郭少豐,呂玉祥*,孫 斌,王金浩

(1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,太原 030024;2.山西電力科學(xué)研究院,太原 030009)

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基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電動汽車充電站電能質(zhì)量IED建模

郭少豐1,呂玉祥1*,孫 斌1,王金浩2

(1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,太原 030024;2.山西電力科學(xué)研究院,太原 030009)

隨著電動汽車的發(fā)展和大型電動汽車充電站的建設(shè)與應(yīng)用,充電站大負(fù)荷充放電過程對智能電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響日益明顯?；贗EC61850標(biāo)準(zhǔn),特別是面向?qū)ο蠼５姆椒ㄅc特點(diǎn),并結(jié)合電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測裝置,分析了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中適用于電動汽車充電站的內(nèi)容,提出了電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED新的功能要求,建立了符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的新模型,保證了在智能電網(wǎng)中電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED信息的自由傳輸,為掌控電動汽車充電站對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響提供了必要的技術(shù)支持

IEC61850;電能質(zhì)量;模型;邏輯節(jié)點(diǎn);電動汽車;充電站

純電動汽車因其優(yōu)異的節(jié)能高效和環(huán)保性能,在未來的汽車市場中將擁有著廣闊的發(fā)展空間[1]。隨著智能電網(wǎng)的興起和發(fā)展,電動汽車充電站必將成為國家新能源戰(zhàn)略和智能電網(wǎng)的重點(diǎn)參與對象。研究電動汽車充電站與現(xiàn)行電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后造成的公共電網(wǎng)諧波增大、電壓偏差和波動等一系列電能質(zhì)量問題是電動汽車充電站發(fā)展所面臨的重大課題;相應(yīng)的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備研制也將成為汽車充電站設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)[2-3]。

現(xiàn)運(yùn)行的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備大多數(shù)采用各自廠商行的通信協(xié)議,所遵循的標(biāo)準(zhǔn)也各不相同,因而導(dǎo)致電能質(zhì)量監(jiān)測組網(wǎng)通信過程中出現(xiàn)設(shè)備之間的兼容性和互操作性差、數(shù)據(jù)難以共享、系統(tǒng)平臺運(yùn)行不穩(wěn)定等問題[4-5]。為使不同智能電子設(shè)備(IED)間數(shù)據(jù)共享、實(shí)現(xiàn)兼容,需要將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)推廣到電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備之中。

IEC61850是變電站自動化領(lǐng)域的新一代通信標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了各IED之間的通信互聯(lián)和管理,使得出于不同廠商的IED之間可以良好的互操作[6]。在電動汽車充電站領(lǐng)域,IEC61850作為應(yīng)用于數(shù)字化變電站的公共通信標(biāo)準(zhǔn)和智能電網(wǎng)數(shù)字化核心技術(shù)之一,其定義功能基本涵蓋了電能質(zhì)量監(jiān)測的所有方面。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容在于其特殊的信息模型和建模方法[6]。信息模型是一種定義信息常規(guī)表達(dá)和組織的方式,用于描述和現(xiàn)實(shí)世界中相對應(yīng)對象的某種特征和參數(shù)。IEC61850中提出的信息模型是針對實(shí)際物理設(shè)備及其功能的一種抽象化,目的是為了解決雙方在網(wǎng)絡(luò)上所傳播數(shù)據(jù)的互相理解問題,是實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作的基本條件。該標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù),對模型的結(jié)構(gòu)與其詳細(xì)語義的約定有著明確規(guī)定[7]。由此,對于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電動汽車充電站電能質(zhì)量功能的IED來說,其數(shù)據(jù)傳遞交換的內(nèi)容就由IEC61850所提出的信息模型完全定義了,而信息交換機(jī)制就是ACSI(抽象通信服務(wù)接口)。利用以XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語言)技術(shù)為基礎(chǔ)的SCL(變電站配置語言)來描述信息模型,最后使用SCSM(特殊通信服務(wù)映射)來定義ACSI到網(wǎng)絡(luò)或協(xié)議之間的映射關(guān)系,即可實(shí)現(xiàn)信息在在IED之間的相互傳遞[8]。

