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)電動汽車充電站的基本組成包括充電機、監(jiān)控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和其他相關設施。其中,監(jiān)控系統(tǒng)是將充電、配電、計量計費、安防等相關環(huán)節(jié)有機融合為一個整體的自動化系統(tǒng),在實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)功能的基礎上,按照充電站的實際運行特點,完成包括設備綜合監(jiān)測、智能負荷調(diào)控以及和電網(wǎng)的有效互動等方面的控制與管理。電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)是聯(lián)系電動汽車和充電站監(jiān)控中心、電力調(diào)度中心的信息匯集點,信息交互是規(guī)?；妱悠嚢l(fā)展的必然趨勢。文獻提到的電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)建設方案可滿足現(xiàn)場監(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。電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)應當是一個在模型、通信方面標準化的系統(tǒng),并且能夠滿足信息交換標準化的要求,從而避免信息孤島及重復建設。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引入到電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)中,對充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行基于IEC61970標準的系統(tǒng)模型研究,對站內(nèi)智能電子設備(IED)的通信進行基于IEC61850標準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)運行管理效率。1汽車充電站內(nèi)流場平衡設計電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)主機、一體化智能匯集器以及各種IED和通信設備組成。系統(tǒng)功能主要包括對充電系統(tǒng)設備的測控、保護和計量,對配電系統(tǒng)一次設備的測控和保護,對環(huán)境、安防等的監(jiān)測以及對監(jiān)控/調(diào)度中心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。圖1所示為一種電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。電動汽車充電站的數(shù)據(jù)流主要有3個節(jié)點:采集、匯集和集成,分別對應站內(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個通信接口:一體化智能匯集裝置或自動化信息監(jiān)測裝置與站內(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準的信息模型及通信模型來進行數(shù)據(jù)交互,能高效地實現(xiàn)監(jiān)控與交互功能。本文根據(jù)電動汽車充電站系統(tǒng)的功能需求,給出了實現(xiàn)電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)的支撐技術體系架構(gòu),如圖2所示。其中,系統(tǒng)模型和信息模型是整個支撐技術體系的基礎,通信模型是信息交互基礎。系統(tǒng)模型是對整個電動汽車充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行描述的規(guī)范,信息模型是對各個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。以上各個模型的研究與實現(xiàn)基于IEC61970/61850標準,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電動汽車充電站模型的建立電動汽車充電站是未來配電網(wǎng)的一個重要組成部分,其結(jié)構(gòu)與變電站類似,采用電力企業(yè)應用的IEC61970標準系列作為技術基礎,通過公共信息模型(CIM)的擴展,來建立規(guī)范的電動汽車充電站系統(tǒng)模型,使得不同廠家開發(fā)的電動汽車充電站監(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)設計和分析的基礎。電力系統(tǒng)模型的表示方式主要有節(jié)點/開關模型和母線/支路模型。節(jié)點/開關模型包含電力系統(tǒng)實時運行操作所需要的有關現(xiàn)場設備及其連接關系、狀態(tài)信息、量測信息等詳細信息。電動汽車充電站系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,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;充電設備有充電機、交流/直流充電樁;輔助設備有環(huán)境/安防等設備。