基于IEC61850标准的电动汽车换电站监控系统建模方案

连湛伟，李洪峰

(国家电网许继集团有限公司许继电气技术中心，河南省许昌市 461000)

基于IEC61850标准的电动汽车换电站监控系统建模方案

连湛伟，李洪峰

(国家电网许继集团有限公司许继电气技术中心，河南省许昌市 461000)

阐述目前电动汽车换电站系统与关键设备管理现状，分析电动汽车换电站监控系统架构和功能需求，基于IEC 61850系列标准提出电动汽车换电站系统建模方案，建立换电站系统关键设备信息模型，通过采用抽象数据建模方法，建立换电站中智能电子设备(intelligent electronic device，IED)的信息配置模型。提出的电动汽车换电站关键设备建模方法，解决了换电站关键设备通信模型标准化的问题，推动了充换电设备与系统之间信息交互的规范化和标准化，为下一步换电站系统集成提供了统一的信息模型支撑。

电动汽车；换电站；监控系统；智能电子设备(IED)；换电设备；分箱充电机；IEC 61850标准

0 引 言

发展电动汽车是我国“节能减排”的重要举措，电动汽车产业的发展离不开电动汽车充换电设施服务网络的建设，作为电动汽车大规模推广应用的重要前提和基础，电动汽车充换电设施的建设引起了各方的广泛关注。为保证电动汽车换电站在实际运行中的安全，需要通过现代化的技术手段和管理方法实现对换电站中的充换电设施进行统一集中监控与管理，实现换电站监控系统自动化，降低现场工作人员的劳动强度，提高换电站运行和运营管理水平。

电动汽车换电站监控系统是集配电监控、充换电监控、安防监控、计量计费等自动化系统于一体的综合控制与管理系统，它不仅是简单的集成，而且是将相关信息共享，进行综合性的数据处理后，按照一定的业务逻辑实施全站统一协调和全面管理。系统所监控的设备种类繁多，包括电动汽车、动力电池、分箱充电机、换电设备、智能电表、配电变压器、保护测控装置、有源滤波及无功补偿装置、视频摄像头、传感器、门禁装置等，而且不同设备厂家的装置通信模型不统一，装置通信接口多样化，通信标准不一致，导致换电站监控系统的系统集成、系统调试和系统与设备间的互操作难度加大，同时整个工程调试周期加长[1]。

IEC 61850标准为不同设备厂商间的系统与智能电子设备(intelligent electronic device，IED)间和设备与设备间实现互操作性和无缝集成提供了途径，其技术和方法逐渐被推广到电动汽车换电站及其他电力公用事业相关领域。基于此，本文将IEC 61850标准中相关建模技术引入到电动汽车换电站监控系统中，针对换电站监控系统及相关功能进行基于IEC 61850标准的系统建模研究，对换电站站内充电设备、换电设备、配电设备、通信设备进行基于IEC 61850标准的信息模型研究，结合电动汽车换电站系统业务模型，最终形成电动汽车换电站统一的系统模型、装置信息模型。本文的目的是使所建设的换电站监控系统具备良好的开放性和互操作性，提高换电站监控系统的运行管理效率[2]。

1 电动汽车换电站监控系统架构

电动汽车换电站监控系统主要负责对换电站的配电、充电、换电及安防设备进行全方位的监视与管理，保证电动汽车换电站安全、高效运行。该系统采用分层分布式架构，分为站控层、间隔层和网络层，系统构成如图1所示。

图1 换电监控系统结构示意图

站控层部署数据服务器、应用服务器、通讯服务器和工作站。其中通讯服务器通过分散于间隔层的充换电监控单元实时采集充换电设备数据；数据服务器采集处理间隔层上传的数据以及应用服务器下发的数据；应用服务器负责处理各种换电业务需求；工作站负责系统画面监视以及换电控制的下发等操作。

间隔层部署换电监控单元、充电机监控单元等设备，其中换电监控单元负责与换电设备通信完成换电监控功能，充电监控单元负责与分箱充电机通信完成充电设备监控功能；工位就地监控单元负责与换电监控单元和充电监控单元通信，并向站控层转发数据并接受站控层下发的控制命令。

网络层中部署交换机等通讯设备，站控层与间隔层之间部署汇聚层交换机和接入层交换机，采用实时、可靠的以太网方式通讯。

2 电动汽车换电站系统建模

电动汽车换电站以系统模型为基础进行系统设计和分析，系统模型需要对整个体系结构进行规范描述。电动汽车换电站包括充电设备、换电设备、配电设备及其辅助设备。充电设备设分箱式充电机；换电设备设换电机器人；配电设备既有变压器、断路器、刀闸、母线等一次设备，也有保护/测控装置等二次设备；辅助设备有环境/安防等设备。电动汽车换电站系统功能结构如图2所示[2]。

