基于IEC 61850的电动汽车充电站远动通信建模

黎永昌，王 钢，梁远升，曾德辉



基于IEC 61850的电动汽车充电站远动通信建模

黎永昌，王 钢，梁远升，曾德辉

(华南理工大学电力学院, 广东 广州 510640)

为保障电动汽车充电站大规模接入情况下的配电网可靠稳定运行, 基于IEC61850标准展开电动汽车充电站与配电调度控制中心的远动通信建模研究｡依据典型电动汽车充电站的一次系统架构及通信系统构成, 提出了符合IEC61850标准的远动通信架构｡在分析总结电动汽车充电站远动通信需求的基础上，通过IEC61850-7-4以及IEC61850-7-420所定义逻辑节点构建远动通信模型｡ 搭建远动通信仿真平台进行测试，结果证明了该远动通信架构以及通信建模方案的有效性｡

电动汽车；充电站；IEC 61850；远动；通信建模

0 引言

随着电动汽车的推广普及，作为配套设施的电动汽车充电站(简称充电站)的规模以及数量不断增长，充电站负荷占配网总负荷的比重亦不断提高[1-2]。充电站负荷具有时空随机性强、负载变化率大以及谐波污染严重等特性，若不对其加以监视与控制，将严重影响配电网的电能质量以及可靠、经济运行，给配电网的调度管理带来更多的不确定性[3-5]。因此，配电调度控制中心亟需与区内各充电站进行远动通信，实时掌握电压、谐波、三相不平衡度等电气参数，以及时响应控制决策，从而确保配电网安全稳定运行、实现全局电能质量优化。上述远动通信的实现，重点在于建立合理的通信架构以及规范的通信模型。

目前针对充电站远动通信及其建模的报道主要侧重于通信方式以及组网方案的研究。文献[6]基于电力调度管理通信的需求分析研究了充电站参与调度通信的解决方案，并介绍了通信方式的选择以及各种通信技术的组合应用；文献[7]提出采用OPPC新型电力特种光缆、MSTP光纤通信网技术以及IP PBX话音数据一体技术的电动汽车充电站通信专网建设方案，以实现电动汽车充电站的线路保护、调度自动化以及计费计量系统通信。上述研究尚未深入至通信建模层面。

为满足在配网自动化系统中应用IEC61850以增强设备互操作性、减少安装和维护工作量的发展趋势[8]，本文基于IEC61850开展充电站远动通信建模研究，首先根据充电站的一次系统架构和通信系统构成进行远动通信架构的分析、设计，进而总结归纳该通信架构下的远动通信需求，通过IEC 61850-7-4以及IEC61850-7 -420所定义逻辑节点实现远动通信模型的构建，最终通过远动通信测试平台验证所提通信架构及建模方案的有效性。

1  远动通信架构

1.1 通信分层

典型充电站的一次系统架构如图1所示，包括供配电、充换电以及站用电等一次设备。其中供配电设备包括高压开关柜、配电变压器、有源滤波器以及无功补偿柜；充换电设备则包括低压开关柜、交直流充电桩以及快换机等。上述一次设备均配置有保护、测控相关的智能电子装置(简称保护、测控IED)，同时站内配置监控主机和远动通信装置(简称远动IED)分别实现全站监控管理以及远动通信。

图1 电动汽车充电站一次系统架构

根据IEC61850通信分层原则，将充电站内部通信系统划分为站控层、间隔层以及过程层，如图2所示。站控层由监控主机、远动IED构成，间隔层则包括冲换电设备、供配电设备的保护测控IED，过程层对应断路器、隔离开关等开关设备智能终端以及互感器合并单元等设备。远方的配电调度控制中心则划分为远动层。由此形成由远动层、站控层、间隔层以及过程层组成的充电站分层通信架构。

在此分层通信架构下，间隔层的保护、测控IED通过过程总线上传输的SV和GOOSE报文实现对过程层设备的测量、状态监视、保护与控制。监控主机和远动IED则通过站层总线与间隔层的保护、测控IED进行站层通信，以汇总间隔层IED的保护、测量以及状态信息并下发相关调控指令。同时，远动IED通过调度通信网与位于远动层的配电调度控制中心交互信息。

图2 电动汽车充电站远动通信架构

1.2 远动IED通信范围

配电网自动化系统中与配电调度控制中心进行通信的远动终端数量极大，为保障配电调度控制中心的通信、管理决策效率，远动终端应尽量精简其通信内容。

充电站远动IED的通信内容与其在间隔层的通信范围有关。间隔层中，充电柜、充电桩等充换电设备保护、测控IED的通信数据量大且与配电运行管理联系不大，应仅与站内的监控主机交互，不参与远动通信；而变压器、高压开关柜、有源滤波柜器以及无功补偿柜等供配电设备保护、测控IED的通信信息涉及到配电网的运行管理，如电能质量监控、故障定位、隔离以及恢复等，应由远动IED进行汇总、转发。

