鄭　欣, 馬文婧, 周仕杰, 郭銘海, 林亞培

(廣州供電局有限公司, 廣東 廣州　510620)

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基于IEC61850的主動(dòng)配電網(wǎng)終端層信息建模

鄭欣, 馬文婧, 周仕杰, 郭銘海, 林亞培

(廣州供電局有限公司, 廣東 廣州510620)

摘要:為滿足主動(dòng)配電網(wǎng)監(jiān)控和管理過(guò)程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信息模型的需要,運(yùn)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立主動(dòng)配電網(wǎng)終端層的信息模型.以分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例,在終端層實(shí)現(xiàn)符合主動(dòng)配電網(wǎng)特征的邏輯設(shè)備建模.所設(shè)計(jì)的IEC61850信息模型能夠?yàn)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)IEC61850配置文件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)交互消息構(gòu)建等領(lǐng)域打下模型基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：主動(dòng)配電網(wǎng); IEC61850標(biāo)準(zhǔn); 信息建模; 終端層; 邏輯設(shè)備

主動(dòng)配電網(wǎng)的主要特征是包含大量的分布式能源,其監(jiān)控和管理過(guò)程中的信息需要有標(biāo)準(zhǔn)的信息模型支持[1].IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用能夠?yàn)楝F(xiàn)有的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)提供統(tǒng)一的通信方式、有效的建模方法及規(guī)范的配置手段[2].為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)中大量分布式能源的優(yōu)化控制與管理,需要在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)借鑒IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)信息建模.目前,對(duì)于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)配電自動(dòng)化中的應(yīng)用研究已取得了一些成果.文獻(xiàn)[3]對(duì)FTU進(jìn)行了IEC61850建模.文獻(xiàn)[4]基于IEC61850-7-420標(biāo)準(zhǔn),研究了基于IEC61850的分布式能源建模,但是只針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)介紹了分布式能源監(jiān)控功能所需要的邏輯節(jié)點(diǎn),沒(méi)有完成針對(duì)具體功能的邏輯設(shè)備或物理設(shè)備的構(gòu)建.文獻(xiàn)[5]在這方面的研究更深入一些,使用標(biāo)準(zhǔn)中的邏輯節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了智能電子設(shè)備樣機(jī),實(shí)現(xiàn)了對(duì)微網(wǎng)的監(jiān)控,但在模型構(gòu)建時(shí)將所有分布式能源相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)都包含到了物理設(shè)備中,形成了一個(gè)總體的微網(wǎng)控制器,對(duì)功能沒(méi)有明確的劃分.

綜上所述,目前已有的研究成果中基于IEC61850的信息建模都存在不同程度的不足,有優(yōu)化改進(jìn)的空間.并且已有的研究都是以微網(wǎng)視角進(jìn)行的,沒(méi)有考慮主動(dòng)配電網(wǎng)的特殊建模需求,因此不能完全滿足主動(dòng)配電網(wǎng)信息集成的需要.本文結(jié)合目前已有的一些研究成果,根據(jù)主動(dòng)配電網(wǎng)的特點(diǎn),以最具代表性的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例,在系統(tǒng)終端層面建立功能模塊分明、邏輯結(jié)構(gòu)合理的信息模型.

1IEC61850信息建模方法

IEC61850信息建模的主要對(duì)象是智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device,IED).IED模型由數(shù)據(jù)屬性(Data Attribute,DA)、數(shù)據(jù)對(duì)象(Data Object,DO)、邏輯節(jié)點(diǎn)(Logical Node,LN)、邏輯設(shè)備(Logical Device,LD)及IED 5個(gè)層級(jí)嵌套而成[6].數(shù)據(jù)屬性的類型符合標(biāo)準(zhǔn)且不可再分,是從屬于邏輯節(jié)點(diǎn)中的基本單元;數(shù)據(jù)對(duì)象與一個(gè)或數(shù)個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)相關(guān)連,是預(yù)先設(shè)定好的,其類型由IEC61850-7-3部分標(biāo)準(zhǔn)定義.邏輯節(jié)點(diǎn)是IED最為基礎(chǔ)的功能單元,一系列邏輯節(jié)點(diǎn)可以組成邏輯設(shè)備,設(shè)備的特定功能由其下子節(jié)點(diǎn)配合完成,數(shù)個(gè)邏輯設(shè)備能夠構(gòu)成智能電子設(shè)備,進(jìn)一步構(gòu)成實(shí)際的物理裝置.

