汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)建模研究

汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)建模研究

0充電站監(jiān)控系統(tǒng)電動(dòng)汽車充電站的基本組成包括充電機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和其他相關(guān)設(shè)施。其中,監(jiān)控系統(tǒng)是將充電、配電、計(jì)量計(jì)費(fèi)、安防等相關(guān)環(huán)節(jié)有機(jī)融合為一個(gè)整體的自動(dòng)化系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)功能的基礎(chǔ)上,按照充電站的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn),完成包括設(shè)備綜合監(jiān)測(cè)、智能負(fù)荷調(diào)控以及和電網(wǎng)的有效互動(dòng)等方面的控制與管理。電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)是聯(lián)系電動(dòng)汽車和充電站監(jiān)控中心、電力調(diào)度中心的信息匯集點(diǎn),信息交互是規(guī)?；妱?dòng)汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)。文獻(xiàn)提到的電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案可滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控要求,但未規(guī)范數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)模型以及系統(tǒng)模型,因此,系統(tǒng)開放性不能滿足未來發(fā)展要求。電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)在模型、通信方面標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng),并且能夠滿足信息交換標(biāo)準(zhǔn)化的要求,從而避免信息孤島及重復(fù)建設(shè)。為此,廣東省電力公司把它列為“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃的重要研究課題之一。本文將IEC61970/61850引入到電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)中,對(duì)充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)模型研究,對(duì)站內(nèi)智能電子設(shè)備(IED)的通信進(jìn)行基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息模型及通信模型研究,形成了統(tǒng)一的系統(tǒng)模型、信息模型和通信模型,使所建監(jiān)控系統(tǒng)具備良好的開放性和互操作性,提高了系統(tǒng)運(yùn)行管理效率。1汽車充電站內(nèi)流場(chǎng)平衡設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、一體化智能匯集器以及各種IED和通信設(shè)備組成。系統(tǒng)功能主要包括對(duì)充電系統(tǒng)設(shè)備的測(cè)控、保護(hù)和計(jì)量,對(duì)配電系統(tǒng)一次設(shè)備的測(cè)控和保護(hù),對(duì)環(huán)境、安防等的監(jiān)測(cè)以及對(duì)監(jiān)控/調(diào)度中心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。圖1所示為一種電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。電動(dòng)汽車充電站的數(shù)據(jù)流主要有3個(gè)節(jié)點(diǎn):采集、匯集和集成,分別對(duì)應(yīng)站內(nèi)智能傳感器、一體化智能匯集裝置和站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)。其中存在2個(gè)通信接口:一體化智能匯集裝置或自動(dòng)化信息監(jiān)測(cè)裝置與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)之間的接口;智能傳感器與一體化智能匯集裝置之間的接口。此外,還存在與電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控中心或電力調(diào)度中心之間的接口。這些通信接口之間需要有標(biāo)準(zhǔn)的信息模型及通信模型來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,能高效地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與交互功能。本文根據(jù)電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)的功能需求,給出了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)的支撐技術(shù)體系架構(gòu),如圖2所示。其中,系統(tǒng)模型和信息模型是整個(gè)支撐技術(shù)體系的基礎(chǔ),通信模型是信息交互基礎(chǔ)。系統(tǒng)模型是對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的規(guī)范,信息模型是對(duì)各個(gè)IED交互信息語義的規(guī)范,通信模型是站內(nèi)信息集成與交互的規(guī)范。