汽车充电站监控系统建模研究

汽车充电站监控系统建模研究

0充电站监控系统电动汽车充电站的基本组成包括充电机、监控系统、安全系统和其他相关设施。其中,监控系统是将充电、配电、计量计费、安防等相关环节有机融合为一个整体的自动化系统,在实现基本数据采集与监控(SCADA)功能的基础上,按照充电站的实际运行特点,完成包括设备综合监测、智能负荷调控以及和电网的有效互动等方面的控制与管理。电动汽车充电站监控系统是联系电动汽车和充电站监控中心、电力调度中心的信息汇集点,信息交互是规模化电动汽车发展的必然趋势。文献提到的电动汽车充电站监控系统建设方案可满足现场监控要求,但未规范数据交换、数据模型以及系统模型,因此,系统开放性不能满足未来发展要求。电动汽车充电站监控系统应当是一个在模型、通信方面标准化的系统,并且能够满足信息交换标准化的要求,从而避免信息孤岛及重复建设。为此,广东省电力公司把它列为“十二五”科技发展规划的重要研究课题之一。本文将IEC61970/61850引入到电动汽车充电站监控系统中,对充电站系统结构进行基于IEC61970标准的系统模型研究,对站内智能电子设备(IED)的通信进行基于IEC61850标准的信息模型及通信模型研究,形成了统一的系统模型、信息模型和通信模型,使所建监控系统具备良好的开放性和互操作性,提高了系统运行管理效率。1汽车充电站内流场平衡设计电动汽车充电站监控系统主要由监控系统主机、一体化智能汇集器以及各种IED和通信设备组成。系统功能主要包括对充电系统设备的测控、保护和计量,对配电系统一次设备的测控和保护,对环境、安防等的监测以及对监控/调度中心的数据转发。图1所示为一种电动汽车充电站监控系统架构。电动汽车充电站的数据流主要有3个节点:采集、汇集和集成,分别对应站内智能传感器、一体化智能汇集装置和站内监控系统。其中存在2个通信接口:一体化智能汇集装置或自动化信息监测装置与站内监控系统之间的接口;智能传感器与一体化智能汇集装置之间的接口。此外,还存在与电动汽车充电站监控中心或电力调度中心之间的接口。这些通信接口之间需要有标准的信息模型及通信模型来进行数据交互,能高效地实现监控与交互功能。本文根据电动汽车充电站系统的功能需求,给出了实现电动汽车充电站监控系统的支撑技术体系架构,如图2所示。其中,系统模型和信息模型是整个支撑技术体系的基础,通信模型是信息交互基础。系统模型是对整个电动汽车充电站系统结构进行描述的规范,信息模型是对各个IED交互信息语义的规范,通信模型是站内信息集成与交互的规范。以上各个模型的研究与实现基于IEC61970/61850标准,能够实现充电站系统无缝数据交换及信息共享。2电动汽车充电站模型的建立电动汽车充电站是未来配电网的一个重要组成部分,其结构与变电站类似,采用电力企业应用的IEC61970标准系列作为技术基础,通过公共信息模型(CIM)的扩展,来建立规范的电动汽车充电站系统模型,使得不同厂家开发的电动汽车充电站监控系统与充电站中心站以及电力调度中心相互联,实现无缝数据交换和信息共享。2.1系统模型的建立系统模型是系统设计和分析的基础。电力系统模型的表示方式主要有节点/开关模型和母线/支路模型。节点/开关模型包含电力系统实时运行操作所需要的有关现场设备及其连接关系、状态信息、量测信息等详细信息。电动汽车充电站系统功能结构如图3所示。其中,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;充电设备有充电机、交流/直流充电桩;辅助设备有环境/安防等设备。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,也要体现与IED之间的依赖关系。电动汽车充电站系统模型有多种展示方式,最常用的是树形结构。进行树形展示时要确定模型中电动汽车充电站资源的层次关系,要求必须有一个根节点,且每一个子节点的父节点是唯一的。根据电动汽车充电站资源的特点以树形结构建立模型,如图4所示。电动汽车充电站为根节点,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。10kV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;400V电压等级下除了相关配电设备外还有充电设备,如充电机提供直流电源,充电桩不仅具有供电功能,还有测控、保护、计量等组合功能。在系统模型中不对电池与车载充电机分开建模,它们直接连接充电桩,均用等值负荷描述。