在建模過(guò)程中,首先要分析實(shí)際應(yīng)用情況中的需求,選取相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn),然后以一定的組合方式將各節(jié)點(diǎn)組裝成邏輯設(shè)備,邏輯設(shè)備則可以在實(shí)際的裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)一步組合封裝為智能電子設(shè)備.本文對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)終端層的信息建模,主要目標(biāo)是完成對(duì)實(shí)際應(yīng)用功能的需求分析、邏輯節(jié)點(diǎn)的選取和邏輯設(shè)備的構(gòu)建,而智能電子設(shè)備的封裝靈活度很大,在此不做具體的設(shè)計(jì).

2分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的邏輯設(shè)備建模

作為主動(dòng)配電網(wǎng)局部自治區(qū)域的重要組成部分,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)與終端層-主站層之間的雙向通路,完成運(yùn)行信息的上送與控制命令的下達(dá),從而滿足主動(dòng)配電網(wǎng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的信息集成需求.其中,針對(duì)該系統(tǒng)的終端層IEC61850建模是系統(tǒng)建模階段必須要完成的工作.

主動(dòng)配電網(wǎng)中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行與監(jiān)視控制所需要的功能包含光伏陣列運(yùn)行監(jiān)視與控制、逐日控制、逆變器監(jiān)控、并網(wǎng)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)設(shè)備監(jiān)視與控制、電氣量計(jì)量,以及光伏陣列運(yùn)行監(jiān)視與控制等.根據(jù)功能的不同,選用不同的邏輯節(jié)點(diǎn)相組合,形成多種邏輯設(shè)備.

2.1光伏陣列監(jiān)控邏輯設(shè)備

光伏陣列監(jiān)控邏輯設(shè)備主要用于對(duì)光伏陣列實(shí)施監(jiān)視和控制,其組成如圖1所示.

系統(tǒng)LN中的邏輯節(jié)點(diǎn)零類(Logical Node Zero,LLN0)與邏輯節(jié)點(diǎn)物理設(shè)備(Logical and Physical Device,LPHD)是必需的邏輯節(jié)點(diǎn).LLNO中存有數(shù)據(jù)集、控制塊和一些公共數(shù)據(jù).其中,數(shù)據(jù)集以功能約束的方式對(duì)數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行分組和打包,方便數(shù)據(jù)傳送;定值控制塊用于設(shè)定IEC61850抽象通信服務(wù)接口,來(lái)讀取定值組服務(wù)的參數(shù),由客戶端向服務(wù)器進(jìn)行請(qǐng)求獲取定值組內(nèi)容;報(bào)告控制塊則用于設(shè)定服務(wù)器主動(dòng)上送除定值數(shù)據(jù)集以外的數(shù)據(jù)集的服務(wù)參數(shù).LPHD則包含該LD所屬實(shí)際物理裝置的基本信息,如裝置的銘牌、上電次數(shù)等.

特定功能邏輯節(jié)點(diǎn)中,光伏組件額定參數(shù)(DPVM)邏輯節(jié)點(diǎn)包含光伏組件的基本特性,如標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的組件額定輸出功率峰值,開(kāi)路狀態(tài)下組件中流過(guò)的短路電流,在輸出功率達(dá)到峰值時(shí)組件中的電壓和電流以及組件使用壽命隨時(shí)間下降的百分比等;光伏陣列特性(DPVA)邏輯節(jié)點(diǎn)包含光伏陣列的基本特征,譬如陣列類型(可能為陣列、子陣列、組件、串和光伏電站等)、陣列接地類型、每串中組件數(shù)目、每個(gè)子陣列中并聯(lián)串?dāng)?shù)目、每個(gè)陣列中并聯(lián)子陣列數(shù)目、陣列面積、陣列功率額定值、安裝傾斜度與安裝方位等;光伏陣列控制器(DPVC)邏輯節(jié)點(diǎn)用于光伏陣列控制,包括設(shè)定功率跟蹤器的電壓變化步長(zhǎng)、跟蹤頻度、陣列的功率輸出模式(如功率限制、直流控制、陣列電壓控制、最大功率點(diǎn)跟蹤模式)等.