系統(tǒng)模型不僅要反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電氣設備之間的連接關系,也要體現(xiàn)與IED之間的依賴關系。電動汽車充電站系統(tǒng)模型有多種展示方式,最常用的是樹形結(jié)構(gòu)。進行樹形展示時要確定模型中電動汽車充電站資源的層次關系,要求必須有一個根節(jié)點,且每一個子節(jié)點的父節(jié)點是唯一的。根據(jù)電動汽車充電站資源的特點以樹形結(jié)構(gòu)建立模型,如圖4所示。電動汽車充電站為根節(jié)點,它包括電壓等級和配電變壓器,安防、環(huán)境監(jiān)測等設備屬于站級設備,也隸屬于根節(jié)點。10kV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;400V電壓等級下除了相關配電設備外還有充電設備,如充電機提供直流電源,充電樁不僅具有供電功能,還有測控、保護、計量等組合功能。在系統(tǒng)模型中不對電池與車載充電機分開建模,它們直接連接充電樁,均用等值負荷描述。CIM/XML語言是基于CIM的資源描述框架(RDF)應用,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記都由CIMRDFSchema定義,使得文檔能夠被解析,實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的信息交換。因此,電動汽車充電站系統(tǒng)模型參照CIM/XML方式來描述,通過設備隸屬屬性描述其父子關系,連接屬性描述設備間的連接關系,關聯(lián)屬性描述設備間的作用域關系。根據(jù)上述模型,10kV配電設備及相關測控設備的隸屬屬性關聯(lián)到10kV電壓等級,配電設備的連接屬性反映出母線、斷路器、刀閘等的連接關系。測控/保護設備雖與配電設備同處一子節(jié)點,但無連接關系,以關聯(lián)屬性描述一、二次設備之間的作用域關系。等值負荷和交流/直流充電樁以及充電機等隸屬屬性關聯(lián)到400V電壓等級,以關聯(lián)屬性描述交流/直流充電樁與對應等值負荷或充電機作用域關系,連接屬性反映交流/直流充電樁與對應的等值負荷或充電機的連接關系。環(huán)境/安防/門禁等站級設備直接通過其隸屬屬性關聯(lián)到充電站。按照上述處理方式,可以確定電動汽車充電站大多數(shù)資源的層次、連接以及其設備間的作用域關系。2.2采用有效的圖形標準電動汽車充電站系統(tǒng)的建設中涉及大量接線圖、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)控中心需要重復一遍,工作效率低下,同時影響系統(tǒng)的安全可靠性。因此需要一種圖形標準來避免重復的勞動和不同廠商圖形格式之間的不兼容問題。可伸縮矢量圖形(SVG)可彌補此不足。對于圖形與模型的統(tǒng)一,可采用以下方式。1)Id關聯(lián)。通過SVG對象的Id屬性與CIM對象通用資源標志符(URI)關聯(lián)來實現(xiàn)。2)元數(shù)據(jù)(Metadata)關聯(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,也可用于標明數(shù)據(jù)資料的存儲位置、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準的核心,信息模型以抽象方式刻畫了一個實際功能的通信特征,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,這既給信息的表達提供了靈活性,也有一種約束,即任何信息必須采用此層次進行表達。同時,此結(jié)構(gòu)與IEC61850通信服務結(jié)構(gòu)有緊密的對應關系,實際上也是服務的層次結(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。電動汽車充電站監(jiān)控基本功能應包括充電監(jiān)控、配電監(jiān)控、其他設備監(jiān)控;擴展功能可包括電池檢測、電池維護等。采用IEC61850通信,可完全繼承上述優(yōu)點,但首先需要建立監(jiān)控設備信息模型。信息建模過程是一個將信息按功能進行分解的過程,即將上述監(jiān)控功能分解成能夠進行信息交換的最小單元。3.1保護裝置狀態(tài)配電監(jiān)控信息主要包括配電變壓器運行數(shù)據(jù)、開關狀態(tài);保護裝置動作及故障信息、負荷電流和電壓等數(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、電池等設備。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對電池充電,并上傳信息至后臺監(jiān)控系統(tǒng);直流充電樁與站內(nèi)充電機配合對電池充電,車載電池的電池管理系統(tǒng)(BMS)通過充電樁與充電機進行信息交互,充電機監(jiān)控充電過程,并將相關信息傳至后臺監(jiān)控系統(tǒng)。因此,需要分別對充電機、電池、充電樁信息進行分類整理并建立標準化信息模型。1)充電設備信息分類:①充電機信息,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)開關跳閘等保護信息以及相應定值;充電裝置直流輸出電壓、電流、高頻電源模塊輸出電流等測量信息;充電機充電模式的調(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量信息。