黎永昌，王 鋼，梁遠升，曾德輝

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基于IEC 61850的電動汽車充電站遠動通信建模

黎永昌，王 鋼，梁遠升，曾德輝

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

為保障電動汽車充電站大規(guī)模接入情況下的配電網(wǎng)可靠穩(wěn)定運行, 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)展開電動汽車充電站與配電調(diào)度控制中心的遠動通信建模研究?依據(jù)典型電動汽車充電站的一次系統(tǒng)架構(gòu)及通信系統(tǒng)構(gòu)成, 提出了符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的遠動通信架構(gòu)?在分析總結(jié)電動汽車充電站遠動通信需求的基礎(chǔ)上，通過IEC61850-7-4以及IEC61850-7-420所定義邏輯節(jié)點構(gòu)建遠動通信模型??搭建遠動通信仿真平臺進行測試，結(jié)果證明了該遠動通信架構(gòu)以及通信建模方案的有效性?

電動汽車；充電站；IEC 61850；遠動；通信建模

0 引言

隨著電動汽車的推廣普及，作為配套設(shè)施的電動汽車充電站(簡稱充電站)的規(guī)模以及數(shù)量不斷增長，充電站負荷占配網(wǎng)總負荷的比重亦不斷提高[1-2]。充電站負荷具有時空隨機性強、負載變化率大以及諧波污染嚴(yán)重等特性，若不對其加以監(jiān)視與控制，將嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及可靠、經(jīng)濟運行，給配電網(wǎng)的調(diào)度管理帶來更多的不確定性[3-5]。因此，配電調(diào)度控制中心亟需與區(qū)內(nèi)各充電站進行遠動通信，實時掌握電壓、諧波、三相不平衡度等電氣參數(shù)，以及時響應(yīng)控制決策，從而確保配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、實現(xiàn)全局電能質(zhì)量優(yōu)化。上述遠動通信的實現(xiàn)，重點在于建立合理的通信架構(gòu)以及規(guī)范的通信模型。

目前針對充電站遠動通信及其建模的報道主要側(cè)重于通信方式以及組網(wǎng)方案的研究。文獻[6]基于電力調(diào)度管理通信的需求分析研究了充電站參與調(diào)度通信的解決方案，并介紹了通信方式的選擇以及各種通信技術(shù)的組合應(yīng)用；文獻[7]提出采用OPPC新型電力特種光纜、MSTP光纖通信網(wǎng)技術(shù)以及IP PBX話音數(shù)據(jù)一體技術(shù)的電動汽車充電站通信專網(wǎng)建設(shè)方案，以實現(xiàn)電動汽車充電站的線路保護、調(diào)度自動化以及計費計量系統(tǒng)通信。上述研究尚未深入至通信建模層面。

為滿足在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中應(yīng)用IEC61850以增強設(shè)備互操作性、減少安裝和維護工作量的發(fā)展趨勢[8]，本文基于IEC61850開展充電站遠動通信建模研究，首先根據(jù)充電站的一次系統(tǒng)架構(gòu)和通信系統(tǒng)構(gòu)成進行遠動通信架構(gòu)的分析、設(shè)計，進而總結(jié)歸納該通信架構(gòu)下的遠動通信需求，通過IEC 61850-7-4以及IEC61850-7 -420所定義邏輯節(jié)點實現(xiàn)遠動通信模型的構(gòu)建，最終通過遠動通信測試平臺驗證所提通信架構(gòu)及建模方案的有效性。

1 ?遠動通信架構(gòu)

1.1 通信分層

典型充電站的一次系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括供配電、充換電以及站用電等一次設(shè)備。其中供配電設(shè)備包括高壓開關(guān)柜、配電變壓器、有源濾波器以及無功補償柜；充換電設(shè)備則包括低壓開關(guān)柜、交直流充電樁以及快換機等。上述一次設(shè)備均配置有保護、測控相關(guān)的智能電子裝置(簡稱保護、測控IED)，同時站內(nèi)配置監(jiān)控主機和遠動通信裝置(簡稱遠動IED)分別實現(xiàn)全站監(jiān)控管理以及遠動通信。

