光伏系統(tǒng)的IEC61850建模

摘要：為了得到解決分布式能源系統(tǒng)中設(shè)備的互操作問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用IEC61850信息建模方法，給出了光伏發(fā)電系統(tǒng)的邏輯設(shè)備及其包含的主要邏輯節(jié)點(diǎn)，并詳細(xì)闡述其作用。應(yīng)用緩存報(bào)告控制塊、文件傳輸模型作為實(shí)時(shí)通信協(xié)議，用于告警信息、測(cè)量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)了光伏監(jiān)控系統(tǒng)IED的實(shí)時(shí)通信。

隨著常規(guī)能源的逐漸衰竭和環(huán)境污染的日益加重，大規(guī)模發(fā)展基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)已是必然趨勢(shì)。分布式能源主要通過(guò)微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)。配電終端是配電自動(dòng)化系統(tǒng)中基本的底層控制單元，傳統(tǒng)配電終端已不能滿足含微電網(wǎng)的新型配電網(wǎng)的監(jiān)控需求。為了適應(yīng)微電網(wǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)的影響，需要將傳統(tǒng)配電終端升級(jí)改造為基于IEC61 850的分布式能源智能監(jiān)控終端。IEC61850構(gòu)建了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，并提出設(shè)備互操作的要求，使得不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備間數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一變得尤為關(guān)鍵。

本文主要是實(shí)現(xiàn)基于IEC61850的光伏變電系統(tǒng)的建模與通信。設(shè)計(jì)了光伏電站的信息模型，完成功能分配和模型實(shí)現(xiàn)，設(shè)定通信方式，為實(shí)現(xiàn)光伏電站的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化打下了基礎(chǔ)。

1 光伏系統(tǒng)的概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)(PV System)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的是光生伏特效應(yīng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

它的主要部件是太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器和逆變器。其特點(diǎn)是可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、不污染環(huán)境、能獨(dú)立發(fā)電又能并網(wǎng)運(yùn)行，受到各國(guó)企業(yè)組織的青睞，具有廣闊的發(fā)展前景。利用光伏電池的光生伏打效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏組件和配套部件(BOS)。

據(jù)智研咨詢統(tǒng)計(jì)：2012年全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到97GW，2012年全球新增裝機(jī)30GW，中國(guó)新增裝機(jī)占全球總量的16%以上，隨著國(guó)家對(duì)清潔能源產(chǎn)業(yè)的大力扶持，我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)發(fā)展高峰期。

2 光伏系統(tǒng)IED模型的實(shí)現(xiàn)

2.1 光伏變電系統(tǒng)邏輯設(shè)備建模

根據(jù)光伏單元設(shè)備的功能及需求，可將其信息模型抽象為7個(gè)邏輯設(shè)備，其中包括光伏電氣連接點(diǎn)邏輯設(shè)備、光伏單元控制器邏輯設(shè)備、光伏發(fā)電邏輯設(shè)備、交直流轉(zhuǎn)換器邏輯設(shè)備、電池系統(tǒng)邏輯設(shè)備、物理量測(cè)邏輯設(shè)備以及光伏保護(hù)邏輯設(shè)備。上述7個(gè)邏輯設(shè)備共同組成了光伏單元設(shè)備的信息模型，各個(gè)邏輯設(shè)備各司其職又相輔相成，組成了光伏系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)。在確定邏輯設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)不同邏輯設(shè)備均分配了相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)其功能。根據(jù)IEC 61850-7-420提供的資料，光伏單元設(shè)備信息模型如圖1所示。

2.2 光伏變點(diǎn)系統(tǒng)邏輯節(jié)點(diǎn)建模

邏輯設(shè)備由若干邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集和不同的服務(wù)模型組成。

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合實(shí)際光伏變電系統(tǒng)，繪制了光伏系統(tǒng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的邏輯節(jié)點(diǎn)。如圖2所示。

2.3 基于“四遙”的光伏變電系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模

由于現(xiàn)在變電站系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化，仍需要使用已有網(wǎng)絡(luò)體系，對(duì)遠(yuǎn)方的變電站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。而IEC60870-5-x系列協(xié)議在電網(wǎng)系統(tǒng)得到實(shí)際使用并運(yùn)行狀況良好，所以需要和已有系統(tǒng)進(jìn)行兼容，逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。所以光伏變電系統(tǒng)采用基于“四遙”進(jìn)行建模，能夠很好適應(yīng)現(xiàn)在的通信體系，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)間的傳輸，此方法具有較高可實(shí)行性。

2.3.1 遙測(cè)信息建模

光伏發(fā)電系統(tǒng)中遙測(cè)信息包括：饋線的電壓、電流值、頻率、有功、無(wú)功等。采用邏輯節(jié)點(diǎn)MMXU實(shí)現(xiàn)。逆變器直流側(cè)電氣量用邏輯節(jié)點(diǎn)MMXN來(lái)表示。電能計(jì)量邏輯節(jié)點(diǎn)MMT R。根據(jù)IEC61850—7—3和IEC61850—7—4，以測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)MMXN為例，分別對(duì)其數(shù)據(jù)對(duì)象和屬性建模，如表1所示。

2.3.2 遙信信息建模

遙信信息一般是對(duì)告警情況、開(kāi)關(guān)或閥門位置等狀態(tài)信息的監(jiān)視。表2為分布式電源狀態(tài)邏輯節(jié)點(diǎn)DRCS的遙信信息建模實(shí)例。表中ECPConn代表光伏發(fā)電支路ECP連接狀態(tài)，true代表連接，false代表斷開(kāi)。時(shí)標(biāo)t是采集狀態(tài)信息的時(shí)間。

