連湛偉，李洪峰，朱意霞，劉華鋒，徐鵬

（1.國家電網(wǎng)許繼集團許繼電氣技術(shù)中心，河南許昌 461000；2．國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇南京 210096）

目前，國內(nèi)電動汽車充換電站系統(tǒng)的應用和實施尚處于探索示范階段，充換電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)多采用面向點的專有通信協(xié)議進行通信，很難實現(xiàn)不同廠家設(shè)備之間的互操作和系統(tǒng)集成。IEC61850標準是面向?qū)ο蟮耐ㄐ沤涌跇藴?，其主要目標就是實現(xiàn)不同廠家智能相關(guān)電子設(shè)備之間的互操作[1]。

IEC61850標準的第二版作為面向電力公共事業(yè)的無縫通信協(xié)議標準，充分借鑒了變電站、電動汽車、新能源等領(lǐng)域的長期經(jīng)驗。IEC61850標準具有面向?qū)ο蠼y(tǒng)一建模，面向通信系統(tǒng)的ACSI及各種特定通信服務(wù)映射SCSM、面向應用的自描述等特點，在不同制造商的智能電子設(shè)備（intelligent electronic device，IED）之間實現(xiàn)良好的互操作性，并且能夠適應通信及應用技術(shù)的快速發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[2]。

本文對IEC61850標準的抽象通信服務(wù)接口進行了研究，對抽象通信服務(wù)接口對象模型到制造報文規(guī)范MMS（manufacturing message specification）映射進行了分析，提出了電動汽車充換電站的服務(wù)平臺接口架構(gòu)，并設(shè)計了電動汽車充換電設(shè)備的通信接口，實現(xiàn)了電動汽車充換電站的服務(wù)平臺接口。

1 IEC61850標準抽象通信服務(wù)接口

電動汽車充換電站系統(tǒng)化的功能主要完成對站內(nèi)充電設(shè)備、換電設(shè)備、配電設(shè)備等進行監(jiān)視與控制。IEC61850第二版定義了抽象通信服務(wù)接口ACSI（abstract communication service interface）?；竞w了電力公共事業(yè)分布式能源部分的功能需求，并且提供了如何對模型中的數(shù)據(jù)進行讀寫、取代、報告、記錄等服務(wù)[3]，對象服務(wù)模型如圖1所示。

圖1 ACSI服務(wù)模型Fig.1 Model for the service of ACSI

應用關(guān)聯(lián)模型（association），控制著不同類型的設(shè)備間如何通信。邏輯設(shè)備模型（LD）是邏輯節(jié)點的組合。數(shù)據(jù)類模型（data），數(shù)據(jù)表示在自動化設(shè)備內(nèi)應用程序有意義的信息。取代模型（substitution），支持用遠方設(shè)定值取代過程值。定值組控制模塊（SGCB）、定義如何切換定值區(qū)及修改定值的方法。

報告控制塊和日志控制塊模型，描述了基于客戶設(shè)定參數(shù)的報告和日志產(chǎn)生的條件。日志由LCB控制，控制模型（control），描述了控制服務(wù)，如設(shè)備或參數(shù)的整定組切換，時間和時間同步模型（time），為設(shè)備和系統(tǒng)提供時間基準，具體在特定通信服務(wù)映射中實現(xiàn)。文件傳輸模型（file），提供從文件存儲器傳輸文件和向文件存儲器傳輸文件以及管理文件存儲器[4-10]。

2 MMS在IEC61850標準中的應用

IEC61850在技術(shù)上的一個顯著特點就是通過采用抽象通信服務(wù)接口ACSI映射到制造報文規(guī)范MMS來實現(xiàn)通信協(xié)議與應用及通信介質(zhì)的分離。IEC61850標準中站控層和間隔層之間的通信采用抽象通信服務(wù)接口ACSI，具體實現(xiàn)映射到MMS。因此實現(xiàn)協(xié)議中規(guī)范的ACSI接口到MMS接口的映射是實現(xiàn)電動汽車充換電站服務(wù)接口平臺的關(guān)鍵。

