一种基于IEC61499的电动汽车有序充电控制系统的搭建方法

一种基于iec61499的电动汽车有序充电控制系统的搭建方法
技术领域
1.本发明属于电动汽车充电技术领域，具体涉及一种基于iec61499的电动汽车有序充电控制系统的搭建方法。


背景技术：

2.随着物联网技术和绿色低碳经济的推广，电动汽车的发展和控制系统的智能化需求也不断提升，但大规模的电动汽车就像一个个小型的电容或者电源，将不断的与电网进行能量交换。目前，电动汽车充电方式基本采用即插即充方式，并且在时间和空间上具有随机性和相似性，没有考虑对电网的影响，可能产生“峰上加峰”的情况，这必然会加重配电网负担。
3.现代工业自动控制系统大多数是分布式系统，传统的分布式控制系统的设计过程是：1、需求分析；2、确定分散控制设备的数量，位置和实现的功能定义；3、确定网络类型和协议，协议中还包括设备之间数据接口，相互交互方式(网络api)；4、分别设计各个设备的程序，联调系统。
4.传统的控制软件的设计相对难度比较大，所以软件的组件化，可重复使用就显得非常重要。在工业控制领域中，plc是被广泛使用的控制器，并在1992年制定了相关国际标准iec61131。在传统plc梯形图中，功能块程序设计方法有利于软件的组件化，可重复使用，又不失去灵活性，使控制工程师关注控制过程本身，而不是纠结程序设计的细节。但对于复杂的控制系统，梯形图就难以建模，这就需要功能块图形编程。在梯形图的基础上，plc厂商又逐步采纳了结构化文本和基于功能块的图形化程序设计方法，并且制定了plc的技术标准(iec61131-3)，但是iec61131-3的功能块编程发展缓慢，无法满足复杂工业控制越来越多的需求，也没有体现软件工程的技术进步。
5.在分布式充电站中,分散的交流充电桩控制器对电动汽车的充电过程进行控制,充电桩控制系统对充电桩控制器进行集中管理。所以如何针对分布式充电站设计一套电动汽车有序充电控制系统，对保障电动汽车电能供给和电网运行安全，提升电网设备利用率，给用户带来利益有重要的现实意义。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于iec61499的电动汽车有序充电控制系统的搭建方法，其目的在于满足复杂工业控制越来越多的需求。
7.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
8.一种基于iec61499的电动汽车有序充电控制系统的搭建方法，包括：
9.采用4diac-ide分布式应用开发环境搭建包含电动汽车有序充电控制方法的有序充电控制功能块；
10.将有序充电控制功能块放入有序充电控制库，所述有序充电控制库还包括基本功能块、通讯功能块、数字逻辑功能块和数学运算功能块；
11.在4diac-ide分布式应用开发环境下调用有序充电控制库，对有序充电控制库中的功能块编译生成电动汽车有序充电控制应用程序文件；
12.在电动汽车充电桩控制器底层设备上运行基于iec61499标准的forte运行时环境，实现电动汽车有序充电控制应用程序文件对电动汽车充电桩控制器的有序充电控制；
13.电动汽车充电桩控制器底层设备的驱动单元响应电动汽车有序充电控制任务，完成电动汽车有序充电控制系统搭建，对多个电动汽车充电桩控制器的协同控制。
14.进一步地，所述搭建包含电动汽车有序充电控制方法的有序充电控制功能块，具体为：
15.将电动汽车有序充电控制模型封装到所述有序充电控制功能块中，所述电动汽车有序充电控制模型包括计算模型和优化模型；
16.所述计算模型如下：
[0017][0018]
其中，
[0019][0020]
f2＝min[max(p
lk
')-min(p
lk
')]
[0021][0022]
p
lk
+pk《p
t
[0023][0024]
式中，f为计算模型的总目标函数；f1为台区电网含电动汽车充电负荷的负荷波动方差；f2为台区电网含电动汽车充电负荷曲线的峰谷差；f3为电动汽车参与调度时的充电成本；f
10
为台区电网不含电动汽车充电负荷的负荷波动方差，通过日前负荷预测得到；p
