基于IEC61850标准的电动汽车充换电站服务平台接口设计与实现

连湛伟，李洪峰，朱意霞，刘华锋，徐鹏

（1.国家电网许继集团许继电气技术中心，河南许昌 461000；2．国网电力科学研究院，江苏南京 210096）

目前，国内电动汽车充换电站系统的应用和实施尚处于探索示范阶段，充换电站通信网络与系统多采用面向点的专有通信协议进行通信，很难实现不同厂家设备之间的互操作和系统集成。IEC61850标准是面向对象的通信接口标准，其主要目标就是实现不同厂家智能相关电子设备之间的互操作[1]。

IEC61850标准的第二版作为面向电力公共事业的无缝通信协议标准，充分借鉴了变电站、电动汽车、新能源等领域的长期经验。IEC61850标准具有面向对象统一建模，面向通信系统的ACSI及各种特定通信服务映射SCSM、面向应用的自描述等特点，在不同制造商的智能电子设备（intelligent electronic device，IED）之间实现良好的互操作性，并且能够适应通信及应用技术的快速发展，在全世界范围内的相关领域受到广泛关注[2]。

本文对IEC61850标准的抽象通信服务接口进行了研究，对抽象通信服务接口对象模型到制造报文规范MMS（manufacturing message specification）映射进行了分析，提出了电动汽车充换电站的服务平台接口架构，并设计了电动汽车充换电设备的通信接口，实现了电动汽车充换电站的服务平台接口。

1 IEC61850标准抽象通信服务接口

电动汽车充换电站系统化的功能主要完成对站内充电设备、换电设备、配电设备等进行监视与控制。IEC61850第二版定义了抽象通信服务接口ACSI（abstract communication service interface）。基本涵盖了电力公共事业分布式能源部分的功能需求，并且提供了如何对模型中的数据进行读写、取代、报告、记录等服务[3]，对象服务模型如图1所示。

图1 ACSI服务模型Fig.1 Model for the service of ACSI

应用关联模型（association），控制着不同类型的设备间如何通信。逻辑设备模型（LD）是逻辑节点的组合。数据类模型（data），数据表示在自动化设备内应用程序有意义的信息。取代模型（substitution），支持用远方设定值取代过程值。定值组控制模块（SGCB）、定义如何切换定值区及修改定值的方法。

报告控制块和日志控制块模型，描述了基于客户设定参数的报告和日志产生的条件。日志由LCB控制，控制模型（control），描述了控制服务，如设备或参数的整定组切换，时间和时间同步模型（time），为设备和系统提供时间基准，具体在特定通信服务映射中实现。文件传输模型（file），提供从文件存储器传输文件和向文件存储器传输文件以及管理文件存储器[4-10]。

2 MMS在IEC61850标准中的应用

IEC61850在技术上的一个显著特点就是通过采用抽象通信服务接口ACSI映射到制造报文规范MMS来实现通信协议与应用及通信介质的分离。IEC61850标准中站控层和间隔层之间的通信采用抽象通信服务接口ACSI，具体实现映射到MMS。因此实现协议中规范的ACSI接口到MMS接口的映射是实现电动汽车充换电站服务接口平台的关键。

2.1 ACSI与MMS的关系

ACSI采用抽象的建模技术，为对象设备定义了公共应用服务，从而提供了通过虚拟镜像访问真实数据和真实设备的途径。虚拟的观点可用于描述设备的全部行为。ACSI与MMS的关系见图2。

图2 ACSI与MMS的关系Fig.2 Relation between MMS and ACSI

2.2 IEC61850与MMS映射

IEC61850-7第二版为分布式新能源应用领域定义了抽象的信息模型和服务模型。IEC61850-7-2中定义的所有抽象通信服务除了通用面向对象变电站事件（GOOSE）和采样值传输外均映射到应用层协议MMS。IEC61850-8-1第二版定义SCSM抽象的通信服务、对象及相关参数映射到特定的应用层协议，IEC 61850的信息模型和各种控制块分别映射到MMS的虚拟制造设备（VMD）、域（domain）、有名变量（named variable）、有名变量列表（named variable list）、日志（journal）和文件管理（file management）模型，服务则对应的映射到MMS类的服务。ACSI到MMS的映射关系如图3所示[11]。