2.1 ACSI與MMS的關(guān)系

ACSI采用抽象的建模技術(shù)，為對象設(shè)備定義了公共應用服務(wù)，從而提供了通過虛擬鏡像訪問真實數(shù)據(jù)和真實設(shè)備的途徑。虛擬的觀點可用于描述設(shè)備的全部行為。ACSI與MMS的關(guān)系見圖2。

圖2 ACSI與MMS的關(guān)系Fig.2 Relation between MMS and ACSI

2.2 IEC61850與MMS映射

IEC61850-7第二版為分布式新能源應用領(lǐng)域定義了抽象的信息模型和服務(wù)模型。IEC61850-7-2中定義的所有抽象通信服務(wù)除了通用面向?qū)ο笞冸娬臼录℅OOSE）和采樣值傳輸外均映射到應用層協(xié)議MMS。IEC61850-8-1第二版定義SCSM抽象的通信服務(wù)、對象及相關(guān)參數(shù)映射到特定的應用層協(xié)議，IEC 61850的信息模型和各種控制塊分別映射到MMS的虛擬制造設(shè)備（VMD）、域（domain）、有名變量（named variable）、有名變量列表（named variable list）、日志（journal）和文件管理（file management）模型，服務(wù)則對應的映射到MMS類的服務(wù)。ACSI到MMS的映射關(guān)系如圖3所示[11]。

圖3 IEC61850與MMS映射Fig.3 IEC61850 and MMS mapping

3 電動汽車充換電站的服務(wù)接口平臺架構(gòu)

電動汽車充換電站系統(tǒng)加構(gòu)見圖4?；贗EC61850的充換電站系統(tǒng)為分層分布式系統(tǒng)，按邏輯功能可分為站控層、間隔層、過程層3層，其中站控層涉及的主要設(shè)備包括服務(wù)器、工作站及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；間隔層涉及的主要設(shè)備包括分箱充電機、換電設(shè)備、配電設(shè)備等其他設(shè)備；過程層涉及的相關(guān)設(shè)備包括車輛上的電池、換電站內(nèi)的電池、充電架上的電池以及配電一次智能設(shè)備等，站控層與間隔層之間宜采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各層內(nèi)部宜采用星型連接，本部分提出了一種多層級服務(wù)接口的平臺架構(gòu)，該架構(gòu)包括3層級，分別為：

1）過程層，該層是架構(gòu)的最底層和執(zhí)行層，管理對象為動力電池本身，其目標是保障用戶的充電需求并降低充電費用。該層需要借助車載或非車載的智能終端實現(xiàn)電動汽車的充電過程的優(yōu)化管理[11]。

2）間隔層，該層的管理對象為本地配電設(shè)備、車載設(shè)備、充電設(shè)備、換電設(shè)備及其他電源或負荷，該層的目標是實現(xiàn)電動汽車與其他負荷和電源的協(xié)調(diào)運行。

圖4 電動汽車充換電站系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 The System structure of electric vehicle charging-swapping station

3）站控層，該層的管理對象為多個充換電設(shè)施及電動汽車用戶，該層通過充（換）電站監(jiān)控系統(tǒng)平臺實現(xiàn)，其目標是通過各設(shè)施或用戶的協(xié)調(diào)管理實現(xiàn)。

3.1 電動汽車充換電站服務(wù)接口框架

服務(wù)接口總體設(shè)計遵循IEC61850抽象通信服務(wù)接口的設(shè)計思想，具體實現(xiàn)安裝IEC61850標準的特定通信服務(wù)定義完成接口的設(shè)計，電動汽車充換電設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)的接口開發(fā)主要是充換電設(shè)施客戶端業(yè)務(wù)接口的開發(fā)，通信接口整體設(shè)計框架見圖5。

圖5 接口整體設(shè)計框架Fig.5 The structure of interface designing

3.2 電動汽車充換電設(shè)備接口定義3.2.1 分箱充電機

分箱充電機的數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一由分箱充電機監(jiān)控設(shè)備負責完成，充電機具體的充電電壓充電電流按照模擬量方式通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用周期報告的方式進行上傳。充電機的告警信息按照狀態(tài)量通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用變位報告的方式進行上送。充電機對車充電的電池BMS信息通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用周期報告的方式進行上傳。充電機的啟動停止充電命令采用IEC61850控制服務(wù)的接口方式進行控制命令。如表1所示。