t
为变压器的额定功率；f
30
为电动汽车未参与调度时的充电成本；α1为电网的负荷波动方差的权重系数，α2为电网负荷曲线峰谷差的权重系数，α3为电动汽车充电成本权重系数，且α1+α2+α3＝1；p
lk
为台区电网不含电动汽车充电负荷的第k时段负荷；pk为第k个时间段充电站的充电功率；p
av
为不含电动汽车充电负荷的台区电网日平均负荷；max(p
lk
')为含电动汽车充电负荷的台区电网负荷峰值；min(p
lk
')为含电动汽车充电负荷的台区电网负荷谷值；xi为该充电桩第i个最小充电时间单元的工作状态，“1”表示工作，“0”表示不工作；qi为第i最小充电时间单元的电网电价；pc为充电桩的充电功率；δt为最小充电时间单元的时间间隔大小；t为当前车辆充电的总共用时；c
n,end
为第n辆电动汽车的预期充电结束时的电量；c
n,sart
为第n辆电动汽车的开始充电时的电量；c
n,max
为第n辆电动汽车的最大可容纳电量；
[0025]
所述优化模型如下：
[0026]vid
＝ω*v
id
+c1*rand()*(p
id-x
id
)+c2*rand()*(p
ig-x
id
)
[0027][0028][0029][0030][0031]
式中，v
id
为粒子群算法中第d组种群的第i维的速度矢量；ω为粒子群算法中的惯性权重系数；c1为粒子群算法中的认知学习因子；c2为粒子群算法中的社会学习因子；p
id
为第d组种群第i维的最优位置；x
id
为当前第d组种群第i维的粒子位置；p
ig
为当前计算的最优解的第i维的粒子位置；s(v
id
)表示位置x
id
取1的概率；f(n)为第i个种群被选择的概率；fpd为人工蜂群算法中第d组的最优适应度；x
id’为计算得到的新粒子的位置；为步长取值范围为[-1,1]；pg为种群粒子最优位置。
[0032]
进一步地，所述在4diac-ide分布式应用开发环境下调用有序充电控制库，具体为：
[0033]
采用动态链接的方式调用有序充电控制库。
[0034]
进一步地，所述电动汽车充电桩控制器包括北向接口和南向接口；
[0035]
所述北向接口包括2路以太网接口和4g/5g模块接口；
[0036]
所述南向接口包括6路rs485接口、1路can接口、2路i2c接口、2路spi接口、1路usb2.0接口、4路pwm3路以太网接口以及最高可达103路的gpio接口。
[0037]
进一步地，所述北向接口与主站通过网线或4g/5g进行通讯连接，交换数据中心数据。
[0038]
进一步地，所述南向接口通过rs485与台区变压器通讯读取当前台区用电数据，通过can与各充电桩通讯，通过wifi/bt与用户手机通讯。
[0039]
进一步地，所述电动汽车充电桩控制器使用linux操作系统。
[0040]
进一步地，通过tcp协议实现电动汽车有序充电控制应用程序文件对电动汽车充电桩控制器的有序充电控制。
[0041]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0042]
1.本发明采用iec 61499标准的工业软件开发标准，采用图形化的应用程序开发方式，使工业控制软件封装成为功能块形式的软件组件，使得开发任务清晰明确，开发人员不再关心设备之间的接口和通信，避免传统分布式系统开发碎片化，提高的程序开发的效率，便于开发人员交流、维护。
[0043]
2.本发明支持开放型功能块库的开发，可根据充电桩控制器需求，在有序充电功能块库增加自定义功能块，并通过图形化界面搭建后，一键部署即可直接运行，无需手动编写控制程序代码，提高算法的开发效率，也避免了手动编码所引入的错误。
[0044]
3.本发明采用的eclipse 4diac分布式工业自动化控制软件提供实时数据回显功能，支持在线调参，加快控制算法调试过程。
[0045]
4.本发明基于eclipse 4diac分布式工业自动化控制软件进行开发，解决传统电动汽车有序充电控制系统集中式开发模式的灵活性不足与扩展性差的问题。