③充電樁主要完成供電、計量、保護、通信等基本功能。交流/直流充電樁涉及信息包括電壓、電流等測量信息;充電樁狀態(tài)改變、插座門關門故障等狀態(tài)信息;過負荷、欠壓、過壓等保護信息和定值信息;充電開始、結(jié)束等控制信息;充電樁讀取電表信息,實現(xiàn)計量功能。2)邏輯節(jié)點建模原則:邏輯節(jié)點(LN)是進行信息交互的最小功能單元,是整個模型體系的核心部分。本文以不同功能模塊整體為對象,建立充電設備監(jiān)控信息的LN類模型。LN必須繼承公用邏輯節(jié)點信息,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,通過對模塊信息分類建立LN數(shù)據(jù)對象(DO),數(shù)據(jù)屬性(DA)是對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,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標準的LN擴展原則,建立充電機ECHA、電池EBAT、充電樁EPIL等邏輯節(jié)點(E表示電動汽車充電站),如充電機邏輯節(jié)點ECHA,其DO不僅繼承公用邏輯節(jié)點類全部指定數(shù)據(jù),還包括狀態(tài)信息、量測信息、控制信息、定值信息等擴展數(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)邏輯設備建模原則:將具有公用特性的邏輯節(jié)點組合成一個邏輯設備LD,其定值組控制塊(SGCB)數(shù)據(jù)對象不應跨LD,數(shù)據(jù)集包含的數(shù)據(jù)對象不應跨LD。IEC61850規(guī)定,LD內(nèi)部必須提供關于物理設備或者由其控制的外部設備的相關信息,LLN0代表LD的公共數(shù)據(jù),LPHD代表物理設備的公共數(shù)據(jù)。此外,還需提供至少一個描述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個基本邏輯節(jié)點外,還包括擴展的充電樁功能邏輯節(jié)點EPIL和IEC61850標準中定義計量功能邏輯節(jié)點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計環(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,可用一個功能集中的IED來包含多個邏輯設備LD,每個LD包含相應功能的邏輯節(jié)點。采用通用邏輯節(jié)點GGIO擴展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),實現(xiàn)設備互聯(lián)電動汽車充電站內(nèi)信息集成由一體化智能匯集器完成。同時,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,實現(xiàn)監(jiān)控后臺與各傳感器間的監(jiān)測信息和控制信息的傳輸。對站內(nèi)非IEC61850通信的裝置,對其建立邏輯映射關系,形成具備標準信息模型的IED。環(huán)境監(jiān)測傳感器種類與數(shù)目眾多,不應使所有傳感器都與后臺監(jiān)控系統(tǒng)通信,應在一體化匯集器內(nèi)建立一個集成IED,收集各個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)為相應的IED。通過配置工具,按照IEC61850-6規(guī)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CID文件并下發(fā)到一體化匯集器,實現(xiàn)對裝置的自動接入和自動識別。其功能與配置過程如圖7所示。因此,站內(nèi)所有設備置于同一通信平臺下,可實現(xiàn)不同監(jiān)測設備信息標準化上傳、控制指令標準化下達,統(tǒng)一對外提供IEC61850服務。4.2電動汽車充電站IEC61850-7-2為變電站應用領域定義了抽象的信息模型和服務模型。特定通信服務映射(SCSM)將抽象的通信服務、對象及相關參數(shù)映射到特定的應用協(xié)議。IEC61850-7-2中定義的抽象通信服務接口(ACSI)建立服務模型,通過SCSM為制造報文規(guī)范(MMS)報文,并以TCP/IP方式進行傳輸,IED信息通過MMS實現(xiàn)與后臺信息交互。電動汽車充電站系統(tǒng)模型內(nèi)配電、充電設備與對應的IED模型建立關聯(lián),實現(xiàn)對電動汽車充電站的監(jiān)控。通信模型如圖8所示。IEC61850標準規(guī)定了基于XML語言的變電站配置語言(SCL)。電動汽車充電站配置也采用SCL,通過系統(tǒng)配置工具集成電動汽車充電站系統(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)實現(xiàn)與IED無縫通信。SCD文件分為5個主要元素: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)相關的智能電子設備,包括已在一體化匯集器內(nèi)實現(xiàn)信息集成的IED,但不含其子設備;DataTypeTemplates定義了在IED中的數(shù)據(jù)模型,包含了充電站擴展邏輯節(jié)點及數(shù)據(jù)對象。這些元素各有其子元素和屬性,層層包含,最終完成了對整個充電