1 IEC61850的面向?qū)ο蠼７椒?/h2>

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)使用了面向?qū)ο蟮慕７椒ú⑻峁┝私Ｋ璧幕舅夭?使用者可根據(jù)實(shí)際需要靈活地建立模型或者對模型素材進(jìn)行擴(kuò)展。該標(biāo)準(zhǔn)引入了虛擬環(huán)境的概念,用來區(qū)別于具體現(xiàn)實(shí)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式來重新定義信息以及信息交換。虛擬環(huán)境提供了一種具體現(xiàn)實(shí)設(shè)備和其他設(shè)備互交信息的媒介。IEC61850提出的標(biāo)準(zhǔn)方法是將功能進(jìn)行模塊化分解,每個邏輯節(jié)點(diǎn)就是分解功能得到的一個小的單元,其代表某一項(xiàng)具體的分解功能[10]。在實(shí)際工程應(yīng)用中構(gòu)建IED信息模型,就是在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中選擇給出的或者可以擴(kuò)展的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù),然后賦予其特定值,再進(jìn)行組合的過程。如圖1為IEC61850的典型抽象模型。右側(cè)的實(shí)際測量單元建模為圖左部的虛擬模型,即邏輯節(jié)點(diǎn)MMXU代表右側(cè)實(shí)際測量單元。

圖1 IEC61850抽象模型

1.1 IEC 61850建模方法-分解應(yīng)用功能和信息

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將實(shí)際應(yīng)用功能分解為可通信的最小功能塊。分解標(biāo)準(zhǔn)取決于具體實(shí)際設(shè)備的功能分配與安裝分布。這個最小功能塊稱作LN(邏輯節(jié)點(diǎn)),每個LN都由屬于同一功能塊的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性組成。LN中數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性所代表的信息通過通信服務(wù)進(jìn)行交換。

1.2 IEC 61850建模方法-逐級組合形成信息模型

將上述功能分解后所得到的邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性,按照公用數(shù)據(jù)類和兼容邏輯節(jié)點(diǎn)的不同逐步組合,所形成的最小功能邏輯節(jié)點(diǎn),根據(jù)彼此之間的內(nèi)在物理及邏輯聯(lián)系組合形成IED數(shù)據(jù)模型[7,9]。

實(shí)際應(yīng)用功能和信息的分解過程(功能分解成為公共邏輯節(jié)點(diǎn)),就是邏輯節(jié)點(diǎn)LN的誕生過程。數(shù)據(jù)的組合過程(利用邏輯節(jié)點(diǎn)建立的裝置數(shù)據(jù)模型),就是IED模型的形成過程。如圖2展示了原有LN經(jīng)建模后組合成不同IED的過程。使用給定的邏輯結(jié)點(diǎn),如果按照不同的組合方式可以建模成為不同的IED,完成同樣的實(shí)際功能。這種分解和組合過程展現(xiàn)了IEC61850的IED建模方法,同時也體現(xiàn)了IEC61850的功能自由分解配置的特征。

圖2 IED建模示范

2 汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED的功能分析

電動汽車儲能設(shè)備通過電動汽車充電站充放電設(shè)備與電網(wǎng)相連,實(shí)現(xiàn)了電能在電網(wǎng)和電動汽車儲能設(shè)備之間的雙方向流動。隨著電動汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,大批量的電動汽車將會進(jìn)入配電網(wǎng)絡(luò)。加之大電流、多臺數(shù)的電動汽車充電設(shè)備的建設(shè),在某時刻多個充電設(shè)備同時進(jìn)行充電行為將會引發(fā)當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)絡(luò)的局部過負(fù)荷,對電網(wǎng)造成負(fù)面影響[11]。文獻(xiàn)[12-14]中提到,當(dāng)充電站充電機(jī)充電工作時,直流電在三相之間不斷地切換時產(chǎn)生諧波,會對當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響,如電壓偏差、頻率偏差和功率損耗等。文獻(xiàn)[15]中又進(jìn)一步討論了充電電池對充電設(shè)施的電壓和基波屬性、諧波損耗、變壓器負(fù)載和總諧波畸變率的影響。