[0046]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1为基于iec61499的电动汽车有序充电控制系统的搭建方法流程图；
[0049]
图2为功能块结构；
[0050]
图3为功能块执行流程图；
[0051]
图4为分布式电动汽车充电站结构框图；
[0052]
图5为有序充电控制功能块流程图。
具体实施方式
[0053]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
作为本发明某一具体实施方式，一种基于iec61499的电动汽车有序充电控制系统的搭建方法，具体包括以下步骤：
[0055]
步骤1、采用4diac-ide分布式应用开发环境搭建包含电动汽车有序充电控制方法的有序充电控制功能块。
[0056]
4diac-ide是支持iec61499标准的分布式应用程序开发环境，提供应用程序图形化搭建界面，并对有序充电控制功能块间传递的数据类型进行检测。
[0057]
有序充电控制功能块设计为控制系统的用户应用层，提供基本逻辑控制功能，用于设计充电申请任务和控制逻辑，封装了基本功能块、服务接口功能块、适配器和子应用程序，符iec61499标准，实现有序充电控制功能如下：
[0058]
s1、获取台区内每个待充电电动汽车对应的停车时段和预期充电电量，以及台区负荷和台区负荷变化曲线；
[0059]
具体地说，台区内每个待充电电动汽车对应的停车时段和预期充电电量的获取方法为：
[0060]
接收用户发送的待充电电动汽车对应的停车时段和预期充电电量。
[0061]
台区负荷和台区负荷变化曲线的获取方法为：
[0062]
读取数据库中对应的台区负荷和台区负荷变化曲线。
[0063]
s2、根据每个待充电电动汽车对应的预期充电电量确定该待充电电动汽车达到预期充电电量所需的充电时长；
[0064]
根据每个待充电电动汽车对应的预期充电电量确定该待充电电动汽车达到预期充电电量所需的充电时长，具体为：
[0065]
利用每个待充电电动汽车对应的预期充电电量除以充电桩的充电功率，得到每个待充电电动汽车达到预期充电电量所需的充电时长。
[0066]
s3、根据每个待充电电动汽车的停车时段、每个待充电电动汽车达到预期充电电量所需的充电时长、台区负荷和台区负荷变化曲线，利用电动汽车有序充电控制模型制定每个待充电电动汽车对应的充电时段分配计划，具体如下：
[0067]
将每小时按照等间隔划分的方式划分为若干时间段，该时间段作为一个最小充电时间单元；
[0068]
根据每个待充电电动汽车达到预期充电电量所需的充电时长，确定每个待充电电动汽车所需充电时间单元的个数；
[0069]
将每个待充电电动汽车所需充电时间单元的个数随机分配到对应的停车时段内，得到每个待充电电动汽车对应的初始充电时间单元分配计划；
[0070]
根据台区负荷、台区负荷变化曲线和每个待充电电动汽车对应的初始充电时间单元分配计划，利用电动汽车有序充电控制模型得到每个待充电电动汽车对应的充电时段分配计划。
[0071]
有序充电控制功能块中用于设计电动汽车有序充电系统控制任务和控制逻辑，搭建包含电动汽车有序充电控制方法的有序充电控制功能块，具体为：将电动汽车有序充电控制模型封装到有序充电控制功能块中，电动汽车有序充电控制模型包括计算模型和优化模型；
[0072]
计算模型如下：
[0073][0074]
其中，
[0075][0076]
f2＝min[max(p
lk
')-min(p
lk
')]
[0077][0078]
p
lk
+pk《p
t
[0079]
[0080]
式中，f为计算模型的总目标函数；f1为台区电网含电动汽车充电负荷的负荷波动方差；f2为台区电网含电动汽车充电负荷曲线的峰谷差；f3为电动汽车参与调度时的充电成本；f
10
为台区电网不含电动汽车充电负荷的负荷波动方差，通过日前负荷预测得到；p
t
为变压器的额定功率；f
30
为电动汽车未参与调度时的充电成本；α1为电网的负荷波动方差的权重系数，α2为电网负荷曲线峰谷差的权重系数，α3为电动汽车充电成本权重系数，且α1+α2+α3＝1；p