图2 换电站系统结构

根据电动汽车换电站的业务功能需求建立系统模型，如图3所示。电动汽车换电站为根节点，它包括电压等级和配电变压器。安防、环境监测等设备属于站级设备，也隶属于根节点；10 kV电压等级包含断路器、刀闸等配电设备以及保护、测控等设备；400 V电压等级下除了相关配电设备外还有充电设备和换电设备，充电设备如分箱充电机为单箱电池提供充电服务，换电设备如换电机器人，根据电池箱的参数指标和充电情况，为需要换电的电动汽车动态选择电池成组配置方案，通过换电设备完成对车辆上动力电池的更换操作。

系统模型不仅要反映系统结构和电气设备之间的连接关系，也要体现IED之间的依赖关系[3]。

3 IED设备建模

IEC 61850标准中，建模作为系统集成的重要基础步骤，模型是否标准直接关系到IED设备能否对外提供符合IEC标准的服务模型以及通信模型是否符合标准的要求。IEC 61850采用面向对象的建模技术，描述了若干类及类的特征和类的服务。这些类描述了通信系统模型的层次结构：服务器、逻辑设备、逻辑节点和数据对象等部分，如图4所示[3-6]。

图3 电动汽车换电站系统模型

图4 IED的分层信息模型

Server(服务器)：将IED的自动化功能加相关信息抽象、分解，并通过对语义模型的继承、重载或直接引用、生成特定的应用实例，将这些实例按照类的形式层次化地构成具有一致性和确定性的信息模型，即服务器。这是抽象通信服务接口(abstract communication service interface, ACSI)模型的根，其他的模型都是服务器的一部分，或者说从属于服务器。任何一个客户都可以通过ACSI和服务器通信访问数据。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。

逻辑设备(logical device，LD)：存在于服务器中，作为一组逻辑节点的容器实现特定功能，或者完成网关、代理者设备功能的虚拟设备。

逻辑节点(logical node，LN)：交互数据的最小功能单元，一个逻辑节点代表一项基本功能或IED中的一组设备信息，可以与其他逻辑节点进行信息交互，并执行特定的操作，逻辑节点由数据对象、数据属性、数据属性列表以及对应的功能服务聚合而成。

数据对象(data object，DO)：包含逻辑节点的所有信息，从不同的设备环境对象类(common data class, CDC)继承而来，每个数据对象的内涵，是模型中信息的最终承载者。

3.1 建模原则

(1)对换电站关键设备业务信息对应IEC 61850最新标准中已有的逻辑节点则直接采用，没有的逻辑节点则按照IEC 61850扩展的原则扩展；

(2)对于逻辑节点下没有的业务对象采用扩展DO的方式进行建模；

(3)对于例如交流充电桩上保护的开关量对象，建议采用通用过程I/O接口(Generic process I/O, GGIO)建模，如果GGIO不适合的，则按照IEC 61850扩展规则，采用扩展逻辑节点类型的方式进行建模；

(4)设备自身的信息单独建成一个LD，命名为LD0；

(5)对于充电桩(机)相关的充电、控制、计量等信息(不含自身信息)建成一个LD，考虑一桩(机)充二车的情况，需要再复制一个LD，满足两车一桩同时充电的需求，LD的命名以此类推。

3.2 IED建模思想

所谓建模，就是把功能可以对外交互的信息组织在模型中，并建立合适的通信服务以确定信息的传输方式和过程。IEC 61850关注的是可以在网络上传输的信息。基于IEC 61850的IED建模思想是：对实际间隔层设备功能进行抽象，依据面向对象思想分析设备的逻辑构成，对传统的过程化流程实现的功能进行解耦分析，抽象出设备所含有的逻辑节点以及每个逻辑节点所含的参数、属性，找出逻辑节点之间的数据流向，再利用统一建模语言工具作进一步分析[4]。

电动汽车换电站系统由IED组成，并由分布于IED中LD的LN交互完成其系统功能。在对一个IED装置进行建模时，首先要确定该IED具有哪些功能，哪些功能是用来交换数据的。然后，根据IEC 61850-7-4标准，将每个需要进行数据交换的换电站自动化功能逐一分解为若干个逻辑节点。一旦确定了某个逻辑节点，就得到了逻辑节点类中所有的兼容数据。如图5所示，从虚拟世界抽象出电动汽车间隔层的充电桩进行建模，对于充电桩相关的充电、控制、计量等信息(不含自身信息)建成一个LD，充电桩细化出几个LN，控制是其中一个LN，控制信息有控制条件和模式等数据属性。这些数据都不能满足该IED的实际功能需求时，需要扩展数据(但是为了保证各个厂商IED之间的互操作性，一般不建议新建LN类)。建立好逻辑节点后，以这些逻辑节点的公共特征为依据，划分逻辑设备。一个逻辑设备至少包含3个逻辑节点：1个逻辑节点零(logical node zero, LLN0)，1个物理设备信息(physical device information, LPHD)和1～n个LN(待定逻辑节点)。最后将IED建模为一个或多个Server类的实例，通信模式采用客户/服务器模式或订阅者/发布者模式[6-14]，如图5所示。