以上各個(gè)模型的研究與實(shí)現(xiàn)基于IEC61970/61850標(biāo)準(zhǔn),能夠?qū)崿F(xiàn)充電站系統(tǒng)無縫數(shù)據(jù)交換及信息共享。2電動(dòng)汽車充電站模型的建立電動(dòng)汽車充電站是未來配電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分,其結(jié)構(gòu)與變電站類似,采用電力企業(yè)應(yīng)用的IEC61970標(biāo)準(zhǔn)系列作為技術(shù)基礎(chǔ),通過公共信息模型(CIM)的擴(kuò)展,來建立規(guī)范的電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)模型,使得不同廠家開發(fā)的電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)與充電站中心站以及電力調(diào)度中心相互聯(lián),實(shí)現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)交換和信息共享。2.1系統(tǒng)模型的建立系統(tǒng)模型是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)模型的表示方式主要有節(jié)點(diǎn)/開關(guān)模型和母線/支路模型。節(jié)點(diǎn)/開關(guān)模型包含電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行操作所需要的有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及其連接關(guān)系、狀態(tài)信息、量測(cè)信息等詳細(xì)信息。電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,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;充電設(shè)備有充電機(jī)、交流/直流充電樁;輔助設(shè)備有環(huán)境/安防等設(shè)備。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)與IED之間的依賴關(guān)系。電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)模型有多種展示方式,最常用的是樹形結(jié)構(gòu)。進(jìn)行樹形展示時(shí)要確定模型中電動(dòng)汽車充電站資源的層次關(guān)系,要求必須有一個(gè)根節(jié)點(diǎn),且每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)是唯一的。根據(jù)電動(dòng)汽車充電站資源的特點(diǎn)以樹形結(jié)構(gòu)建立模型,如圖4所示。電動(dòng)汽車充電站為根節(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)。10kV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;400V電壓等級(jí)下除了相關(guān)配電設(shè)備外還有充電設(shè)備,如充電機(jī)提供直流電源,充電樁不僅具有供電功能,還有測(cè)控、保護(hù)、計(jì)量等組合功能。在系統(tǒng)模型中不對(duì)電池與車載充電機(jī)分開建模,它們直接連接充電樁,均用等值負(fù)荷描述。CIM/XML語言是基于CIM的資源描述框架(RDF)應(yīng)用,是CIM、資源描述框架模式(RDFSchema)、RDF語法的綜合。在CIM/XML文檔中使用的所有標(biāo)記都由CIMRDFSchema定義,使得文檔能夠被解析,實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的信息交換。因此,電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)模型參照CIM/XML方式來描述,通過設(shè)備隸屬屬性描述其父子關(guān)系,連接屬性描述設(shè)備間的連接關(guān)系,關(guān)聯(lián)屬性描述設(shè)備間的作用域關(guān)系。根據(jù)上述模型,10kV配電設(shè)備及相關(guān)測(cè)控設(shè)備的隸屬屬性關(guān)聯(lián)到10kV電壓等級(jí),配電設(shè)備的連接屬性反映出母線、斷路器、刀閘等的連接關(guān)系。測(cè)控/保護(hù)設(shè)備雖與配電設(shè)備同處一子節(jié)點(diǎn),但無連接關(guān)系,以關(guān)聯(lián)屬性描述一、二次設(shè)備之間的作用域關(guān)系。等值負(fù)荷和交流/直流充電樁以及充電機(jī)等隸屬屬性關(guān)聯(lián)到400V電壓等級(jí),以關(guān)聯(lián)屬性描述交流/直流充電樁與對(duì)應(yīng)等值負(fù)荷或充電機(jī)作用域關(guān)系,連接屬性反映交流/直流充電樁與對(duì)應(yīng)的等值負(fù)荷或充電機(jī)的連接關(guān)系。環(huán)境/安防/門禁等站級(jí)設(shè)備直接通過其隸屬屬性關(guān)聯(lián)到充電站。按照上述處理方式,可以確定電動(dòng)汽車充電站大多數(shù)資源的層次、連接以及其設(shè)備間的作用域關(guān)系。2.2采用有效的圖形標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)的建設(shè)中涉及大量接線圖、結(jié)構(gòu)圖等圖形數(shù)據(jù),且圖形數(shù)據(jù)相互不兼容,在站端完成后,充電站監(jiān)控中心需要重復(fù)一遍,工作效率低下,同時(shí)影響系統(tǒng)的安全可靠性。因此需要一種圖形標(biāo)準(zhǔn)來避免重復(fù)的勞動(dòng)和不同廠商圖形格式之間的不兼容問題?？缮炜s矢量圖形(SVG)可彌補(bǔ)此不足。對(duì)于圖形與模型的統(tǒng)一,可采用以下方式。1)Id關(guān)聯(lián)。