CIM/XML语言是基于CIM的资源描述框架(RDF)应用,是CIM、资源描述框架模式(RDFSchema)、RDF语法的综合。在CIM/XML文档中使用的所有标记都由CIMRDFSchema定义,使得文档能够被解析,实现异构系统的信息交换。因此,电动汽车充电站系统模型参照CIM/XML方式来描述,通过设备隶属属性描述其父子关系,连接属性描述设备间的连接关系,关联属性描述设备间的作用域关系。根据上述模型,10kV配电设备及相关测控设备的隶属属性关联到10kV电压等级,配电设备的连接属性反映出母线、断路器、刀闸等的连接关系。测控/保护设备虽与配电设备同处一子节点,但无连接关系,以关联属性描述一、二次设备之间的作用域关系。等值负荷和交流/直流充电桩以及充电机等隶属属性关联到400V电压等级,以关联属性描述交流/直流充电桩与对应等值负荷或充电机作用域关系,连接属性反映交流/直流充电桩与对应的等值负荷或充电机的连接关系。环境/安防/门禁等站级设备直接通过其隶属属性关联到充电站。按照上述处理方式,可以确定电动汽车充电站大多数资源的层次、连接以及其设备间的作用域关系。2.2采用有效的图形标准电动汽车充电站系统的建设中涉及大量接线图、结构图等图形数据,且图形数据相互不兼容,在站端完成后,充电站监控中心需要重复一遍,工作效率低下,同时影响系统的安全可靠性。因此需要一种图形标准来避免重复的劳动和不同厂商图形格式之间的不兼容问题。可伸缩矢量图形(SVG)可弥补此不足。对于图形与模型的统一,可采用以下方式。1)Id关联。通过SVG对象的Id属性与CIM对象通用资源标志符(URI)关联来实现。2)元数据(Metadata)关联。Metadata是一种描述数据的数据,主要用于描述数据资料的一些属性,也可用于标明数据资料的存储位置、查询方式等信息。3模型结构的确定IEC61850明确指出,信息模型与建模方法是标准的核心,信息模型以抽象方式刻画了一个实际功能的通信特征,使其可视、可访问。IEC61850的层次化的模型结构意味着其语义结构的层次化,一条准确、具有完整语义的信息往往由不同层次的语义约定构成,表现出语义的上下文关系,在IEC61850模型下表现为IED/LD/LN/DO/DA的模型结构,如图5所示。通信的内容完全依赖基于这种模型结构的信息建模,即信息表达,这既给信息的表达提供了灵活性,也有一种约束,即任何信息必须采用此层次进行表达。同时,此结构与IEC61850通信服务结构有紧密的对应关系,实际上也是服务的层次结构。因此,IEC61850可以以一种统一的方式支持信息传输,而不限制信息的种类和数量。电动汽车充电站监控基本功能应包括充电监控、配电监控、其他设备监控;扩展功能可包括电池检测、电池维护等。采用IEC61850通信,可完全继承上述优点,但首先需要建立监控设备信息模型。信息建模过程是一个将信息按功能进行分解的过程,即将上述监控功能分解成能够进行信息交换的最小单元。3.1保护装置状态配电监控信息主要包括配电变压器运行数据、开关状态;保护装置动作及故障信息、负荷电流和电压等数据。这些信息建模方法在IEC61850中有明确规定和成功应用。3.2充电模式监控信息模型充电监控信息主要包括状态信息、电能信息、电池信息、控制信息等,涉及充电桩、充电机、电池等设备。其中,充电桩分为交流充电桩和直流充电桩,交流充电桩直接通过车载充电机对电池充电,并上传信息至后台监控系统;直流充电桩与站内充电机配合对电池充电,车载电池的电池管理系统(BMS)通过充电桩与充电机进行信息交互,充电机监控充电过程,并将相关信息传至后台监控系统。因此,需要分别对充电机、电池、充电桩信息进行分类整理并建立标准化信息模型。1)充电设备信息分类:①充电机信息,涉及充电装置故障、监控单元故障、充电模式等状态信息;直流输出过流、直流输出过/欠压、直流侧开关跳闸等保护信息以及相应定值;充电装置直流输出电压、电流、高频电源模块输出电流等测量信息;充电机充电模式的调整等控制信息。②电池通过BMS上传的信息主要有蓄电池组状态、蓄电池组故障等状态信息;蓄电池组电压、温度、充电功率以及单体蓄电池电压与荷电等测量信息。③充电桩主要完成供电、计量、保护、通信等基本功能。交流/直流充电桩涉及信息包括电压、电流等测量信息;充电桩状态改变、插座门关门故障等状态信息;过负荷、欠压、过压等保护信息和定值信息;充电开始、结束等控制信息;充电桩读取电表信息,实现计量功能。