2.3.3 遙控信息建模

微電網(wǎng)系統(tǒng)中的遙控信息指控制斷路器、開(kāi)關(guān)、刀閘的開(kāi)合，例如微電網(wǎng)的能量管理策略會(huì)主動(dòng)的下發(fā)控制命令來(lái)啟停分布式電源或者投切負(fù)荷，來(lái)滿足正常運(yùn)行的需要。過(guò)流、過(guò)壓、短路等情況保護(hù)裝置也會(huì)切除故障部分。微電網(wǎng)系統(tǒng)中控制信息CSWI來(lái)建模如表3所示，由它來(lái)操作帶有斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的設(shè)備，執(zhí)行微電網(wǎng)監(jiān)控中心或者保護(hù)設(shè)備發(fā)出的控制指令。

2.3.4 遙調(diào)信息建模

遙調(diào)是對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的一些參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，如調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，變壓器分接頭位置。微電網(wǎng)的遙調(diào)信息主要負(fù)責(zé)調(diào)整微電網(wǎng)的分布式電源的運(yùn)行參數(shù)。比如，DER并網(wǎng)時(shí)一般運(yùn)行在恒功率PQ運(yùn)行模式，PQ值的大小可以調(diào)節(jié)。表4以分布式電源控制器DTRC為例對(duì)遙調(diào)數(shù)據(jù)建模。

3 光伏變電系統(tǒng)IED實(shí)時(shí)信息通信

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)通信服務(wù)選擇

構(gòu)建基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的微電網(wǎng)通信面臨三個(gè)問(wèn)題，一是基于三層的微電網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)各層之間采用何種服務(wù)進(jìn)行交互。二是不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)分別采用什么服務(wù)進(jìn)行傳輸。三是系統(tǒng)中有些裝置不支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的服務(wù)，如何進(jìn)行通信。解決方法如圖3所示，對(duì)于問(wèn)題一，就地控制層多存在數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行設(shè)備，所以就地控制層與集中控制層的數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)如控制信息可以使用GOOSE傳輸，采集信息可使用采樣值SMV服務(wù)，IEC61850—7—2，IEC61850—9，有詳細(xì)的規(guī)定。集中控制層與監(jiān)控中心之間信息映射到采用MMS協(xié)議棧進(jìn)行傳輸。對(duì)于問(wèn)題二，控制、遙調(diào)、定值下發(fā)的數(shù)據(jù)采用控制服務(wù)，遙信、遙測(cè)、定值、SOE等上傳的數(shù)據(jù)采用報(bào)告控制塊。對(duì)于問(wèn)題三，采用通信網(wǎng)關(guān)解決，就地控制層數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)將非IEC61850標(biāo)準(zhǔn)支持的服務(wù)轉(zhuǎn)換成IEC61850支持的通信方式，再與監(jiān)控中心通信。微電網(wǎng)監(jiān)控中心與配網(wǎng)調(diào)度中心間的信息交互使用IEC608 70—5—104協(xié)議.所以再通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)將MMS協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成104協(xié)議與配網(wǎng)通信。

3.2 采用報(bào)告控制塊傳輸數(shù)據(jù)

報(bào)告控制模型分為帶緩沖的報(bào)告控制塊BRCB(Buffered Report Control Block)和不帶緩沖的報(bào)告控制塊URCB(Unbuffered Report Control Block)兩種類型。使用BRCB時(shí)，如果外界條件不滿足報(bào)告?zhèn)魉?，它?huì)存儲(chǔ)內(nèi)部變化的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量后，如果條件滿足，再發(fā)送。這樣不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，并能夠提供SOE功能。使用URCB則立即發(fā)送內(nèi)部事件(數(shù)據(jù)變化、品質(zhì)變化、數(shù)據(jù)刷新等)報(bào)告，如果關(guān)聯(lián)不存在或者傳輸數(shù)據(jù)流過(guò)慢將丟失事件。報(bào)告控制塊可用于告警、事件、開(kāi)入、模擬量等需要上送的信息。Server與Client連接過(guò)程中，客戶端可根據(jù)自己的需要設(shè)定每個(gè)報(bào)告實(shí)例的屬性。在IED建模時(shí)，通過(guò)設(shè)置Report Control的“buffered”屬性為true，選擇緩沖型報(bào)告，對(duì)應(yīng)FC為BR，否則為非緩沖型報(bào)告，對(duì)應(yīng)FC為RP。通常遙信、告警、事件、SOE等報(bào)告建模為緩存類型，遙測(cè)類型的數(shù)據(jù)建模為非緩存型。

報(bào)告控制塊的響應(yīng)一般有以下情況，客戶機(jī)與服務(wù)器建立連接時(shí)發(fā)出總召喚，設(shè)定監(jiān)控的數(shù)據(jù)集發(fā)生了內(nèi)部事件(dchg，qchg，dupd)，也會(huì)產(chǎn)生報(bào)告，將BRCB中數(shù)據(jù)集引用的數(shù)據(jù)屬性成員的值上送給客戶端。

4 結(jié)束語(yǔ)

微電網(wǎng)的出現(xiàn)解決了分布式電源發(fā)電中存在的問(wèn)題，既可以并網(wǎng)運(yùn)行作為電力系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可以獨(dú)立運(yùn)行，給用電量小的系統(tǒng)或區(qū)域提供電力支持。而如今分布式電源的作用越來(lái)越大，并網(wǎng)的容量也在不斷增加，如何解決互操作問(wèn)題，解決分布式光伏電源接入配電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響等等問(wèn)題，顯得越發(fā)重要。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分布式電源提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為IEC61850—7—420。但是該標(biāo)準(zhǔn)只是做出了整體描述，而分布式電源發(fā)展日新月異，因此要求我們?cè)趯?shí)施過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行建模，具體問(wèn)題具體分析，需要增加的信息自己設(shè)計(jì)，避免歧義。