電能質(zhì)量監(jiān)測IED分類獲取的數(shù)據(jù)是下一步電能質(zhì)量分析和更為高端應(yīng)用的基礎(chǔ)。以電能質(zhì)量國標(biāo)要求和電動汽車充電站的設(shè)計(jì)要求為依據(jù),電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED所要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括:

(1)頻率、諧波、波動與閃變、三相電壓不平衡度、和電壓偏差等參數(shù),即多種電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)量和測量功能[16-18]。(2)功率、電壓和電流等常用電參數(shù)測量,即電壓/電流互感器測量功能。(3)告警和設(shè)備數(shù)據(jù)錄波功能。(4)接口和存檔功能。

3 充電站電能質(zhì)量IED信息模型建立

IEC61850-7標(biāo)準(zhǔn)采用了分層分類別的建模思想,將IED用于通信交換的數(shù)據(jù)信息建立為分層的信息模型。該指定的信息模型一共包含5個層次:Server(服務(wù)器)/LD(邏輯設(shè)備)/LN(邏輯節(jié)點(diǎn))/DO(數(shù)據(jù)對象)/DA(數(shù)據(jù)屬性),其中Server是LD的外部可見,LN組合形成LD,DO是對LN的數(shù)據(jù)描述,而DA是DO的特性[10]。本文提到的電能質(zhì)量IED信息模型各部分屬性結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3 電能質(zhì)量監(jiān)測IED信息模型屬性結(jié)構(gòu)圖

3.1 充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED邏輯節(jié)點(diǎn)建模

IEC61850-7-4中規(guī)范了13個邏輯節(jié)點(diǎn)組,使用450個數(shù)據(jù)類定義了90個邏輯節(jié)點(diǎn)[9]。由于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的開放性,根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的具體功能自由選取及擴(kuò)展合適的邏輯節(jié)點(diǎn),進(jìn)而組合起來以解決電動汽車充電站電能質(zhì)量IED的建模問題。將電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED功能分解為5個部分,如圖4所示。

圖4 充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED功能分解圖

具體的功能分配邏輯節(jié)點(diǎn)為:

(1)實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的尋址功能,選取LPHD節(jié)點(diǎn),即物理設(shè)備信息節(jié)點(diǎn)。(2)實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備的尋址功能,選取LLN0節(jié)點(diǎn),即邏輯節(jié)點(diǎn)0。(3)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測IED的計(jì)量和測量功能時,選取IEC61850-7-4中的計(jì)量和測量功能邏輯節(jié)點(diǎn)組M,如:計(jì)量統(tǒng)計(jì)邏輯節(jié)點(diǎn)(MSTA),用于計(jì)算分析電能質(zhì)量數(shù)值;測量邏輯節(jié)點(diǎn)(MMXU),供高低壓線路兩端的實(shí)時運(yùn)行使用,如實(shí)時電壓值和實(shí)時電流值等;諧波參量邏輯節(jié)點(diǎn)(MHAI),用來描述各次電壓諧波有效值、電流諧波有效值,總單相有功功率代數(shù)和等信息;不平衡邏輯節(jié)點(diǎn)(MSQI),描述此電力系統(tǒng)序分量是否不平衡。閃變邏輯節(jié)點(diǎn)(MFLK),用于描述長、短時閃變;(4)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量事件相關(guān)功能時,選取電能質(zhì)量事件相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)組Q,如描述電壓驟升、驟降、中斷等事件的邏輯節(jié)點(diǎn)(QVVR);描述短時電壓波形變化事件的邏輯節(jié)點(diǎn)(QVTR);描述電壓不平衡事件的邏輯節(jié)點(diǎn)(QVUB)等。(5)實(shí)現(xiàn)電壓和電流的采集功能時,選取互感器邏輯節(jié)點(diǎn)組T,分別是電壓互感器邏輯節(jié)點(diǎn)(TVTR)和電流互感器邏輯節(jié)點(diǎn)(TCTR)。(6)實(shí)現(xiàn)告警和設(shè)備數(shù)據(jù)錄波功能時,選取數(shù)據(jù)錄波邏輯節(jié)點(diǎn)(RDRE),用于擾動記錄;告警邏輯節(jié)點(diǎn)(GGIO),用于過程層鏈路告警。(7)實(shí)現(xiàn)接口和存檔功能時,選取人機(jī)接口邏輯節(jié)點(diǎn)(IHMI)和存檔邏輯節(jié)點(diǎn)(IARC)。表1為電動汽車充電站電能質(zhì)量的相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例。