圖1 電動汽車充電站一次系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)IEC61850通信分層原則，將充電站內(nèi)部通信系統(tǒng)劃分為站控層、間隔層以及過程層，如圖2所示。站控層由監(jiān)控主機、遠動IED構(gòu)成，間隔層則包括沖換電設(shè)備、供配電設(shè)備的保護測控IED，過程層對應(yīng)斷路器、隔離開關(guān)等開關(guān)設(shè)備智能終端以及互感器合并單元等設(shè)備。遠方的配電調(diào)度控制中心則劃分為遠動層。由此形成由遠動層、站控層、間隔層以及過程層組成的充電站分層通信架構(gòu)。

在此分層通信架構(gòu)下，間隔層的保護、測控IED通過過程總線上傳輸?shù)腟V和GOOSE報文實現(xiàn)對過程層設(shè)備的測量、狀態(tài)監(jiān)視、保護與控制。監(jiān)控主機和遠動IED則通過站層總線與間隔層的保護、測控IED進行站層通信，以匯總間隔層IED的保護、測量以及狀態(tài)信息并下發(fā)相關(guān)調(diào)控指令。同時，遠動IED通過調(diào)度通信網(wǎng)與位于遠動層的配電調(diào)度控制中心交互信息。

圖2 電動汽車充電站遠動通信架構(gòu)

1.2 遠動IED通信范圍

配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中與配電調(diào)度控制中心進行通信的遠動終端數(shù)量極大，為保障配電調(diào)度控制中心的通信、管理決策效率，遠動終端應(yīng)盡量精簡其通信內(nèi)容。

充電站遠動IED的通信內(nèi)容與其在間隔層的通信范圍有關(guān)。間隔層中，充電柜、充電樁等充換電設(shè)備保護、測控IED的通信數(shù)據(jù)量大且與配電運行管理聯(lián)系不大，應(yīng)僅與站內(nèi)的監(jiān)控主機交互，不參與遠動通信；而變壓器、高壓開關(guān)柜、有源濾波柜器以及無功補償柜等供配電設(shè)備保護、測控IED的通信信息涉及到配電網(wǎng)的運行管理，如電能質(zhì)量監(jiān)控、故障定位、隔離以及恢復(fù)等，應(yīng)由遠動IED進行匯總、轉(zhuǎn)發(fā)。

因此，本文限定遠動IED在間隔層的通信范圍為供配電設(shè)備的保護、測控IED，如圖2虛線框所示，以減少遠動信息冗余、優(yōu)化通信和監(jiān)控效率。

1.3 通信映射

為適應(yīng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，IEC61850設(shè)計了抽象通信服務(wù)接口(ACSI)以及特殊通信服務(wù)映射(SCSM)，實現(xiàn)抽象信息模型與具體通信協(xié)議的分離。其中ACSI僅僅是抽象概念的通信對象與服務(wù)的集合，需要通過SCSM映射至具體通信協(xié)議的對象與服務(wù)才能實現(xiàn)通信功能。

實際應(yīng)用中，IEC61850推薦將站層通信映射至以高實時性以及強大性能而著稱的制造業(yè)報文規(guī)范(MMS)。目前亦有研究證明了MMS應(yīng)用在遠動通信中的可行性[9]。因此，在上述充電站遠動通信架構(gòu)下，本文將遠動IED的站層通信以及遠動通信均映射至MMS。

2 ?充電站遠動通信需求

遠動通信主要為遙測、遙信、遙控、遙調(diào)以及保護等信息的交換。為方便遠動通信IEC61850模型的構(gòu)建，本文根據(jù)IEC61850將功能進行模塊化分解、組合的信息建模原則，對前述遠動通信范圍所涉及的通信信息進行歸納、分類：

2)?測量和計量信息，包括該充電站配電變壓器的電壓、電流、功率以及全站諧波含量、功率因數(shù)、計量、擾動記錄信息。

3)?狀態(tài)和控制信息，包括：高壓開關(guān)柜內(nèi)各隔離開關(guān)和斷路器的位置狀態(tài)、無功補償設(shè)備的投運狀態(tài)以及狀態(tài)變位SOE信息；各隔離開關(guān)、斷路器、無功補償設(shè)備的控制信息。

