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:為滿足主動配電網(wǎng)監(jiān)控和管理過程對標準信息模型的需要,運用IEC61850標準建立主動配電網(wǎng)終端層的信息模型.以分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和電池儲能系統(tǒng)為例,在終端層實現(xiàn)符合主動配電網(wǎng)特征的邏輯設備建模.所設計的IEC61850信息模型能夠為主動配電網(wǎng)IEC61850配置文件設計、系統(tǒng)交互消息構(gòu)建等領域打下模型基礎.

關鍵詞：主動配電網(wǎng); IEC61850標準; 信息建模; 終端層; 邏輯設備

主動配電網(wǎng)的主要特征是包含大量的分布式能源,其監(jiān)控和管理過程中的信息需要有標準的信息模型支持[1].IEC61850標準的應用能夠為現(xiàn)有的變電站自動化系統(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].為了實現(xiàn)主動配電網(wǎng)中大量分布式能源的優(yōu)化控制與管理,需要在設備現(xiàn)場借鑒IEC61850標準實現(xiàn)信息建模.目前,對于IEC61850標準在傳統(tǒng)配電自動化中的應用研究已取得了一些成果.文獻[3]對FTU進行了IEC61850建模.文獻[4]基于IEC61850-7-420標準,研究了基于IEC61850的分布式能源建模,但是只針對標準介紹了分布式能源監(jiān)控功能所需要的邏輯節(jié)點,沒有完成針對具體功能的邏輯設備或物理設備的構(gòu)建.文獻[5]在這方面的研究更深入一些,使用標準中的邏輯節(jié)點設計并開發(fā)了智能電子設備樣機,實現(xiàn)了對微網(wǎng)的監(jiān)控,但在模型構(gòu)建時將所有分布式能源相關的邏輯節(jié)點都包含到了物理設備中,形成了一個總體的微網(wǎng)控制器,對功能沒有明確的劃分.

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)化改進的空間.并且已有的研究都是以微網(wǎng)視角進行的,沒有考慮主動配電網(wǎng)的特殊建模需求,因此不能完全滿足主動配電網(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)主動配電網(wǎng)的特點,以最具代表性的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和電池儲能系統(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信息建模的主要對象是智能電子設備(Intelligent Electronic Device,IED).IED模型由數(shù)據(jù)屬性(Data Attribute,DA)、數(shù)據(jù)對象(Data Object,DO)、邏輯節(jié)點(Logical Node,LN)、邏輯設備(Logical Device,LD)及IED 5個層級嵌套而成[6].數(shù)據(jù)屬性的類型符合標準且不可再分,是從屬于邏輯節(jié)點中的基本單元;數(shù)據(jù)對象與一個或數(shù)個邏輯節(jié)點相關連,是預先設定好的,其類型由IEC61850-7-3部分標準定義.邏輯節(jié)點是IED最為基礎的功能單元,一系列邏輯節(jié)點可以組成邏輯設備,設備的特定功能由其下子節(jié)點配合完成,數(shù)個邏輯設備能夠構(gòu)成智能電子設備,進一步構(gòu)成實際的物理裝置.

在建模過程中,首先要分析實際應用情況中的需求,選取相應的邏輯節(jié)點,然后以一定的組合方式將各節(jié)點組裝成邏輯設備,邏輯設備則可以在實際的裝置設計過程中進一步組合封裝為智能電子設備.本文對主動配電網(wǎng)終端層的信息建模,主要目標是完成對實際應用功能的需求分析、邏輯節(jié)點的選取和邏輯設備的構(gòu)建,而智能電子設備的封裝靈活度很大,在此不做具體的設計.

2分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的邏輯設備建模

作為主動配電網(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)通過與終端層-主站層之間的雙向通路,完成運行信息的上送與控制命令的下達,從而滿足主動配電網(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.

主動配電網(wǎng)中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)自動化運行與監(jiān)視控制所需要的功能包含光伏陣列運行監(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、開關設備監(jiān)視與控制、電氣量計量,以及光伏陣列運行監(jiān)視與控制等.根據(jù)功能的不同,選用不同的邏輯節(jié)點相組合,形成多種邏輯設備.

2.1光伏陣列監(jiān)控邏輯設備

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

系統(tǒng)LN中的邏輯節(jié)點零類(Logical Node Zero,LLN0)與邏輯節(jié)點物理設備(Logical and Physical Device,LPHD)是必需的邏輯節(jié)點.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數(shù)據(jù)屬性進行分組和打包,方便數(shù)據(jù)傳送;定值控制塊用于設定IEC61850抽象通信服務接口,來讀取定值組服務的參數(shù),由客戶端向服務器進行請求獲取定值組內(nèi)容;報告控制塊則用于設定服務器主動上送除定值數(shù)據(jù)集以外的數(shù)據(jù)集的服務參數(shù).LPHD則包含該LD所屬實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)點中,光伏組件額定參數(shù)(DPVM)邏輯節(jié)點包含光伏組件的基本特性,如標準測試條件下的組件額定輸出功率峰值,開路狀態(tài)下組件中流過的短路電流,在輸出功率達到峰值時組件中的電壓和電流以及組件使用壽命隨時間下降的百分比等;光伏陣列特性(DPVA)邏輯節(jié)點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、每個子陣列中并聯(lián)串數(shù)目、每個陣列中并聯(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)點用于光伏陣列控制,包括設定功率跟蹤器的電壓變化步長、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、最大功率點跟蹤模式)等.

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

2.2逐日控制邏輯設備

該邏輯設備主要完成對陣列角度的調(diào)整,以跟蹤太陽光,使陽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)點中囊括了逐日控制的多項參數(shù),如陽光跟蹤模式(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、天文學跟蹤方式的時間步長等定值參數(shù)、當前陣列所處的實時方位角和仰角等量測參數(shù),以及目標方位角、目標仰角、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)點中,如光伏陣列監(jiān)控邏輯設備介紹中所述.