2)逻辑节点建模原则:逻辑节点(LN)是进行信息交互的最小功能单元,是整个模型体系的核心部分。本文以不同功能模块整体为对象,建立充电设备监控信息的LN类模型。LN必须继承公用逻辑节点信息,包括Mod,Beh,Health和NamePlt,分别描述LN的工作模式、性能、状态和铭牌,通过对模块信息分类建立LN数据对象(DO),数据属性(DA)是对DO的定义。在IEC61850-7-3的公共数据类(CDC)部分定义较为详细,完全满足本系统的建模要求。根据以上信息分类和基于IEC61850标准的LN扩展原则,建立充电机ECHA、电池EBAT、充电桩EPIL等逻辑节点(E表示电动汽车充电站),如充电机逻辑节点ECHA,其DO不仅继承公用逻辑节点类全部指定数据,还包括状态信息、量测信息、控制信息、定值信息等扩展数据,其名称尽量采用IEC61850定义属性名或缩略写方法,并定义其数据属性。ECHA信息建模如表1所示。3)逻辑设备建模原则:将具有公用特性的逻辑节点组合成一个逻辑设备LD,其定值组控制块(SGCB)数据对象不应跨LD,数据集包含的数据对象不应跨LD。IEC61850规定,LD内部必须提供关于物理设备或者由其控制的外部设备的相关信息,LLN0代表LD的公共数据,LPHD代表物理设备的公共数据。此外,还需提供至少一个描述LD核心功能的LN。根据交流/直流充电桩功能,交流充电桩IED内,LD除了2个基本逻辑节点外,还包括扩展的充电桩功能逻辑节点EPIL和IEC61850标准中定义计量功能逻辑节点MMTR;直流充电桩IED内,除了与交流充电桩内功能模块相同的LD1外,还有充电机功能模块LD2与电池功能模块LD3,模型描述符合直流充电桩的实际功能。交流/直流充电桩IED模型如图6所示。3.3基于功能模型的建模设计环境温度、湿度、烟感、门禁等信息来自不同传感器,根据上述建模原则,可用一个功能集中的IED来包含多个逻辑设备LD,每个LD包含相应功能的逻辑节点。采用通用逻辑节点GGIO扩展DO,描述不同的传感器功能,如状态信息、告警信息等。4电动汽车充电站的通信模型和信息集成4.1体化智能集成系统,实现设备互联电动汽车充电站内信息集成由一体化智能汇集器完成。同时,一体化汇集器还必须具备通信方式转换功能。通过一体化智能汇集器,实现监控后台与各传感器间的监测信息和控制信息的传输。对站内非IEC61850通信的装置,对其建立逻辑映射关系,形成具备标准信息模型的IED。环境监测传感器种类与数目众多,不应使所有传感器都与后台监控系统通信,应在一体化汇集器内建立一个集成IED,收集各个传感器所采集的信息并集中上传,这些装置在一体化智能汇集器内表现为相应的IED。通过配置工具,按照IEC61850-6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CID文件并下发到一体化汇集器,实现对装置的自动接入和自动识别。其功能与配置过程如图7所示。因此,站内所有设备置于同一通信平台下,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IEC61850服务。4.2电动汽车充电站IEC61850-7-2为变电站应用领域定义了抽象的信息模型和服务模型。特定通信服务映射(SCSM)将抽象的通信服务、对象及相关参数映射到特定的应用协议。IEC61850-7-2中定义的抽象通信服务接口(ACSI)建立服务模型,通过SCSM为制造报文规范(MMS)报文,并以TCP/IP方式进行传输,IED信息通过MMS实现与后台信息交互。电动汽车充电站系统模型内配电、充电设备与对应的IED模型建立关联,实现对电动汽车充电站的监控。通信模型如图8所示。IEC61850标准规定了基于XML语言的变电站配置语言(SCL)。电动汽车充电站配置也采用SCL,通过系统配置工具集成电动汽车充电站系统模型、IED信息模型和通信模型,形成全站系统配置文件(SCD),监控系统根据配置参数实现与IED无缝通信。SCD文件分为5个主要元素:Header,Substation,DataTypeTemplates,Communication和IED。其中,Substation包含了充电站系统模型;IED描述了充电站内相关的智能电子设备,包括已在一体化汇集器内实现信息集成的IED,但不含其子设备;DataTypeTemplates定义了在IED中的数据模型,包含了充电站扩展逻辑节点及数据对象。这些元素各有其子元素和属性,层层包含,最终完成了对整个充电