4) 保護信息，供配電設(shè)備的保護配置和告警信息，以及保護動作SOE信息。

3 ?遠動通信建模

IEC61850遠動通信模型的建立，主要是依據(jù)上述遠動通信需求進行“服務(wù)器-邏輯設(shè)備-邏輯節(jié)點-數(shù)據(jù)對象”層次的內(nèi)容組織。

3.1 服務(wù)器以及邏輯設(shè)備

IEC61850中的服務(wù)器模型一般根據(jù)通信接入點的數(shù)量進行設(shè)置。遠動IED與配電調(diào)度控制中心、供配電設(shè)備保護測控IED分別進行遠動通信、站層通信，相對應(yīng)地，在信息模型中設(shè)置遠動通信接入點服務(wù)器S1以及站層通信接入點服務(wù)器S2。

服務(wù)器模型的內(nèi)部，根據(jù)功能分類，下設(shè)一個或多個邏輯設(shè)備，其中每個邏輯設(shè)備代表著一組實際功能，其內(nèi)部包含與實際功能相關(guān)的邏輯節(jié)點。對于遠動通信服務(wù)器S1，依據(jù)遠動通信需求分類配置邏輯設(shè)備，對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 邏輯設(shè)備定義

站層通信服務(wù)器S2則根據(jù)充電站間隔層供配電設(shè)備保護測控IED建模，每臺實際的IED對應(yīng)S2接入點下的一個邏輯設(shè)備，以方便管理。

由圖2可知，電壓互感器1、2、3、4、5、6、7、8、9和11號A相的量測數(shù)據(jù)序列之間的平均歐氏距離均小于閾值，而電壓互感器10的量測數(shù)據(jù)序列與上述電壓互感的量測數(shù)據(jù)序列的平均歐氏距離大于閾值，由此可以判定電壓互感器10，也就是賓敘一線A相的電壓互感器發(fā)生故障。

3.2 邏輯節(jié)點以及數(shù)據(jù)對象

作為通信模型的核心，邏輯節(jié)點代表著通信設(shè)備的基本功能，是信息建模中最為重要的部分。本文重點分析遠動通信S1接入點下屬各邏輯設(shè)備的邏輯節(jié)點及數(shù)據(jù)對象配置。

(1)?公共邏輯設(shè)備LD0下屬邏輯節(jié)點

公共邏輯設(shè)備LD0應(yīng)設(shè)置包含充電站基礎(chǔ)信息的邏輯節(jié)點，用于向調(diào)度控制中心提供整體概況。

目前IEC61850中尚未存在針對充電站的邏輯節(jié)點定義，但充電站地理位置分散、負荷波動性強以及諧波、無功問題突出的特性與分布式電源非常相似。對配網(wǎng)控制中心而言，可以將充電站等效為特殊的分布式能源，從而采取與分布式電源類似的無功、諧波監(jiān)控策略。因此，本文使用IEC61850-7 -420中定義的分布式能源通信邏輯節(jié)點對充電站遠動基本信息進行建模。

IEC61850-7-420中定義了DER邏輯節(jié)點類以及ECP邏輯節(jié)點類[10]，分別用于分布式能源發(fā)電站內(nèi)單個分布式能源的監(jiān)控通信建模以及分布式能源發(fā)電站的并網(wǎng)點監(jiān)控通信建模。本文采用ECP邏輯節(jié)點類對通信需求框架中的基礎(chǔ)信息進行建模，具體對應(yīng)關(guān)系如下：

1)?充電站銘牌信息。采用企業(yè)信息邏輯節(jié)點DCRP，該邏輯節(jié)點下設(shè)有所有者Ownership以及位置Location數(shù)據(jù)對象，用于充電站的身份辨識。

2)?充電站操作信息。采用連接點操作信息邏輯節(jié)點DOPR，用于提供充電站供配電設(shè)備的操作信息，下設(shè)接入點類型以及接入點電氣量限制定值等數(shù)據(jù)對象。

