Architecture & Topology
OCPP 2.0.1 part 1可以當成是整個OCPP 2.0.1的藍圖, 有看過OCPP 介紹(part 0) 應該知道, OCPP 是用來連接充電站, 充電樁和充電站管理系統的網路標準. 但有那些連接方式? 或是當一個充電站裡架設了多個充電樁, 充電站和充電站管理系統如何溝通, 在資料傳遞時, 資料輸入輸出及內容有哪些. 在這份標準裏, 會逐一介紹.
首先, 此標準利用了一個三層架構, 用較為直覺的方式解釋充電管理系統, 充電樁及充電站管理系統相對關係為何. 另外, 使用了資訊模型去解釋資料的用途, 格式及輸入輸出的對象等等. 也有提到充電管理系統和充電站之間有哪些基本的連接方式. 最後提到, 有了許多充電站跟充電樁後, 可以如何管理.
接下來, 我會嘗試用四個重點來表達此標準規範那些內容. 但在開始之前, 有些專有名詞要解釋, 因為在後面的充電站, 充電站管理系統及充電樁的連接方式中, 會有涉及到.
DSO(Distribution System Operator): 配電系統運營商, 負責傳送電力至用戶端，並確保電力供應安全.
CSO(Charging Station Operator): 營運單個或多個充電站並向車輛使用者收取充電費用的公司或法人.
LC(Local Controller): 本地控制器, 對我來說, 本地控制器是指充電站管理系統可以透過OCPP 跟本地控制器溝通然後對充電站內所有充電樁施加充電限制, 意思是充電站經由LC可以跟充電站管理系統做狀況回報等雙向溝通. 不需要充電管理系統直接連接到各個充電站. 而且LC可以獨立主動跟各充電站溝通.
LP(Local Proxy): 本地代理器, 可以把它想成是一個通信中繼站, 不能修改經過它的訊息. 意思是充電管理系統和本地代理器互相溝通, 以增加溝通效率, 稍後會再詳細解釋.
Connector: 連接器, 此規範中所提到的連接器, 就是充電樁的充電槍, 會因為電動車或電動機車有所不同.
1. 三層模型是什麼?
為了讓讀者更直覺的瞭解充電管理系統, 充電站, 充電樁到充電槍的實體連接方式. 此標準用了一個三層模型畫出相互關係. 我就將我所理解的架構寫出來.
所有的充電裝置都是以CSMS(充電站管理系統)為主, 意思是任何充電站都以CSMS來進行管理:
第一層: Charging Station(充電站)
第二層: EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment:電動車充電設備), 在這裡EVSE可視為充電樁, 在文中, 充電樁被當成充電站的一部分, 充電站可以有一個或多個充電樁. 一個充電樁在當下可為一輛電動車或電動機車充電.
第三層: Connector: 連接器, 可視為充電槍, 充電槍會因為電動車或電動機車而有所不同.
CSMS和Charging Station 間, 使用OCPP 做連接. 文中特別有指出這樣的連接方式是讓大家有個從屬關係的連接.
2. 傳遞的資訊有那些?
因為這部分比較專業，所以我盡量把我所理解的部分概述出來. 此標準中使用了一個資訊模型來描述開放充電點協議(OCPP)中的數據的框架, 並定義在OCPP中使用的資料, 資料的類型, 格式等並可依此定義應用在下面列舉幾個使用案例. 使得開發相關運用使用OCPP溝通上提供了一致且可遵循的範本.
- 安全性：保護充電站與管理系統間的通訊安全.
- 授權：檢查用戶是否有充電權限.
- 預約：提前預訂充電位.
- 遠程控制：遠程管理充電站進行更新或控制.
- 軟體管理：遠程更新充電站軟體.
- 診斷：識別並報告充電站問題.
- 計量：記錄使用的電量
- 智慧充電：根據充電樁能供應充電電量或需求調整充電程度.
以上是列舉出較直覺的使用案例, 其他使用狀況會在OCPP 2.0.1 Part 2: 規範這份文件有更詳細的描述.
3. 納入管理
有了充電站, 充電樁和充電槍對應關係, 也加上溝通方式及內容. 接下來我們看看如何管理. 此標準中, 任何充電站所含的設備都可以透過充電站管理系統經由OCPP來管理, 以下是遠端透過充電站管理系統進行充電站管理時的關鍵功能摘要:
基本資訊回報: 任何型號的充電站配置和狀態. 無論充電站的具體型號或製造商如何。
管理和監控: 配置和監控充電站。這樣做可以在不同的充電站設置中提供靈活性和適應性。
訊息交換: 充電站管理與充電站的各種基本訊息的交換也有涉及到運營相關的數據需求.
三層模型整合：表示任何描述或數據交換都遵循前面所提到的三層模型(充電站、充電樁、充電槍), 確保在不同充電站間可以採用標準化的方式溝通.
這一節強調了充電站如何向管理系統通報其能力和狀態。實現在OCPP協議中遠程管理和監控設備的靈活性和全面性, 但以設備管理來看, 我在規範內可能想看到如何有效率的進行同一類型大型設備(上百上千個)做一次性的註冊來管理, 或是有新的應用程式做一次性的推播及不同區域或是同區域不同場域的充電站做不同的管理等.
在這章節最後, 規範裏特別有提到, 設備管理是以充電管理系統來看, 充電站所含充電樁及充電槍有哪些訊息, 控制或監測等需要被納入. 而資訊模型就是將三層架構所需的實際資料及溝通方式來加以定義.