表1 電動汽車充電站電能質(zhì)量的相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)

表1中,TVTR1～3和TCTR1～3組成的合并單元用于采集高壓側(cè)ABC三相的電壓值和電流值,同樣地,TVTR4～6和TCTR4～6組成合并的單元用于采集低壓側(cè)ABC三相的電壓值和電流值。RDRE1及RDRE2負(fù)責(zé)設(shè)定記錄參數(shù),如波形擾動記錄的觸發(fā)通道、模式、電平、時間等。RADR1～6用于記錄高壓側(cè)的ABC三相電壓和電流的波形(瞬時值),RADR7～12用于記錄高壓側(cè)的ABC三相電壓和電流的擾動(有效值)。RADR13～18用于記錄低壓側(cè)的ABC三相電壓和電流的波形(瞬時值),RADR19～24用于記錄低壓側(cè)的ABC三相電壓和電流的擾動(有效值)。

將上述所選的邏輯節(jié)點(diǎn)按照圖4所分劃的不同功能分配到變電站層、間隔層和過程層。如圖5為電能質(zhì)量測量IED邏輯節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖,體現(xiàn)了各LN組合而成所要實(shí)現(xiàn)功能LD的邏輯關(guān)系。

3.2 電動汽車充電站電能質(zhì)量IED數(shù)據(jù)對象建模

根據(jù)上述的IED分層模型和上述的邏輯節(jié)點(diǎn)可以得到,每一個邏輯節(jié)點(diǎn)LN內(nèi)部都包含一個或者多個數(shù)據(jù)對象DO。只要確定了所要IED的邏輯節(jié)點(diǎn),同時也就確定了這個邏輯節(jié)點(diǎn)LN內(nèi)的兼容數(shù)據(jù)類型。IEC64850所定義的兼容數(shù)據(jù)類是從公用數(shù)據(jù)類(CDC)導(dǎo)出的,由確定的兼容數(shù)據(jù)類型實(shí)例可以獲得公用數(shù)據(jù)類中的所有屬性。表2中以計(jì)量和測量功能中的相序和不平衡邏輯節(jié)點(diǎn)(MSQI)為例,對組成MSQI邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬性作了說明。

表2 不平衡邏輯節(jié)點(diǎn)MSQI實(shí)例

3.3 電動汽車充電站電能質(zhì)量IED邏輯設(shè)備建模

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的IED分層模型,邏輯節(jié)點(diǎn)LN包含在邏輯設(shè)備LD之中,需要將邏輯節(jié)點(diǎn)LN分劃到邏輯設(shè)備LD中。但是ICE61850并沒有明確給出邏輯設(shè)備的模型。邏輯設(shè)備的劃分宜根據(jù)功能進(jìn)行劃分,一般地把具有公共特征的相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)分劃到一起,組合成為一個邏輯設(shè)備。例如,將表1中列出的邏輯節(jié)點(diǎn)按照執(zhí)行功能分劃到公用及開入邏輯設(shè)備、測量邏輯設(shè)備(MEAS)、錄波邏輯設(shè)備(RCD)和人機(jī)接口邏輯設(shè)備(HMI)之中,如圖6所示。