其中，接入點類型ECPType用于提示配電調(diào)度控制中心該接入點對應(yīng)充電站負荷。鑒于IEC 61850-7-420沒有定義電動汽車充電站的接入類型，本文對其進行數(shù)據(jù)對象取值擴展。擴展后的取值定義見表2，其中自定義了取值“5”對應(yīng)充電站接入當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)?？梢钥吹?，該數(shù)據(jù)對象取值范圍內(nèi)仍有大量取值未使用，可供未來不同類型充電站接入情況下的取值定義。

接入點電氣量限制定值為配電調(diào)度控制中心提供運行特性參數(shù)，包括功率、電壓以及頻率限制定值。

表2 接入點類型定義

3)?充電站整體運行狀態(tài)。采用ECP狀態(tài)邏輯節(jié)點DPST，下設(shè)ECPConn數(shù)據(jù)對象提供實時運行狀態(tài)信息。

(2)?測量邏輯設(shè)備下屬邏輯節(jié)點

為充分滿足電氣測量、計量需要，于測量邏輯設(shè)備下設(shè)MMXU測量、MMTR計量、MHAI諧波以及RDRE擾動記錄邏輯節(jié)點。

MMXU用于配電變壓器高壓側(cè)的電氣量數(shù)據(jù)的記錄，其數(shù)據(jù)對象包含各相電壓、電流；各相有功、無功、視在功率；平均功率因數(shù)、相功率因數(shù)以及頻率。MMTR為計量邏輯節(jié)點，其記錄對象包括視在電能、有功電能以及無功電能。MHAI則主要用于記錄由于充電站內(nèi)整流設(shè)備工作產(chǎn)生的奇次諧波以及間諧波。RDRE是具有擾動記錄功能的邏輯節(jié)點，實現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)的記錄。以上邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)來源是測量用電壓、電流互感器邏輯節(jié)點TVTR和TCTR。

(3)?控制邏輯設(shè)備下屬邏輯節(jié)點

控制邏輯設(shè)備用于實現(xiàn)配電調(diào)度控制中心對充電站內(nèi)配電變壓器高壓側(cè)斷路器、隔離開關(guān)以及低壓側(cè)無功補償設(shè)備進行的遙控和遙調(diào)操作。

對斷路器和隔離開關(guān)的遙控操作，涉及CSWI、XCBR以及XSWI邏輯節(jié)點。XCBR和XSWI邏輯節(jié)點對應(yīng)斷路器和隔離開關(guān)物理設(shè)備，而CSWI邏輯節(jié)點作為開關(guān)控制器向XCBR邏輯節(jié)點和XSWI邏輯節(jié)點發(fā)出控制指令。閉鎖功能對應(yīng)邏輯節(jié)點CILO，遙控開入、遙控自檢以及軟壓板則通過通用輸入輸出邏輯節(jié)點GGIO實現(xiàn)。

另外，為實現(xiàn)配電調(diào)度控制中心對充電站內(nèi)無功補償設(shè)備的控制，設(shè)置無功控制邏輯節(jié)點ARCO。

(4)?保護邏輯設(shè)備下屬邏輯節(jié)點

保護邏輯設(shè)備向配電調(diào)度控制中心提供充電站供配電設(shè)備的保護配置、定值以及告警、動作信息。

保護邏輯設(shè)備下屬邏輯節(jié)點與充電站具體保護配置有關(guān)，如PTOC過流保護、PTUV低壓保護等。在配置相關(guān)保護原理的邏輯節(jié)點時，使用電壓互感器TVTR以及電流互感器TCTR提供保護用測量信息。保護出口以保護跳閘邏輯邏輯節(jié)點PTRC實現(xiàn)，保護開入、自檢以及告警則使用邏輯節(jié)點GGIO。

圖3 充電站遠動IED的SCL配置信息

3.3 實例建模

基于上述通信建模分析，采用SCLbuilder工具對圖1所示典型電動汽車充電站中的遠動IED進行通信模型配置。最終的SCL配置信息如圖3所示，名為EV_TelRTU的IED下屬MMS遠動通信接入點S1，S1下屬邏輯設(shè)備以及邏輯節(jié)點的配置如前文所分析，充電站遠動通信需求在該通信模型中均得到了體現(xiàn)。