图3 IEC61850与MMS映射Fig.3 IEC61850 and MMS mapping

3 电动汽车充换电站的服务接口平台架构

电动汽车充换电站系统加构见图4。基于IEC61850的充换电站系统为分层分布式系统，按逻辑功能可分为站控层、间隔层、过程层3层，其中站控层涉及的主要设备包括服务器、工作站及相关的网络设备；间隔层涉及的主要设备包括分箱充电机、换电设备、配电设备等其他设备；过程层涉及的相关设备包括车辆上的电池、换电站内的电池、充电架上的电池以及配电一次智能设备等，站控层与间隔层之间宜采用星型网络结构，各层内部宜采用星型连接，本部分提出了一种多层级服务接口的平台架构，该架构包括3层级，分别为：

1）过程层，该层是架构的最底层和执行层，管理对象为动力电池本身，其目标是保障用户的充电需求并降低充电费用。该层需要借助车载或非车载的智能终端实现电动汽车的充电过程的优化管理[11]。

2）间隔层，该层的管理对象为本地配电设备、车载设备、充电设备、换电设备及其他电源或负荷，该层的目标是实现电动汽车与其他负荷和电源的协调运行。

图4 电动汽车充换电站系统架构Fig.4 The System structure of electric vehicle charging-swapping station

3）站控层，该层的管理对象为多个充换电设施及电动汽车用户，该层通过充（换）电站监控系统平台实现，其目标是通过各设施或用户的协调管理实现。

3.1 电动汽车充换电站服务接口框架

服务接口总体设计遵循IEC61850抽象通信服务接口的设计思想，具体实现安装IEC61850标准的特定通信服务定义完成接口的设计，电动汽车充换电设施监控系统的接口开发主要是充换电设施客户端业务接口的开发，通信接口整体设计框架见图5。

图5 接口整体设计框架Fig.5 The structure of interface designing

3.2 电动汽车充换电设备接口定义3.2.1 分箱充电机

分箱充电机的数据传输统一由分箱充电机监控设备负责完成，充电机具体的充电电压充电电流按照模拟量方式通过定义IEC61850数据集采用周期报告的方式进行上传。充电机的告警信息按照状态量通过定义IEC61850数据集采用变位报告的方式进行上送。充电机对车充电的电池BMS信息通过定义IEC61850数据集采用周期报告的方式进行上传。充电机的启动停止充电命令采用IEC61850控制服务的接口方式进行控制命令。如表1所示。

表1 分箱充电机接口Tab.1 Interface of the battery pack charger

3.2.2 换电设备

换电设备的换电记录采用IEC61850文件服务接口方式，文件格式采用自定义的格式，按照IEC61850调用录波文件的方式进行调用。换电设备的控制启停操作采用IEC61850控制服务的接口方式进行控制命令。换电设备的告警信息按照状态量通过定义IEC61850数据集采用变位报告的方式进行上送。换电设备的位置信息按照模拟量，通过定义IEC61850数据集采用周期报告方式进行上送。如表2所示。

表2 换电设备通信接口Tab.2 Interface of the swapping equipment

4 关键技术及实现

基于上述的总体架构设计，采用C/C++语言，基于VC++6.0平台，设计实现了基于IEC61850的电动汽车充换电站的服务接口平台。在设计过程中，充分发挥了面向对象设计和编程技术的优势，实现了大量的组件和功能的复用，极大地增强了代码的可维护性。下面从电动汽车充换电站服务模块总体设计和服务模块接口设计2个方面进行说明。

4.1 服务模块总体设计

电动汽车充换电站的服务接口平台提供的服务分为2种类型的服务：一种是带确认的服务类型，该类型服务的请求由IEC61850客户端发起，IEC61850服务端响应客户端的请求。所有客户端主动发起的服务都设计为异步服务，客户端在回调通知里接收返回值。每个服务对应3个接口：

1）evc_service_req，对外开放的服务调用接口，该接口负责完成将客户端请求加到对象服务请求队列中，在未来的某个时间发送；

2）evc_service_req_handler，在handler接口里处理返回结果，并调用用户回调u_service_req_done，最后释放服务过程中申请的资源。