4. 連連看
透過OCPP可以連接起那些服務?其實這個章節是我最感興趣的, 因為可以有個初步概念, 以充電站管理系統為出發點, 有哪些相關的裝置(產業)可以納入這個生態圈. 以下就將文中提到的幾種連接方式概述如下:
- 充電管理系統直接連接到充電站: 基本的連接方式, 充電管理系統直接對充電站(包含一個或多個充電樁, 充電槍)進行管理及監測.
- 充電管理系統透過本地代理裝置連接多個充電站此種連接方式: 在實際運作上會是, 本地代理裝置（可能是數據機或路由器）連接到有線網路或移動網絡，並充當充電管理系統和充電站之間的消息路由器和代理。充電站將本地代理裝置視為它們的充電管理系統, 同樣, 充電管理系統也將本地代理裝置視為充電站。文中, 有提到一個範例, 充電站有可能位於地下室, 停車場無線網路可能無法使用. 為了提供對行動數據的訪問，充電站是通過有線網路連接到本地代理裝置。該本地代理裝置連接到移動網路並充當代理在充電系統和充電站之間.
我認為這是個從使用者角度思考的好例子, 不過以現在基礎建設來看, 停車場也許可以加上無線存取點來解決. 另外, 本地代理裝置對於訊息的處理能力也會影響到充點系統與充點站之間的效能.
note: LP (Local Proxy, 本地代理裝置)
- 通過本地控制器將多個充電站連接到充電管理系統: 說實話, 我對這種連接方式的實際目的沒有徹底消化, 將我有限的理解寫下來. 這種連接方式包括多個充電站通過本地控制器連接到充電管理系統. 從充電管理系統的角度來看，本地控制器被視為充電站(而且沒有包含充電樁及充電槍). 透過本地控制器和本地代理的不同是:
本地控制器(Local Proxy): 將多個充電站與充電站管理系統之間的通信進行轉送。它主要是一個通信中繼, 不能修改經過它的訊息. 好處是因為只做訊息轉送, 所以可以簡化網絡設置時間及好延伸. 壞處應該大家也想到了, 就是本地代理器無法修改訊息或做出決策。它只是在充電管理系統和充電站之間轉發訊息, 而且, 發生即時處理的狀況需要等到充電管理系統反應.
本地控制器(Local Controller): 與本地代理器不同, 本地控制器可以獨立於充電管理系統可以基於本地條件做出決策，例如對充電站施加充電限制.
所以本地控制器在管理充電操作、適應本地條件和實施能源管理策略方面提供了更多靈活性, 因為它可以轉送充電站管理系統的訊息, 也可以根據實際狀況對充電站即時做出調整.
當然引入了額外的網路設置和充電站控制的複雜性，因為它需要控制邏輯來因應及開發成本.
- 透過OCPP本地控制器將非OCPP充電站連接到充電站管理系統: 這種連接方式就是將不支援OCPP的充電站透過OCPP的控制器整合至充電站管理系統中.簡單說,透過本地控制器來支援非OCPP的充電站. 尤其是早期的充電樁可能使用自己的溝通方式, 但可以透過此方式繼續使用, 有成本上的好處. 但缺點是一樣有額外的網路設置和充電站控制的複雜性, 訊息轉換中會有延遲及這些充電樁無法完全實施OCPP所能提供的功能.
- 配電系統運營商(DSO:Distribution System Operator）控制信號到充電站管理系統: 在說明此種連接方式前, 再敘述下配電系統運營商, 它是運作國家, 地區和地方的電網再將電力分配給消費者. 如果以台灣來說, 目前DSO就是台電. 這種連接方式, 就是大電網需要做供電調節, 充電站管理系統(CSMS)接收來自配電系統運(DSO)的訊號對充電站做調控. 例如: 電力吃緊時, 允許本地控制器對其充電站施加充電限制.
這邊要注意的是, DSO跟CSMS所使用的網路架構不一樣, CSMS(充電站管理系統)跟Charging Station(充電站)使用的是OCPP但和DSO之間是Non-OCPP,所以充電站管理系統會有額外設計及控制上的需求.
- 充電站管理系統(CSMS)和能源管理系統(EMS)的並行控制: 先解釋下能源管理系統(EMS), 能源管理系統(Energy Management System: EMS)主要是將電力配送系統結合通訊管理系統, 協助企業即時監控各種環境之電器設備, 蒐集能源使用數據, 讓單位可以調節電力使用作為改善能源應用的參考 ，以達到省電省錢的目的. 這裏將電動車充電樁納入能源管理系統的控制是想透過和充電站管理系統的合作可以設定每個充電站充電的優先順序,調控充電站可輸出最大的充電額度等機制, 協助充電服務提供廠商在提供充電服務時兼顧用電安全和可用充電量並提供可靠的充電服務.
後話:
看完這份標準後, 可以想到充電站與充電站管理系統互通後, 所紀錄下來的歷史日誌可以作為每個區域充電站的使用輪廓(profile). 經過AI模型訓練後, 各個區域的控制就可以人工智慧加以自動控制, 報告狀況, 警急通報等, 如再加上各區域住宅, 飯店,等私有公有的充電樁等, 透過充電站管理系統和能源管理系統(EMS)結合, 可以做到城市電力負載平衡因電動車增加後對整體用電的負擔. 並達到電能使用優化(節能?)並減碳的目的. 但安裝集中充電管理系統的費用高昂, 政府應請台電評估相關配套措施, 讓住宅電動車用戶有意願來負擔.