DPVC邏輯節(jié)點(diǎn)在完成控制功能時(shí)需要DPVA和DPVM邏輯節(jié)點(diǎn)提供陣列的基本參數(shù)信息.

2.2逐日控制邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備主要完成對(duì)陣列角度的調(diào)整,以跟蹤太陽(yáng)光,使陽(yáng)光垂直照射光伏陣列,提高光能利用率的功能,其組成如圖2所示.

跟蹤控制器(DTRC)邏輯節(jié)點(diǎn)中囊括了逐日控制的多項(xiàng)參數(shù),如陽(yáng)光跟蹤模式(有不跟蹤、單軸水平旋轉(zhuǎn)及雙軸垂直旋轉(zhuǎn)跟蹤等)、跟蹤狀態(tài)、傳感器跟蹤方式的仰角步長(zhǎng)、天文學(xué)跟蹤方式的時(shí)間步長(zhǎng)等定值參數(shù)、當(dāng)前陣列所處的實(shí)時(shí)方位角和仰角等量測(cè)參數(shù),以及目標(biāo)方位角、目標(biāo)仰角、跟蹤命令等控制參數(shù).

需要注意的是,如果某光伏陣列不需要進(jìn)行逐日控制,即位置和角度恒定或僅隨季節(jié)作偶然調(diào)整,那么方位角和仰角參數(shù)是作為定值包含在DPVA邏輯節(jié)點(diǎn)中,如光伏陣列監(jiān)控邏輯設(shè)備介紹中所述.

2.3逆變器監(jiān)控邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備主要用于監(jiān)控光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器,其組成如圖3所示.

逆變器(ZINV)邏輯節(jié)點(diǎn)包含逆變器的最大輸出有功功率和無(wú)功功率的額定值、開(kāi)關(guān)類型、冷卻方法類型等狀態(tài)數(shù)據(jù);也包含交流側(cè)相別類型(單相、雙相、三相)、PQV約束曲線集中的激活項(xiàng)、輸出有功功率和無(wú)功功率、功率因數(shù)、輸出頻率、輸入直流電流及電壓限值等定值數(shù)據(jù);還包含了逆變器外殼溫度、周邊空氣溫度等測(cè)量值.非常全面地描述了逆變器控制所需的所有信息,并可對(duì)其中的狀態(tài)值和測(cè)量值進(jìn)行讀取操作,另外還可寫入定值.

2.4并網(wǎng)控制邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備主要用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行,其組成如圖4所示.

在ECP處的運(yùn)行特性(DOPR)包含接入同一個(gè)ECP的一組DER單元,可以是幾個(gè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)或陣列,也可以是其他分布式能源的運(yùn)行特性,包括物理上連接在一起的DER單元的列表、它們?cè)谠揈CP處的電氣連接狀態(tài)、ECP的連接類型、ECP的額定參數(shù)及運(yùn)行模式等.分布式能源控制器特性(DRCT)表示DER單元的通用控制,它包含連接到其上的DER類型及最大的輸出有功功率和無(wú)功功率標(biāo)稱值等定值參數(shù).同期邏輯節(jié)點(diǎn)(RSYN)封裝了同步并網(wǎng)判據(jù),用于計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)ECP處斷路器兩端的相電壓相量差,并與設(shè)定好的同步檢查條件相比較,同時(shí)控制同步并網(wǎng)的進(jìn)行.光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制需要這3個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)互相配合才能完成,另外還有可能需要與其他諸如電氣量量測(cè)邏輯設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

2.5環(huán)境監(jiān)測(cè)邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備主要用于監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中諸如溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù),其組成如圖5所示.