4 ?遠動通信測試

為驗證本文所提出的分層分區(qū)通信架構(gòu)以及信息建模方案的有效性，搭建如圖4所示測試平臺進行通信測試。

圖4 通信測試平臺

測試平臺包括配電調(diào)度中心的通信前置機、遠動IED、保護測控裝置以及交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。通信前置機為運行MMS客戶端的PC主機，同時使用Wireshark網(wǎng)絡(luò)報文分析軟件記錄通信報文以供分析驗證。遠動IED以及間隔層供配電設(shè)備保護測控裝置DPMC1/2/3均為高性能嵌入式智能電子裝置，于Linux系統(tǒng)平臺使用MMS-EASE Lite套件進行MMS通信。

通信測試內(nèi)容覆蓋遠動IED與通信前置機的通信初始化以及報告上送、遠方控制、文件傳輸服務(wù)。以通信前置機與遠動IED的通信初始化為例，二者建立通信鏈接后，通信前置機通過讀服務(wù)器目錄、讀邏輯設(shè)備目錄、讀邏輯節(jié)點目錄等ACSI服務(wù)獲取遠動IED的通信模型信息，圖5所示為讀邏輯設(shè)備服務(wù)(經(jīng)SCSM映射至MMS的讀有名變量表服務(wù)getNameList)的返回報文，經(jīng)解析可知讀取了名為EV_TelRTU的IED下屬的4個邏輯設(shè)備，與圖3中的遠動IED模型配置信息一致。

通信初始化后，遠動IED順利通過報告服務(wù)向通信前置機上送遙測量、狀態(tài)量、保護動作以及告警信號，并在故障發(fā)生后通過文件傳輸服務(wù)上傳錄波以及故障報告文件至通信前置機；而通信前置機則通過遠方控制服務(wù)實現(xiàn)了對斷路器、隔離開關(guān)以及無功補償裝置的控制，證明了本文所提遠動通信架構(gòu)以及通信建模方案的有效性。

圖5 讀邏輯設(shè)備服務(wù)返回報文

5 ?結(jié)論

電動汽車充電站與配電調(diào)度控制中心的可靠遠動通信有利于配網(wǎng)的安全可靠運行以及全局電能質(zhì)量優(yōu)化。本文研究電動汽車充電站的遠動通信建模，提出了遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的充電站遠動通信架構(gòu)，并劃定遠動IED在間隔層的通信范圍以減少信息冗余、提高通信和管理效率，進而總結(jié)遠動通信需求、進行模型分析和實例建模，最終通過通信測試證明了所提遠動通信架構(gòu)和通信建模方案的有效性。

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(編輯 張愛琴)

IEC61850-based electric vehicle charging station telecontrol communication information modeling

LI Yongchang, WANG Gang, LIANG Yuansheng, ZENG Dehui

(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

To guarantee safe and reliable operation of distribution network in the case of electric vehicle charging stations increasing fast, this paper carries out research on electric vehicle charging station telecontrol communication modeling based on IEC 61850. It presents a telecontrol communication architecture that complies with IEC 61850, and summarizes its telecontrol communication information requirement. Then the telecontrol communication model construction is achieved through the use of logical nodes defined in IEC 61850-7-4 and IEC 61850-7-420. Finally, the communication architecture and model are verified on simulation platform. Result shows that the communication architecture and model is feasible.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51477057).

electric vehicle; charging station; IEC 61850; telecontrol communication; communication modeling

10.7667/PSPC150732

國家自然科學(xué)基金資助項目(51477057)

2015-05-04

黎永昌(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為IEC61850、數(shù)字化變電站；E-mail: 394757534@qq.com

王 鋼(1966-)，男，通信作者，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制；E-mail: wangg@scut.edu.cn

梁遠升(1980-)，男，博士，講師，研究方向為數(shù)字化變電站、IEC61850。E-mail: yshliang@scut.edu.cn