表1 分箱充電機接口Tab.1 Interface of the battery pack charger

3.2.2 換電設(shè)備

換電設(shè)備的換電記錄采用IEC61850文件服務(wù)接口方式，文件格式采用自定義的格式，按照IEC61850調(diào)用錄波文件的方式進行調(diào)用。換電設(shè)備的控制啟停操作采用IEC61850控制服務(wù)的接口方式進行控制命令。換電設(shè)備的告警信息按照狀態(tài)量通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用變位報告的方式進行上送。換電設(shè)備的位置信息按照模擬量，通過定義IEC61850數(shù)據(jù)集采用周期報告方式進行上送。如表2所示。

表2 換電設(shè)備通信接口Tab.2 Interface of the swapping equipment

4 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

基于上述的總體架構(gòu)設(shè)計，采用C/C++語言，基于VC++6.0平臺，設(shè)計實現(xiàn)了基于IEC61850的電動汽車充換電站的服務(wù)接口平臺。在設(shè)計過程中，充分發(fā)揮了面向?qū)ο笤O(shè)計和編程技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了大量的組件和功能的復用，極大地增強了代碼的可維護性。下面從電動汽車充換電站服務(wù)模塊總體設(shè)計和服務(wù)模塊接口設(shè)計2個方面進行說明。

4.1 服務(wù)模塊總體設(shè)計

電動汽車充換電站的服務(wù)接口平臺提供的服務(wù)分為2種類型的服務(wù)：一種是帶確認的服務(wù)類型，該類型服務(wù)的請求由IEC61850客戶端發(fā)起，IEC61850服務(wù)端響應客戶端的請求。所有客戶端主動發(fā)起的服務(wù)都設(shè)計為異步服務(wù)，客戶端在回調(diào)通知里接收返回值。每個服務(wù)對應3個接口：

1）evc_service_req，對外開放的服務(wù)調(diào)用接口，該接口負責完成將客戶端請求加到對象服務(wù)請求隊列中，在未來的某個時間發(fā)送；

2）evc_service_req_handler，在handler接口里處理返回結(jié)果，并調(diào)用用戶回調(diào)u_service_req_done，最后釋放服務(wù)過程中申請的資源。

另一類服務(wù)類型是不帶確認的服務(wù)接口，該類型服務(wù)的請求由IEC61850服務(wù)端發(fā)起，客戶端接收服務(wù)類型數(shù)據(jù)。該類系的服務(wù)接口在IEC61850 TPAA類型的服務(wù)中只有報告Report一種服務(wù)。

4.2 服務(wù)模塊接口設(shè)計

依據(jù)電動汽車充換電站充換電設(shè)備業(yè)務(wù)功能的實際需求，將服務(wù)平臺劃分為如下接口子模塊。4.2.1 軟件環(huán)境管理模塊

本模塊提供軟件平臺環(huán)境初始化和終止化、接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等接口。接口模塊包括以下函數(shù)，如表3所示。

表3 軟件環(huán)境管理模塊Tab.3 Software environment management module

軟件環(huán)境管理模塊工作流程分3步：第一步是程序環(huán)境初始化，包括加載SCD配置文件；第二步用戶回調(diào)函數(shù)設(shè)置；第三步啟動網(wǎng)絡(luò)接收線程等。

4.2.2 SCD文件解析模塊

本模塊根據(jù)SCD文件的內(nèi)容，制定相應的模塊數(shù)據(jù)對象類，類里面包括IED設(shè)備個數(shù)、數(shù)據(jù)模板節(jié)點及節(jié)點鏈表等。模塊接口包含的基本處理函數(shù)，如表4所示。