因此，本文限定远动IED在间隔层的通信范围为供配电设备的保护、测控IED，如图2虚线框所示，以减少远动信息冗余、优化通信和监控效率。

1.3 通信映射

为适应通信技术的快速发展，IEC61850设计了抽象通信服务接口(ACSI)以及特殊通信服务映射(SCSM)，实现抽象信息模型与具体通信协议的分离。其中ACSI仅仅是抽象概念的通信对象与服务的集合，需要通过SCSM映射至具体通信协议的对象与服务才能实现通信功能。

实际应用中，IEC61850推荐将站层通信映射至以高实时性以及强大性能而著称的制造业报文规范(MMS)。目前亦有研究证明了MMS应用在远动通信中的可行性[9]。因此，在上述充电站远动通信架构下，本文将远动IED的站层通信以及远动通信均映射至MMS。

2  充电站远动通信需求

远动通信主要为遥测、遥信、遥控、遥调以及保护等信息的交换。为方便远动通信IEC61850模型的构建，本文根据IEC61850将功能进行模块化分解、组合的信息建模原则，对前述远动通信范围所涉及的通信信息进行归纳、分类：

2) 测量和计量信息，包括该充电站配电变压器的电压、电流、功率以及全站谐波含量、功率因数、计量、扰动记录信息。

3) 状态和控制信息，包括：高压开关柜内各隔离开关和断路器的位置状态、无功补偿设备的投运状态以及状态变位SOE信息；各隔离开关、断路器、无功补偿设备的控制信息。

4) 保护信息，供配电设备的保护配置和告警信息，以及保护动作SOE信息。

3  远动通信建模

IEC61850远动通信模型的建立，主要是依据上述远动通信需求进行“服务器-逻辑设备-逻辑节点-数据对象”层次的内容组织。

3.1 服务器以及逻辑设备

IEC61850中的服务器模型一般根据通信接入点的数量进行设置。远动IED与配电调度控制中心、供配电设备保护测控IED分别进行远动通信、站层通信，相对应地，在信息模型中设置远动通信接入点服务器S1以及站层通信接入点服务器S2。

服务器模型的内部，根据功能分类，下设一个或多个逻辑设备，其中每个逻辑设备代表着一组实际功能，其内部包含与实际功能相关的逻辑节点。对于远动通信服务器S1，依据远动通信需求分类配置逻辑设备，对应关系如表1所示。

表1 逻辑设备定义

站层通信服务器S2则根据充电站间隔层供配电设备保护测控IED建模，每台实际的IED对应S2接入点下的一个逻辑设备，以方便管理。

由图2可知，电压互感器1、2、3、4、5、6、7、8、9和11号A相的量测数据序列之间的平均欧氏距离均小于阈值，而电压互感器10的量测数据序列与上述电压互感的量测数据序列的平均欧氏距离大于阈值，由此可以判定电压互感器10，也就是宾叙一线A相的电压互感器发生故障。

3.2 逻辑节点以及数据对象

作为通信模型的核心，逻辑节点代表着通信设备的基本功能，是信息建模中最为重要的部分。本文重点分析远动通信S1接入点下属各逻辑设备的逻辑节点及数据对象配置。

(1) 公共逻辑设备LD0下属逻辑节点

公共逻辑设备LD0应设置包含充电站基础信息的逻辑节点，用于向调度控制中心提供整体概况。

目前IEC61850中尚未存在针对充电站的逻辑节点定义，但充电站地理位置分散、负荷波动性强以及谐波、无功问题突出的特性与分布式电源非常相似。对配网控制中心而言，可以将充电站等效为特殊的分布式能源，从而采取与分布式电源类似的无功、谐波监控策略。因此，本文使用IEC61850-7 -420中定义的分布式能源通信逻辑节点对充电站远动基本信息进行建模。

IEC61850-7-420中定义了DER逻辑节点类以及ECP逻辑节点类[10]，分别用于分布式能源发电站内单个分布式能源的监控通信建模以及分布式能源发电站的并网点监控通信建模。本文采用ECP逻辑节点类对通信需求框架中的基础信息进行建模，具体对应关系如下：

1) 充电站铭牌信息。采用企业信息逻辑节点DCRP，该逻辑节点下设有所有者Ownership以及位置Location数据对象，用于充电站的身份辨识。

2) 充电站操作信息。采用连接点操作信息逻辑节点DOPR，用于提供充电站供配电设备的操作信息，下设接入点类型以及接入点电气量限制定值等数据对象。

其中，接入点类型ECPType用于提示配电调度控制中心该接入点对应充电站负荷。鉴于IEC 61850-7-420没有定义电动汽车充电站的接入类型，本文对其进行数据对象取值扩展。扩展后的取值定义见表2，其中自定义了取值“5”对应充电站接入当地配电网。可以看到，该数据对象取值范围内仍有大量取值未使用，可供未来不同类型充电站接入情况下的取值定义。