图5 IEC 61850建模思想

3.3 关键设备业务信息

依据上述建模原则、建模方法和建模思想，本文对分箱充电机和换电设备进行模型分析。

(1)分箱充电机。分箱充电机信息包括充电机自身的参数设置信息、告警信息、充电电压电流信息等，充电机与充电架电池BMS信息，充电控制命令。

(2)换电设备。换电设备信息包括换电设备自身参数设置信息、告警信息、位置信息、换电设备控制。

3.4 关键设备建模

3.4.1 分箱充电机

分箱充电机的建模实际上是管理分箱充电机的充电机就地监控装置建模，一般是一个就地监控装置对应8个充电模块或者6个充电模块，如图6所示。

图6 分箱充电机建模示意图

3.4.2 换电设备

以标准公交车换电站一个工位的一台换电设备为例，换电设备本身作为一个服务器IED，IEDName命名为BcrDev1，根据换电设备的业务模型，结合IEC 61850的对象模型，进行换电设备IEC 61850抽象建模，如图7所示。

图7 换电设备建模示意图

4 电动汽车换电站通信信息集成

4.1 IED模型实例

以分箱充电机设备为例，结合其业务信息模型，按照IEC 61850建模标准进行模型ICD文件的编写，文件内容如图8～11所示。

图8 分箱充电机模型总体图

图9 分箱充电机逻辑设备LD0图

图10 分箱充电机逻辑设备LD1图

4.2 信息集成

电动汽车换电站内信息集成换电站监控系统完成。分箱充电机监控IED和换电设备监控IED具备通信方式转换功能，实现监控后台与设备间的监测信息和控制信息的传输。对站内非IEC 61850通信的装置建立逻辑映射关系，形成具备标准信息模型的IED。通过配置工具，按照IEC 61850-6规定的SCL语言进行配置，保证所有设备能够满足一致性、交互性及标准化的要求，形成智能电子设备实例化配置描述(configured IED description, CID)文件并下发到充电监控IED和换电监控IED中，实现对监控装置的自动接入和自动识别。其功能与配置过程如图12所示。因此，站内所有设备置于同一通讯平台下，可实现不同监测设备信息标准化上传、控制指令标准化下达，统一对外提供IEC 61850服务。

图11 分箱充电机数据类型模板图

图12 信息流程与配置

5 结 论

为了实现对电动汽车充换电设备的统一标准化管理，本文遵照IEC 61850标准，研究了电动汽车换电站监控系统中关键设备的信息建模和信息交换，结合换电站系统功能，提出了电动汽车换电站关键设备建模方法，解决了换电站关键设备通信模型标准化的问题，推动了充换电设备与系统之间信息交互的规范化和标准化。通过该建模方案提高了系统集成能力，简化了换电站的建模过程，减少了充换电设备接入和维护的工作量，有利于推进电动汽车大规模发展。本文的研究成果，对提高换电站运行管理水平具有较大的参考价值。

[1]赵明宇，王刚，汪映辉，等.电动汽车充电设施监控系统设计与实现[J].电力系统自动化，2011，35(10)：65-69.

[2]胡勇，郭子健，刘奇峰，等.基于IEC 61970/61850的电动汽车充电站监控系统建模方案[J].电力系统自动化，2013，37(2)：24-29.

[3]李涛，杨桂丹.电动汽车充电站和电池更换站监控系统设计方案研究[J].自动化与传动，2012，9(51)：48-51.

[4]韩法玲，黄润长，张华，等.基于IEC 61850标准的IED建模分析[J].电力系统保护与控制，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.

[9]IEC 61850—8 Communication networks and systems in substation: Part8-1 specific communication service mapping(SCSM)-mappings to MMS(ISO 9506-1 and ISO 9506-2 ) and to ISO/IEC 8802-3[S].IEC 2003.

[10]IEC 61850—6 Ed.2 Communication networks and systems for power utility：Part 6 configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S].IEC 2009.

[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.

(编辑：张媛媛)

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

连湛伟(1972)，男，高级工程师，主要研究方向为电动汽车换电站系统方案，E-mail：lianzhanwei@xjgc.com；

李洪峰(1978)，男，工程师，主要研究方向为电动汽车换电站系统方案，E-mail：lihongfeng@xjgc.com。