lk
为台区电网不含电动汽车充电负荷的第k时段负荷；pk为第k个时间段充电站的充电功率；p
av
为不含电动汽车充电负荷的台区电网日平均负荷；max(p
lk
')为含电动汽车充电负荷的台区电网负荷峰值；min(p
lk
')为含电动汽车充电负荷的台区电网负荷谷值；xi为该充电桩第i个最小充电时间单元的工作状态，“1”表示工作，“0”表示不工作；qi为第i最小充电时间单元的电网电价；pc为充电桩的充电功率；δt为最小充电时间单元的时间间隔大小；t为当前车辆充电的总共用时；c
n,end
为第n辆电动汽车的预期充电结束时的电量；c
n,sart
为第n辆电动汽车的开始充电时的电量；c
n,max
为第n辆电动汽车的最大可容纳电量；
[0081]
优化模型如下：
[0082]vid
＝ω*v
id
+c1*rand()*(p
id-x
id
)+c2*rand()*(p
ig-x
id
)
[0083][0084][0085][0086][0087]
式中，v
id
为粒子群算法中第d组种群的第i维的速度矢量；ω为粒子群算法中的惯性权重系数；c1为粒子群算法中的认知学习因子；c2为粒子群算法中的社会学习因子；p
id
为第d组种群第i维的最优位置；x
id
为当前第d组种群第i维的粒子位置；p
ig
为当前计算的最优解的第i维的粒子位置；s(v
id
)表示位置x
id
取1的概率；f(n)为第i个种群被选择的概率；fpd为人工蜂群算法中第d组的最优适应度；x
id’为计算得到的新粒子的位置；为步长取值范围为[-1,1]；pg为种群粒子最优位置。
[0088]
步骤2、将有序充电控制功能块放入有序充电控制库，有序充电控制库还包括基本功能块、通讯功能块、数字逻辑功能块和数学运算功能块。
[0089]
有序充电控制库设计为控制系统内核系统层，除4diac-ide中提供的基本功能块外，封装了数字逻辑、数学运算、有序充电控制算法和上位机网络通信功能块，提供电动汽车有序充电控制接口，供上层有序充电控制功能块进行调用。
[0090]
步骤3、在4diac-ide分布式应用开发环境下调用有序充电控制库，对有序充电控制库中的功能块编译生成电动汽车有序充电控制应用程序文件。
[0091]
优选的，采用动态链接的方式调用有序充电控制库。
[0092]
步骤4、在电动汽车充电桩控制器底层设备上运行基于iec61499标准的forte运行时环境，通过tcp协议实现电动汽车有序充电控制应用程序文件对电动汽车充电桩控制器
的有序充电控制。
[0093]
也就是说，电动汽车充电桩控制器底层设备forte运行时执行iec 61499标准，用于提供应用程序运行的系统环境以及数据交互通信。
[0094]
具体地说，电动汽车充电桩控制器使用linux操作系统。
[0095]
电动汽车充电桩控制器包括北向接口和南向接口，其中，北向接口包括2路以太网接口和4g/5g模块接口；南向接口包括6路rs485接口、1路can接口、2路i2c接口、2路spi接口、1路usb2.0接口、4路pwm3路以太网接口以及最高可达103路的gpio接口。
[0096]
北向接口与主站通过网线或4g/5g进行通讯连接，交换数据中心数据。
[0097]
南向接口通过rs485与台区变压器通讯读取当前台区用电数据，用于计算电动汽车充电分配的电量，通过can与各充电桩通讯，通过wifi/bt与用户手机通讯。
[0098]
步骤5、电动汽车充电桩控制器底层设备的驱动单元响应电动汽车有序充电控制任务，完成电动汽车有序充电控制系统搭建，对多个电动汽车充电桩控制器的协同控制。
[0099]
驱动单元用于提供外部设备的操作接口，并且实现设备的驱动程序。
[0100]
基于eclipse 4diac框架的分布式应用开发环境4diac-ide提供友好的用户应用程序搭建界面，通过在界面拖动模块，用户可以搭建自己的控制算法。同时4diac-ide会对模块间传递的数据类型进行检测，对于不匹配的数据类型会进行相应的错误提示，此外还提供实时数据回显及在线调参的功能，方便控制算法调试。