表4 SCD文件解析模塊Tab.4 SCD File analyzing module

SCD文件解析模塊工作流程是首先打開SCD文件，然后按照服務(wù)器，邏輯設(shè)備，邏輯節(jié)點類型，邏輯節(jié)點及報告控制塊和數(shù)據(jù)集進行解析，并把解析完成的數(shù)據(jù)對象存儲到事先定義好的數(shù)據(jù)池中。

4.2.3 對象空間創(chuàng)建模塊

依據(jù)SCD文件解析后，創(chuàng)建的緩沖類，進行IED設(shè)備的對象空間創(chuàng)建。模塊接口包含的處理函數(shù)，如表5所示。

表5 對象空間創(chuàng)建模塊Tab.5 Constructing the module of the object space

對象空間創(chuàng)建模塊工作流程是按照文件解析的數(shù)據(jù)池，按照構(gòu)建邏輯節(jié)點類型，實例化邏輯節(jié)點，構(gòu)建邏輯設(shè)備及報告控制塊和數(shù)據(jù)集，最終構(gòu)建服務(wù)器。

4.2.4 站點管理模塊

初始化或反初始化站點管理存儲類，并通過SCD文件，更新IED設(shè)備的對象空間等。模塊包含的接口函數(shù)，如表6所示。

表6 站點管理模塊Tab.6 Station management module

站點管理模塊詳細工作流程如圖6所示。

圖6 站點管理模塊流程Fig.6 Station management module process

4.2.5 對象管理模塊

本模塊負責完成IED對象空間的各種操作，快速訪問空間對象，每個對象都通過對象ID的方式進行索引訪問。模塊包含的函數(shù)，如表7所示。

表7 對象管理模塊Tab.7 Object management module

對象管理模塊工作流程是將IEC 61850數(shù)據(jù)對象按照ID的形式存儲并提取，通過列表中的函數(shù)接口快速訪問空間對象。

4.2.6 讀/寫服務(wù)管理模塊

本模塊負責完成對象讀/寫服務(wù)處理，接口對應的函數(shù)，如表8所示。

表8 讀/寫服務(wù)管理模塊Tab.8 Read/write management module

讀寫服務(wù)管理模塊工作流程是首先構(gòu)建讀寫服務(wù)數(shù)據(jù)塊，同時向服務(wù)發(fā)送隊列發(fā)送讀寫服務(wù)指令，發(fā)送指令前需要設(shè)置讀寫服務(wù)回調(diào)接口。

4.2.7 定值服務(wù)管理模塊

本模塊按照61850定值業(yè)務(wù)處理邏輯，定義定值服務(wù)接口，接口對應的函數(shù)，如表9所示。

定值服務(wù)管理模塊工作流程是首先一定數(shù)量的定值區(qū)，然后設(shè)置當前定值區(qū)，對定值區(qū)可以進行切換和編輯。

4.2.8 報告服務(wù)管理模塊

對平臺來說，關(guān)聯(lián)充換電設(shè)備IED報告控制塊的一個實例，不管IED是隱式還是顯式，平臺只需配置相關(guān)報告控制塊實例的參引，平臺可以完成報告控制塊的讀寫。接口對應的函數(shù)，如表10所示。

表9 定值服務(wù)管理模塊Tab.9 Service setting management module

表10 報告服務(wù)管理模塊Tab.10 Report management module

報告服務(wù)管理模塊工作流程是首先通過報告實例對報告控制塊進行使能，然后設(shè)置回調(diào)接口進行報告接收。

4.2.9 文件服務(wù)管理模塊

本模塊主要完成充換電記錄存儲文件的讀寫，接口報告的函數(shù)，文件服務(wù)管理模塊工作流程是首先召喚文件列表，然后再依據(jù)文件列表的名稱召喚文件。如表11所示。

表11 文件服務(wù)管理模塊Tab.11 File management module

5 結(jié)語

從電動汽車充換電站實際情況出發(fā)，依據(jù)電動汽車充換電設(shè)施互操作性的需求，提出了電動汽車充換電站服務(wù)接口平臺架構(gòu)及充換電設(shè)施接口定義，設(shè)計了電動汽車充換電站的服務(wù)接口平臺模塊接口，為下一步電動汽車充換電站系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)提供了參考依據(jù)。

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