[J].電工技術學報，2013，28(5)：49-57.

[6]張學清，梁軍，張利，等.計及風光電源的一種地區電網電動汽車充電調度方法[J].電工技術學報，2013，28(2)：28-35.

[7]肖湘寧，陳征，劉念.可再生能源與電動汽車充放電設施在微電網中的集成模式與關鍵問題[J].電工技術學報，2013，28(2)：1-14.

[8]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.

[9]崔厚坤，湯效軍，梁志成，等.IEC 61850一致性測試研究[J].電力系統自動化，2006，30(8)：80-83.

[10]操豐梅，認雁銘，王照，等.變電站自動化系統互操作實驗建議[J].電力系統自動化，2005，29(3)：86-89.

Information interoperability technology research for electric vehicle charging/battery swap infrastructure

In order to facilitate interaction for electric vehicle charging/battery swap infrastructure from different manufacturers, information interoperability research for electric vehicle charging/battery swap infrastructure was carried out.Firstly,the concept of consistency and interoperability,analysis of the necessity of consistency and interoperability testing and test methods,test platform,and test principle,etc.,and in the power industry especially in the field of smart grid applications were introduced.Service network for Electric Vehicle Charging/Battery Swap was an important part of smart grid,and got developing in recent years.The study of information interoperability could effectively promote the development of standardization.A interoperable framework of Service network for Electric Vehicle Charging/Battery Swap was proposed,and the reference was provided for the subsequent practical study.

electric vehicle;service network for charging/battery swap;information;interoperability;framework

TM711

A

1002-087X(2016)12-2449-04

2016-05-06

國家電網公司科技項目

劉海波(1982—)，男，山東省人，本科，高級工程師，主要研究方向為電動汽車充換電技術、電力系統自動化。