另一类服务类型是不带确认的服务接口，该类型服务的请求由IEC61850服务端发起，客户端接收服务类型数据。该类系的服务接口在IEC61850 TPAA类型的服务中只有报告Report一种服务。

4.2 服务模块接口设计

依据电动汽车充换电站充换电设备业务功能的实际需求，将服务平台划分为如下接口子模块。4.2.1 软件环境管理模块

本模块提供软件平台环境初始化和终止化、接收网络数据等接口。接口模块包括以下函数，如表3所示。

表3 软件环境管理模块Tab.3 Software environment management module

软件环境管理模块工作流程分3步：第一步是程序环境初始化，包括加载SCD配置文件；第二步用户回调函数设置；第三步启动网络接收线程等。

4.2.2 SCD文件解析模块

本模块根据SCD文件的内容，制定相应的模块数据对象类，类里面包括IED设备个数、数据模板节点及节点链表等。模块接口包含的基本处理函数，如表4所示。

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

SCD文件解析模块工作流程是首先打开SCD文件，然后按照服务器，逻辑设备，逻辑节点类型，逻辑节点及报告控制块和数据集进行解析，并把解析完成的数据对象存储到事先定义好的数据池中。

4.2.3 对象空间创建模块

依据SCD文件解析后，创建的缓冲类，进行IED设备的对象空间创建。模块接口包含的处理函数，如表5所示。

表5 对象空间创建模块Tab.5 Constructing the module of the object space

对象空间创建模块工作流程是按照文件解析的数据池，按照构建逻辑节点类型，实例化逻辑节点，构建逻辑设备及报告控制块和数据集，最终构建服务器。

4.2.4 站点管理模块

初始化或反初始化站点管理存储类，并通过SCD文件，更新IED设备的对象空间等。模块包含的接口函数，如表6所示。

表6 站点管理模块Tab.6 Station management module

站点管理模块详细工作流程如图6所示。

图6 站点管理模块流程Fig.6 Station management module process

4.2.5 对象管理模块

本模块负责完成IED对象空间的各种操作，快速访问空间对象，每个对象都通过对象ID的方式进行索引访问。模块包含的函数，如表7所示。

表7 对象管理模块Tab.7 Object management module

对象管理模块工作流程是将IEC 61850数据对象按照ID的形式存储并提取，通过列表中的函数接口快速访问空间对象。

4.2.6 读/写服务管理模块

本模块负责完成对象读/写服务处理，接口对应的函数，如表8所示。

表8 读/写服务管理模块Tab.8 Read/write management module

读写服务管理模块工作流程是首先构建读写服务数据块，同时向服务发送队列发送读写服务指令，发送指令前需要设置读写服务回调接口。

4.2.7 定值服务管理模块

本模块按照61850定值业务处理逻辑，定义定值服务接口，接口对应的函数，如表9所示。

定值服务管理模块工作流程是首先一定数量的定值区，然后设置当前定值区，对定值区可以进行切换和编辑。

4.2.8 报告服务管理模块

对平台来说，关联充换电设备IED报告控制块的一个实例，不管IED是隐式还是显式，平台只需配置相关报告控制块实例的参引，平台可以完成报告控制块的读写。接口对应的函数，如表10所示。

表9 定值服务管理模块Tab.9 Service setting management module

表10 报告服务管理模块Tab.10 Report management module

报告服务管理模块工作流程是首先通过报告实例对报告控制块进行使能，然后设置回调接口进行报告接收。

4.2.9 文件服务管理模块

本模块主要完成充换电记录存储文件的读写，接口报告的函数，文件服务管理模块工作流程是首先召唤文件列表，然后再依据文件列表的名称召唤文件。如表11所示。

表11 文件服务管理模块Tab.11 File management module

5 结语

从电动汽车充换电站实际情况出发，依据电动汽车充换电设施互操作性的需求，提出了电动汽车充换电站服务接口平台架构及充换电设施接口定义，设计了电动汽车充换电站的服务接口平台模块接口，为下一步电动汽车充换电站系统设计与开发提供了参考依据。

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