2.3逆變器監(jiān)控邏輯設備

該邏輯設備主要用于監(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)點包含逆變器的最大輸出有功功率和無功功率的額定值、開關類型、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、輸出有功功率和無功功率、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,并可對其中的狀態(tài)值和測量值進行讀取操作,另外還可寫入定值.

2.4并網(wǎng)控制邏輯設備

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

在ECP處的運行特性(DOPR)包含接入同一個ECP的一組DER單元,可以是幾個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)或陣列,也可以是其他分布式能源的運行特性,包括物理上連接在一起的DER單元的列表、它們在該ECP處的電氣連接狀態(tài)、ECP的連接類型、ECP的額定參數(shù)及運行模式等.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功功率標稱值等定值參數(shù).同期邏輯節(jié)點(RSYN)封裝了同步并網(wǎng)判據(jù),用于計算并網(wǎng)點ECP處斷路器兩端的相電壓相量差,并與設定好的同步檢查條件相比較,同時控制同步并網(wǎng)的進行.光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制需要這3個邏輯節(jié)點互相配合才能完成,另外還有可能需要與其他諸如電氣量量測邏輯設備進行數(shù)據(jù)交換.

2.5環(huán)境監(jiān)測邏輯設備

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

溫度特性(STMP)邏輯節(jié)點完成溫度監(jiān)測相關的功能,可提供溫度測量值、變化速率值,同時可設定允許的最高、最低溫度與最大溫度變化速率,并在超過設定范圍時提供溫度告警或溫度變化速率告警.氣象測量(MMET)邏輯節(jié)點完成環(huán)境數(shù)據(jù)的相關量測功能,可提供太陽光的水平輻射強度、散射強度等輻射強度數(shù)據(jù),還可提供風向、濕度、日照時間等數(shù)據(jù).

2.6開關監(jiān)控邏輯設備

該邏輯設備主要用于控制分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)開關及交流側(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)開關的接口,CSWI則是封裝了開關的分合邏輯,可控制XCBR.Pos.stVal和XSWI.Pos.stVal屬性,即交流斷路器和直流開關的分合(若該邏輯設備要與保護配合,可能還需添加閉鎖信號對應的邏輯節(jié)點).XFUS邏輯節(jié)點代表熔斷器,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識等狀態(tài)量.

2.7電氣量量測邏輯設備

該邏輯設備主要用于直流電氣量與交流電氣量的量測或計算,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)點負責交流電流、電壓有效值及功率、頻率等電量的計算.而直流電流電壓值一般通過采樣電阻或霍爾傳感器采集,在IEC61850標準中,沒有與采樣電阻或霍爾傳感器對應的特定邏輯節(jié)點,因此以通用過程接口IO邏輯節(jié)點GGIO來完成直流電氣量的采集,由MMDC邏輯節(jié)點完成直流功率、電阻等量的計算.

2.8電氣量計量邏輯設備

該邏輯設備的主要功能是計量交流的電氣量值,其組成如圖8所示.其中,TCTR和TVTR邏輯節(jié)點分別完成實時電流與電壓的采集;MMTR邏輯節(jié)點完成有功功率和無功功率累積量的計算.假如用于電氣量計量與量測的邏輯設備中的數(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)點可以只在兩設備中選出其中一個進行實例化操作,另一個僅需與其建立邏輯連接,以便獲取所需的數(shù)據(jù).

3電池儲能系統(tǒng)相關邏輯設備建模

主動配電網(wǎng)中電池儲能系統(tǒng)的自動化運行與監(jiān)視控制所需的基本功能包含開關設備監(jiān)控、量測、計量及并網(wǎng)運行等,另外還包括AC-DC變換監(jiān)視與控制、儲能電池充電器監(jiān)視與控制,以及儲能電池狀態(tài)監(jiān)視與控制等特殊功能.

3.1整流器監(jiān)控邏輯設備

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

電池儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)交換功率是雙向的,因此既需要逆變器監(jiān)控邏輯設備,也需要整流器監(jiān)控邏輯設備.ZRCT邏輯節(jié)點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,也包含輸出功率設定值、輸出電壓設定值、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)控邏輯設備

該邏輯設備主要用于監(jiān)控儲能電池的充電器,其組成如圖10所示.ZBTC邏輯節(jié)點包含電池充電器的狀態(tài)(關斷、正常運行、測試模式等)、復位后的充電時間等狀態(tài)信息,還包括充電器類型(恒壓充電、恒流充電等)、充電曲線、分時充電曲線、再充電速率、充電器狀態(tài)設置等定值信息,以及充電電壓、充電電流等量測信息.

3.3電池狀態(tài)監(jiān)控邏輯設備

該邏輯設備的核心功能是檢測儲能電池的當前運行狀態(tài),其組成結(jié)構(gòu)如圖11所示.ZBAT邏輯節(jié)點包含電池的運行狀態(tài)、電壓過高或過充電、電壓過低或欠充電等狀態(tài)信息;還包含儲能電池類型標識、額定容量、標稱電壓、串聯(lián)電池數(shù)、并聯(lián)電池數(shù)、放電曲線、分時放電曲線、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)部溫度等量測信息,以及接通電池、啟動電池測試等控制信息.

4結(jié)語

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

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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：TM76;TM73

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)01-0029-06

通訊作者簡介：鄭欣(1982-),男,碩士,工程師,湖北孝感人.主要研究方向為繼電保護整定,配電自動化規(guī)劃,配網(wǎng)運行和維護等.E-mai:hust_zhx@163.com.

收稿日期：2015-10-20

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.008