溫度特性(STMP)邏輯節(jié)點(diǎn)完成溫度監(jiān)測(cè)相關(guān)的功能,可提供溫度測(cè)量值、變化速率值,同時(shí)可設(shè)定允許的最高、最低溫度與最大溫度變化速率,并在超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)提供溫度告警或溫度變化速率告警.氣象測(cè)量(MMET)邏輯節(jié)點(diǎn)完成環(huán)境數(shù)據(jù)的相關(guān)量測(cè)功能,可提供太陽(yáng)光的水平輻射強(qiáng)度、散射強(qiáng)度等輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù),還可提供風(fēng)向、濕度、日照時(shí)間等數(shù)據(jù).

2.6開(kāi)關(guān)監(jiān)控邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備主要用于控制分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)開(kāi)關(guān)及交流側(cè)斷路器,其組成如圖6所示.

其中,XCBR是指與交流側(cè)斷路器的接口,XSWI是指與直流側(cè)開(kāi)關(guān)的接口,CSWI則是封裝了開(kāi)關(guān)的分合邏輯,可控制XCBR.Pos.stVal和XSWI.Pos.stVal屬性,即交流斷路器和直流開(kāi)關(guān)的分合(若該邏輯設(shè)備要與保護(hù)配合,可能還需添加閉鎖信號(hào)對(duì)應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)).XFUS邏輯節(jié)點(diǎn)代表熔斷器,它不可被控制,僅可被監(jiān)視,包含如額定電流、額定電壓、熔斷器類型等定值量以及告警標(biāo)識(shí)等狀態(tài)量.

2.7電氣量量測(cè)邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備主要用于直流電氣量與交流電氣量的量測(cè)或計(jì)算,如逆變器的直流側(cè)電流幅值,交流側(cè)電流有效值及有功功率等,其組成如圖7所示.其中,TCTR和TVTR邏輯節(jié)點(diǎn)分別代表電流互感器和電壓互感器,用于采集交流電流和交流電壓;MMXU邏輯節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)交流電流、電壓有效值及功率、頻率等電量的計(jì)算.而直流電流電壓值一般通過(guò)采樣電阻或霍爾傳感器采集,在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中,沒(méi)有與采樣電阻或霍爾傳感器對(duì)應(yīng)的特定邏輯節(jié)點(diǎn),因此以通用過(guò)程接口IO邏輯節(jié)點(diǎn)GGIO來(lái)完成直流電氣量的采集,由MMDC邏輯節(jié)點(diǎn)完成直流功率、電阻等量的計(jì)算.

2.8電氣量計(jì)量邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備的主要功能是計(jì)量交流的電氣量值,其組成如圖8所示.其中,TCTR和TVTR邏輯節(jié)點(diǎn)分別完成實(shí)時(shí)電流與電壓的采集;MMTR邏輯節(jié)點(diǎn)完成有功功率和無(wú)功功率累積量的計(jì)算.假如用于電氣量計(jì)量與量測(cè)的邏輯設(shè)備中的數(shù)據(jù)是取自于相同的電壓或電流互感器,那么TCTR和TVTR兩邏輯節(jié)點(diǎn)可以只在兩設(shè)備中選出其中一個(gè)進(jìn)行實(shí)例化操作,另一個(gè)僅需與其建立邏輯連接,以便獲取所需的數(shù)據(jù).

3電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)邏輯設(shè)備建模

主動(dòng)配電網(wǎng)中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行與監(jiān)視控制所需的基本功能包含開(kāi)關(guān)設(shè)備監(jiān)控、量測(cè)、計(jì)量及并網(wǎng)運(yùn)行等,另外還包括AC-DC變換監(jiān)視與控制、儲(chǔ)能電池充電器監(jiān)視與控制,以及儲(chǔ)能電池狀態(tài)監(jiān)視與控制等特殊功能.

3.1整流器監(jiān)控邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備的主要作用是監(jiān)控電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的整流器,其組成如圖9所示.