圖5 電能質(zhì)量監(jiān)測IED邏輯節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖

圖6 電動汽車充電站電能質(zhì)量IED邏輯設(shè)備模型結(jié)構(gòu)圖

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,LD模型內(nèi)須有邏輯節(jié)點(diǎn)0(LLN0)和物理設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)(LPHD)為Server提供外部可見的信息。圖6中各邏輯設(shè)備均包含以下邏輯節(jié)點(diǎn):(1)LLN0提供LD的公共數(shù)據(jù);(2)LPHD提供作為LD實(shí)體的物理設(shè)備(PD)的公共數(shù)據(jù);(3)其他邏輯節(jié)點(diǎn)是與電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測功能相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)。

3.4 電動汽車充電站電能質(zhì)量IED服務(wù)器建模

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)指出,一個服務(wù)器一個或者多個邏輯設(shè)備。電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED建模為多個服務(wù)器的實(shí)例,其中抽象通信服務(wù)接口(ACSI)與制造報(bào)文規(guī)范(MMS)相映射。變電站層與間隔層之間采用雙100M以太網(wǎng)通信,通信模式為客戶/服務(wù)器模型。此模型中,IED是Server,在通信網(wǎng)中支持各種形式的服務(wù);客戶端作為接受Server主動傳送數(shù)據(jù)的實(shí)體,比如監(jiān)控終端。

在C/S模型中,Server滿足Client的服務(wù)請求。如果把控制、取代、讀寫、報(bào)告、時間同步、文件傳輸和數(shù)據(jù)模型結(jié)合起來,就形成了服務(wù)模型[19]如圖7所示。

圖7 服務(wù)模型

4 結(jié)語

當(dāng)今,電動汽車充電站作為智能電網(wǎng)的重要部分正在快速興起。本文在詳細(xì)研究IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上,根據(jù)智能電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用的需要與IEC61850建模的要求,對電動汽車充電站中的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備做了針對性的功能分解。詳細(xì)闡述了IEC61850的建模方法以及建模過程,得到了相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯設(shè)備,并且建立了電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED模型,為電動汽車充電站電能質(zhì)量監(jiān)測IED信息在智能電網(wǎng)中的自由傳輸提供了保障。未來隨著IEC61850技術(shù)和電動汽車充電站技術(shù)研究的逐步發(fā)展,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將在智能電網(wǎng)技術(shù)中得到不斷地優(yōu)化應(yīng)用。

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郭少豐(1988-),男,漢族,山西太原人,太原理工大學(xué),碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉O(shè)備的開發(fā)與研究,tyutgsf1988@163.com;

呂玉祥(1964-),男,漢族,山西呂梁人,太原理工大學(xué),教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事電力電子設(shè)備的開發(fā)與研究,lyx823@126.corn。

ModelingofEVCSPowerQualityIEDBasedonIEC61850Standard

GUOShaofeng1,LüYuxiang1*,SUNBin1,WANGJinhao2

(1.College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Electric Power Science and Research Institute,Taiyuan 030009,China)

With the development of electric vehicle and the construction and the application of the large-scale Electric Vehicle Charging Station(EVCS),it’s becoming a gradually increasingly significant influence on the power quality of the smart grids for charging station’s heavy loaded charge and discharge. Based on the standard IEC61850,especially facing the methods and features of object-oriented modeling,combined with the technology of power quality monitoring devices of EVCS,this paper analysed the content of the standard IEC61850 applicable to EVCS,proposed new requirements of functional modules of power quality monitoring IED for EVCS,and built a new information model up to the IEC61850 standard. It guaranteed the information transmission of power quality monitoring IED from EVCS in the smart grid is free,and provided necessary technical support for grasping the influence on the power quality of grids caused by the EVCS.

IEC61850;power quality;modeling;logical node;electric vehicle;charging station

2013-12-04修改日期:2014-01-08

TM76

:A

:1005-9490(2014)06-1239-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.045