通過SVG對(duì)象的Id屬性與CIM對(duì)象通用資源標(biāo)志符(URI)關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。2)元數(shù)據(jù)(Metadata)關(guān)聯(lián)。Metadata是一種描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù),主要用于描述數(shù)據(jù)資料的一些屬性,也可用于標(biāo)明數(shù)據(jù)資料的存儲(chǔ)位置、查詢方式等信息。3模型結(jié)構(gòu)的確定IEC61850明確指出,信息模型與建模方法是標(biāo)準(zhǔn)的核心,信息模型以抽象方式刻畫了一個(gè)實(shí)際功能的通信特征,使其可視、可訪問。IEC61850的層次化的模型結(jié)構(gòu)意味著其語義結(jié)構(gòu)的層次化,一條準(zhǔn)確、具有完整語義的信息往往由不同層次的語義約定構(gòu)成,表現(xiàn)出語義的上下文關(guān)系,在IEC61850模型下表現(xiàn)為IED/LD/LN/DO/DA的模型結(jié)構(gòu),如圖5所示。通信的內(nèi)容完全依賴基于這種模型結(jié)構(gòu)的信息建模,即信息表達(dá),這既給信息的表達(dá)提供了靈活性,也有一種約束,即任何信息必須采用此層次進(jìn)行表達(dá)。同時(shí),此結(jié)構(gòu)與IEC61850通信服務(wù)結(jié)構(gòu)有緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)際上也是服務(wù)的層次結(jié)構(gòu)。因此,IEC61850可以以一種統(tǒng)一的方式支持信息傳輸,而不限制信息的種類和數(shù)量。電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控基本功能應(yīng)包括充電監(jiān)控、配電監(jiān)控、其他設(shè)備監(jiān)控;擴(kuò)展功能可包括電池檢測(cè)、電池維護(hù)等。采用IEC61850通信,可完全繼承上述優(yōu)點(diǎn),但首先需要建立監(jiān)控設(shè)備信息模型。信息建模過程是一個(gè)將信息按功能進(jìn)行分解的過程,即將上述監(jiān)控功能分解成能夠進(jìn)行信息交換的最小單元。3.1保護(hù)裝置狀態(tài)配電監(jiān)控信息主要包括配電變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài);保護(hù)裝置動(dòng)作及故障信息、負(fù)荷電流和電壓等數(shù)據(jù)。這些信息建模方法在IEC61850中有明確規(guī)定和成功應(yīng)用。3.2充電模式監(jiān)控信息模型充電監(jiān)控信息主要包括狀態(tài)信息、電能信息、電池信息、控制信息等,涉及充電樁、充電機(jī)、電池等設(shè)備。其中,充電樁分為交流充電樁和直流充電樁,交流充電樁直接通過車載充電機(jī)對(duì)電池充電,并上傳信息至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng);直流充電樁與站內(nèi)充電機(jī)配合對(duì)電池充電,車載電池的電池管理系統(tǒng)(BMS)通過充電樁與充電機(jī)進(jìn)行信息交互,充電機(jī)監(jiān)控充電過程,并將相關(guān)信息傳至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。因此,需要分別對(duì)充電機(jī)、電池、充電樁信息進(jìn)行分類整理并建立標(biāo)準(zhǔn)化信息模型。1)充電設(shè)備信息分類:①充電機(jī)信息,涉及充電裝置故障、監(jiān)控單元故障、充電模式等狀態(tài)信息;直流輸出過流、直流輸出過/欠壓、直流側(cè)開關(guān)跳閘等保護(hù)信息以及相應(yīng)定值;充電裝置直流輸出電壓、電流、高頻電源模塊輸出電流等測(cè)量信息;充電機(jī)充電模式的調(diào)整等控制信息。②電池通過BMS上傳的信息主要有蓄電池組狀態(tài)、蓄電池組故障等狀態(tài)信息;蓄電池組電壓、溫度、充電功率以及單體蓄電池電壓與荷電等測(cè)量信息。③充電樁主要完成供電、計(jì)量、保護(hù)、通信等基本功能。交流/直流充電樁涉及信息包括電壓、電流等測(cè)量信息;充電樁狀態(tài)改變、插座門關(guān)門故障等狀態(tài)信息;過負(fù)荷、欠壓、過壓等保護(hù)信息和定值信息;充電開始、結(jié)束等控制信息;充電樁讀取電表信息,實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能。2)邏輯節(jié)點(diǎn)建模原則:邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)是進(jìn)行信息交互的最小功能單元,是整個(gè)模型體系的核心部分。本文以不同功能模塊整體為對(duì)象,建立充電設(shè)備監(jiān)控信息的LN類模型。LN必須繼承公用邏輯節(jié)點(diǎn)信息,包括Mod,Beh,Health和NamePlt,分別描述LN的工作模式、性能、狀態(tài)和銘牌,通過對(duì)模塊信息分類建立LN數(shù)據(jù)對(duì)象(DO),數(shù)據(jù)屬性(DA)是對(duì)DO的定義。在IEC61850-7-3的公共數(shù)據(jù)類(CDC)部分定義較為詳細(xì),完全滿足本系統(tǒng)的建模要求。根據(jù)以上信息分類和基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的LN擴(kuò)展原則,建立充電機(jī)ECHA、電池EBAT、充電樁EPIL等邏輯節(jié)點(diǎn)(E表示電動(dòng)汽車充電站),如充電機(jī)邏輯節(jié)點(diǎn)ECHA,其DO不僅繼承公用邏輯節(jié)點(diǎn)類全部指定數(shù)據(jù),還包括狀態(tài)信息、量測(cè)信息、控制信息、定值信息等擴(kuò)展數(shù)據(jù),其名稱盡量采用IEC61850定義屬性名或縮略寫方法,并定義其數(shù)據(jù)屬性。