[0101]
底层设备forte运行时环境，提供对其应用程序的在线重新配置和实时执行iec 61499标准提供的所有功能块类型的支持。支持所有iec 61131-3版本2的基本数据类型、结构和数组。底层设备运行时环境通过通信层为上层应用程序提供灵活的基础通信架构。
[0102]
驱动单元设计为设备驱动层，用于为上层程序提供外部设备的操作接口，并且实现设备的驱动程序。上层程序可以不管操作的设备内部实现，只需要调用驱动的接口即可。
[0103]
物理输入输出单元设计为设备的基本io接口，包括网络协议接口，为设备的数据采集及设备间的数据通信提供物理接口。
[0104]
分布式应用程序开发环境采用eclipse 4diac分布式开源软件框架，主要分为开发环境ide和运行时forte两部分组成。ide使用java开发的程序，forte是使用c++开发的程序。
[0105]
充电桩控制器除需要cpu主控芯片外，还需要搭载外设通讯模块，包含但不限于rs-485接口，uart串口以及can口等，充电桩控制器所使用的软件平台需是linux操作系统。
[0106]
功能块是iec61499标准中最重要的概念之一，本质上是一种图形化程序设计方法。功能块是一段标准的软件，它们的引线是输入数据或者输出数据。网络图的连线表示了个功能块之间数据引用的方式。iec61499采取具有事件输入输出的功能块，该标准在功能块中增加了事件输入输出端。事件用来确定功能块的状态变化，只要当输入事件到达时，才会改变功能块的状态，确定如何执行内部的算法。事件能够更明确地描述功能块之间数据和内部算法执行的同步关系。
[0107]
如图1所示，电动汽车有序充电控制系统由有序充电控制库、有序充电控制功能块、eclipse4diac框架的分布式应用开发环境4diac-ide、底层设备运行时环境、驱动单元与物理输入输出单元组成。
[0108]
基于iec61499标准的电动汽车有序充电实现方法业务流程如下，针对分布式电动
汽车有序充电控制系统，用户使用4diac-ide编写有序充电控制模块时，ide会自动生成控制算法脚本。分布式应用程序设计时ide通过动态链接的方式加载用户控制算法中所需的有序充电控制库，自动生成有序充电控制程序。在配置好目标设备网络之后，即可实现有序充电控制程序的一键分布式部署，将功能块通过tcp协议映射到相应充电桩控制器上。当部署到多个充电桩控制器上时，要添加通信功能块实现事件和数据之间的传输然后通过硬件驱动单元与物理输入输出单元实现对充电桩的同步控制。智能充电桩终端采集到的数据同样是通过tcp协议回传给上层应用程序。
[0109]
图2为功能块结构图，iec61499功能块的所有操作都是通过事件来同步的。在事件到来之前，相关联的数据已经出现在它们的输入端。功能块的内部程序分成两个部分，一个是执行控制程序段，它根据输入事件来决定算法的执行，另一部分是算法。算法中会使用到输入数据，并且会产生输出数据。当内部算法执行完成之后，执行控制程序段将更加内部的状态图确定输出事件。
[0110]
图3所示为功能块执行流程图，具体步骤如下：
[0111]
t1相应的输入数据变量值可用；
[0112]
t2在事件输入端发生事件；
[0113]
t3执行控制功能，通知资源调度功能调度一个算法执行；
[0114]
t4算法执行开始；
[0115]
t5算法输出值；
[0116]
t6资源调度功能通知算法执行结束；
[0117]
t7调度功能调用执行控制功能；
[0118]
t8执行控制功能在事件输出端输出事件。
[0119]
如图4所示为分布式电动汽车充电站结构框图，在电动汽车充电场景中，充电桩控制器北向与主站进行通讯连接，交换数据中心数据；南向通过rs485(dlt698.45)与台区变压器通讯读取当前台区用电数据，用于计算电动汽车充电分配的电量；通过can与各充电桩通讯、控制。
[0120]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。