接入点电气量限制定值为配电调度控制中心提供运行特性参数，包括功率、电压以及频率限制定值。

表2 接入点类型定义

3) 充电站整体运行状态。采用ECP状态逻辑节点DPST，下设ECPConn数据对象提供实时运行状态信息。

(2) 测量逻辑设备下属逻辑节点

为充分满足电气测量、计量需要，于测量逻辑设备下设MMXU测量、MMTR计量、MHAI谐波以及RDRE扰动记录逻辑节点。

MMXU用于配电变压器高压侧的电气量数据的记录，其数据对象包含各相电压、电流；各相有功、无功、视在功率；平均功率因数、相功率因数以及频率。MMTR为计量逻辑节点，其记录对象包括视在电能、有功电能以及无功电能。MHAI则主要用于记录由于充电站内整流设备工作产生的奇次谐波以及间谐波。RDRE是具有扰动记录功能的逻辑节点，实现录波数据的记录。以上逻辑节点的数据来源是测量用电压、电流互感器逻辑节点TVTR和TCTR。

(3) 控制逻辑设备下属逻辑节点

控制逻辑设备用于实现配电调度控制中心对充电站内配电变压器高压侧断路器、隔离开关以及低压侧无功补偿设备进行的遥控和遥调操作。

对断路器和隔离开关的遥控操作，涉及CSWI、XCBR以及XSWI逻辑节点。XCBR和XSWI逻辑节点对应断路器和隔离开关物理设备，而CSWI逻辑节点作为开关控制器向XCBR逻辑节点和XSWI逻辑节点发出控制指令。闭锁功能对应逻辑节点CILO，遥控开入、遥控自检以及软压板则通过通用输入输出逻辑节点GGIO实现。

另外，为实现配电调度控制中心对充电站内无功补偿设备的控制，设置无功控制逻辑节点ARCO。

(4) 保护逻辑设备下属逻辑节点

保护逻辑设备向配电调度控制中心提供充电站供配电设备的保护配置、定值以及告警、动作信息。

保护逻辑设备下属逻辑节点与充电站具体保护配置有关，如PTOC过流保护、PTUV低压保护等。在配置相关保护原理的逻辑节点时，使用电压互感器TVTR以及电流互感器TCTR提供保护用测量信息。保护出口以保护跳闸逻辑逻辑节点PTRC实现，保护开入、自检以及告警则使用逻辑节点GGIO。

图3 充电站远动IED的SCL配置信息

3.3 实例建模

基于上述通信建模分析，采用SCLbuilder工具对图1所示典型电动汽车充电站中的远动IED进行通信模型配置。最终的SCL配置信息如图3所示，名为EV_TelRTU的IED下属MMS远动通信接入点S1，S1下属逻辑设备以及逻辑节点的配置如前文所分析，充电站远动通信需求在该通信模型中均得到了体现。

4  远动通信测试

为验证本文所提出的分层分区通信架构以及信息建模方案的有效性，搭建如图4所示测试平台进行通信测试。

图4 通信测试平台

测试平台包括配电调度中心的通信前置机、远动IED、保护测控装置以及交换机等网络设备。通信前置机为运行MMS客户端的PC主机，同时使用Wireshark网络报文分析软件记录通信报文以供分析验证。远动IED以及间隔层供配电设备保护测控装置DPMC1/2/3均为高性能嵌入式智能电子装置，于Linux系统平台使用MMS-EASE Lite套件进行MMS通信。

通信测试内容覆盖远动IED与通信前置机的通信初始化以及报告上送、远方控制、文件传输服务。以通信前置机与远动IED的通信初始化为例，二者建立通信链接后，通信前置机通过读服务器目录、读逻辑设备目录、读逻辑节点目录等ACSI服务获取远动IED的通信模型信息，图5所示为读逻辑设备服务(经SCSM映射至MMS的读有名变量表服务getNameList)的返回报文，经解析可知读取了名为EV_TelRTU的IED下属的4个逻辑设备，与图3中的远动IED模型配置信息一致。

通信初始化后，远动IED顺利通过报告服务向通信前置机上送遥测量、状态量、保护动作以及告警信号，并在故障发生后通过文件传输服务上传录波以及故障报告文件至通信前置机；而通信前置机则通过远方控制服务实现了对断路器、隔离开关以及无功补偿装置的控制，证明了本文所提远动通信架构以及通信建模方案的有效性。

图5 读逻辑设备服务返回报文

5  结论

电动汽车充电站与配电调度控制中心的可靠远动通信有利于配网的安全可靠运行以及全局电能质量优化。本文研究电动汽车充电站的远动通信建模，提出了遵循IEC61850标准的充电站远动通信架构，并划定远动IED在间隔层的通信范围以减少信息冗余、提高通信和管理效率，进而总结远动通信需求、进行模型分析和实例建模，最终通过通信测试证明了所提远动通信架构和通信建模方案的有效性。

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(编辑 张爱琴)

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

国家自然科学基金资助项目(51477057)

2015-05-04

黎永昌(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为IEC61850、数字化变电站；E-mail: 394757534@qq.com

王 钢(1966-)，男，通信作者，博士，教授，研究方向为电力系统保护与控制；E-mail: wangg@scut.edu.cn

梁远升(1980-)，男，博士，讲师，研究方向为数字化变电站、IEC61850。E-mail: yshliang@scut.edu.cn