ECHA信息建模如表1所示。3)邏輯設(shè)備建模原則:將具有公用特性的邏輯節(jié)點(diǎn)組合成一個(gè)邏輯設(shè)備LD,其定值組控制塊(SGCB)數(shù)據(jù)對(duì)象不應(yīng)跨LD,數(shù)據(jù)集包含的數(shù)據(jù)對(duì)象不應(yīng)跨LD。IEC61850規(guī)定,LD內(nèi)部必須提供關(guān)于物理設(shè)備或者由其控制的外部設(shè)備的相關(guān)信息,LLN0代表LD的公共數(shù)據(jù),LPHD代表物理設(shè)備的公共數(shù)據(jù)。此外,還需提供至少一個(gè)描述LD核心功能的LN。根據(jù)交流/直流充電樁功能,交流充電樁IED內(nèi),LD除了2個(gè)基本邏輯節(jié)點(diǎn)外,還包括擴(kuò)展的充電樁功能邏輯節(jié)點(diǎn)EPIL和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義計(jì)量功能邏輯節(jié)點(diǎn)MMTR;直流充電樁IED內(nèi),除了與交流充電樁內(nèi)功能模塊相同的LD1外,還有充電機(jī)功能模塊LD2與電池功能模塊LD3,模型描述符合直流充電樁的實(shí)際功能。交流/直流充電樁IED模型如圖6所示。3.3基于功能模型的建模設(shè)計(jì)環(huán)境溫度、濕度、煙感、門禁等信息來自不同傳感器,根據(jù)上述建模原則,可用一個(gè)功能集中的IED來包含多個(gè)邏輯設(shè)備LD,每個(gè)LD包含相應(yīng)功能的邏輯節(jié)點(diǎn)。采用通用邏輯節(jié)點(diǎn)GGIO擴(kuò)展DO,描述不同的傳感器功能,如狀態(tài)信息、告警信息等。4電動(dòng)汽車充電站的通信模型和信息集成4.1體化智能集成系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)電動(dòng)汽車充電站內(nèi)信息集成由一體化智能匯集器完成。同時(shí),一體化匯集器還必須具備通信方式轉(zhuǎn)換功能。通過一體化智能匯集器,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控后臺(tái)與各傳感器間的監(jiān)測(cè)信息和控制信息的傳輸。對(duì)站內(nèi)非IEC61850通信的裝置,對(duì)其建立邏輯映射關(guān)系,形成具備標(biāo)準(zhǔn)信息模型的IED。環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器種類與數(shù)目眾多,不應(yīng)使所有傳感器都與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通信,應(yīng)在一體化匯集器內(nèi)建立一個(gè)集成IED,收集各個(gè)傳感器所采集的信息并集中上傳,這些裝置在一體化智能匯集器內(nèi)表現(xiàn)為相應(yīng)的IED。通過配置工具,按照IEC61850-6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CID文件并下發(fā)到一體化匯集器,實(shí)現(xiàn)對(duì)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7所示。因此,站內(nèi)所有設(shè)備置于同一通信平臺(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IEC61850服務(wù)。4.2電動(dòng)汽車充電站IEC61850-7-2為變電站應(yīng)用領(lǐng)域定義了抽象的信息模型和服務(wù)模型。特定通信服務(wù)映射(SCSM)將抽象的通信服務(wù)、對(duì)象及相關(guān)參數(shù)映射到特定的應(yīng)用協(xié)議。IEC61850-7-2中定義的抽象通信服務(wù)接口(ACSI)建立服務(wù)模型,通過SCSM為制造報(bào)文規(guī)范(MMS)報(bào)文,并以TCP/IP方式進(jìn)行傳輸,IED信息通過MMS實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)信息交互。電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)模型內(nèi)配電、充電設(shè)備與對(duì)應(yīng)的IED模型建立關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電站的監(jiān)控。通信模型如圖8所示。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于XML語言的變電站配置語言(SCL)。電動(dòng)汽車充電站配置也采用SCL,通過系統(tǒng)配置工具集成電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)模型、IED信息模型和通信模型,形成全站系統(tǒng)配置文件(SCD),監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)配置參數(shù)實(shí)現(xiàn)與IED無縫通信。SCD文件分為5個(gè)主要元素:Header,Substation,DataTypeTemplates,Communication和IED。其中,Substation包含了充電站系統(tǒng)模型;IED描述了充電站內(nèi)相關(guān)的智能電子設(shè)備,包括已在一體化匯集器內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息集成的IED,但不含其子設(shè)備;DataTypeTemplates定義了在IED中的數(shù)據(jù)模型,包含了充電站擴(kuò)展邏輯節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)對(duì)象。這些元素各有其子元素和屬性,層層包含,最終完成了對(duì)整個(gè)充電