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)交換功率是雙向的,因此既需要逆變器監(jiān)控邏輯設(shè)備,也需要整流器監(jiān)控邏輯設(shè)備.ZRCT邏輯節(jié)點(diǎn)包含整流器的換相類型、隔離類型、電壓調(diào)節(jié)類型(輸出電壓固定、可變等)、整流轉(zhuǎn)換類型,交流側(cè)相別類型等狀態(tài)信息,也包含輸出功率設(shè)定值、輸出電壓設(shè)定值、輸入電壓限值、輸入電流限值和輸出電流限值等定值信息.

3.2電池充電器監(jiān)控邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備主要用于監(jiān)控儲(chǔ)能電池的充電器,其組成如圖10所示.ZBTC邏輯節(jié)點(diǎn)包含電池充電器的狀態(tài)(關(guān)斷、正常運(yùn)行、測(cè)試模式等)、復(fù)位后的充電時(shí)間等狀態(tài)信息,還包括充電器類型(恒壓充電、恒流充電等)、充電曲線、分時(shí)充電曲線、再充電速率、充電器狀態(tài)設(shè)置等定值信息,以及充電電壓、充電電流等量測(cè)信息.

3.3電池狀態(tài)監(jiān)控邏輯設(shè)備

該邏輯設(shè)備的核心功能是檢測(cè)儲(chǔ)能電池的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),其組成結(jié)構(gòu)如圖11所示.ZBAT邏輯節(jié)點(diǎn)包含電池的運(yùn)行狀態(tài)、電壓過(guò)高或過(guò)充電、電壓過(guò)低或欠充電等狀態(tài)信息;還包含儲(chǔ)能電池類型標(biāo)識(shí)、額定容量、標(biāo)稱電壓、串聯(lián)電池?cái)?shù)、并聯(lián)電池?cái)?shù)、放電曲線、分時(shí)放電曲線、自放電速率、最大放電電流、最大充電電壓及電壓過(guò)限值告警值等定值信息;也包括電池外電壓、輸出電壓變化率、電池內(nèi)電壓、電池漏電流、電池內(nèi)部電流、電池內(nèi)部溫度等量測(cè)信息,以及接通電池、啟動(dòng)電池測(cè)試等控制信息.

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)信息集成架構(gòu)中的終端層進(jìn)行了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的建模工作,范圍涉及主動(dòng)配電網(wǎng)中最具代表性的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng).分析了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)信息建模方法,提煉了主動(dòng)配電網(wǎng)終端層的信息建模過(guò)程中涉及的需求分析、邏輯節(jié)點(diǎn)選取和邏輯設(shè)備構(gòu)建的方法.對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)終端層進(jìn)行了建模,分析了光伏發(fā)電和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)控過(guò)程中所需要的功能,選取IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的邏輯節(jié)點(diǎn),完成了特定功能邏輯設(shè)備的構(gòu)建.針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的終端層構(gòu)建了符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信息模型,從而為現(xiàn)場(chǎng)采集和監(jiān)控提供基礎(chǔ)的模型支持.

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(編輯白林雪)

Information Modeling of Terminal Layer in Active Distribution Network Based on IEC61850ZHEN Xin, MA Wenjing, ZHOU Shijie, GUO Minghai, LIN Yapei

(Guangzhou Power Supply Company, Guangzhou510620, China)

Abstract:In order to meet the need for standard information models in the process of monitoring and management,the IEC61850 standard is used to establish models of terminal layer in the field of active distribution network.The main modeling objects are logical devices in distributed photovoltaic and battery energy storage systems.The functions of the models are not only clearly defined but also in line with the characteristics of the active distribution network.The IEC61850 information model will lay a solid foundation for both the design of configuration file and the construction of interaction information in active distribution network.

Key words:active distribution network; IEC61850 standard; information modeling; terminal layer; logic devices

中圖分類號(hào)：TM76;TM73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4729(2016)01-0029-06

通訊作者簡(jiǎn)介：鄭欣(1982-),男,碩士,工程師,湖北孝感人.主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)整定,配電自動(dòng)化規(guī)劃,配網(wǎng)運(yùn)行和維護(hù)等.E-mai:hust_zhx@163.com.

收稿日期：2015-10-20

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.008