光伏系統的IEC61850建模

摘要：為了得到解決分布式能源系統中設備的互操作問(wèn)題，設計了基于IEC61850標準的監控系統。應用IEC61850信息建模方法，給出了光伏發(fā)電系統的邏輯設備及其包含的主要邏輯節點(diǎn)，并詳細闡述其作用。應用緩存報告控制塊、文件傳輸模型作為實(shí)時(shí)通信協(xié)議，用于告警信息、測量信息的傳輸，實(shí)現了光伏監控系統IED的實(shí)時(shí)通信。

隨著(zhù)常規能源的逐漸衰竭和環(huán)境污染的日益加重，大規模發(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。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)化系統中基本的底層控制單元，傳統配電終端已不能滿(mǎn)足含微電網(wǎng)的新型配電網(wǎng)的監控需求。為了適應微電網(wǎng)接入對配電網(wǎng)的影響，需要將傳統配電終端升級改造為基于IEC61 850的分布式能源智能監控終端。IEC61850構建了一種公共的通信標準，并提出設備互操作的要求，使得不同的光伏發(fā)電系統設備間數據模型的統一變得尤為關(guān)鍵。

本文主要是實(shí)現基于IEC61850的光伏變電系統的建模與通信。設計了光伏電站的信息模型，完成功能分配和模型實(shí)現，設定通信方式，為實(shí)現光伏電站的標準化、信息化打下了基礎。

1 光伏系統的概述

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

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(cháng)、不污染環(huán)境、能獨立發(fā)電又能并網(wǎng)運行，受到各國企業(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，將太陽(yáng)輻射能直接轉換成電能的發(fā)電系統，包括光伏組件和配套部件(BOS)。

據智研咨詢(xún)統計：2012年全球光伏發(fā)電累計裝機達到97GW，2012年全球新增裝機30GW，中國新增裝機占全球總量的16%以上，隨著(zhù)國家對清潔能源產(chǎn)業(yè)的大力扶持，我國光伏發(fā)電系統產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)發(fā)展高峰期。

2 光伏系統IED模型的實(shí)現

2.1 光伏變電系統邏輯設備建模

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

2.2 光伏變點(diǎn)系統邏輯節點(diǎn)建模

邏輯設備由若干邏輯節點(diǎn)、數據集和不同的服務(wù)模型組成。

基于IEC61850標準結合實(shí)際光伏變電系統，繪制了光伏系統系統關(guān)聯(lián)的邏輯節點(diǎn)。如圖2所示。

2.3 基于“四遙”的光伏變電系統數據建模

由于現在變電站系統及遠程監控系統還沒(méi)有實(shí)現IEC61850標準化，仍需要使用已有網(wǎng)絡(luò )體系，對遠方的變電站進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。而IEC60870-5-x系列協(xié)議在電網(wǎng)系統得到實(shí)際使用并運行狀況良好，所以需要和已有系統進(jìn)行兼容，逐步實(shí)現系統標準化。所以光伏變電系統采用基于“四遙”進(jìn)行建模，能夠很好適應現在的通信體系，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現信息網(wǎng)間的傳輸，此方法具有較高可實(shí)行性。

2.3.1 遙測信息建模

光伏發(fā)電系統中遙測信息包括：饋線(xiàn)的電壓、電流值、頻率、有功、無(wú)功等。采用邏輯節點(diǎn)MMXU實(shí)現。逆變器直流側電氣量用邏輯節點(diǎn)MMXN來(lái)表示。電能計量邏輯節點(diǎn)MMT R。根據IEC61850—7—3和IEC61850—7—4，以測量邏輯節點(diǎn)MMXN為例，分別對其數據對象和屬性建模，如表1所示。

2.3.2 遙信信息建模

遙信信息一般是對告警情況、開(kāi)關(guān)或閥門(mén)位置等狀態(tài)信息的監視。表2為分布式電源狀態(tài)邏輯節點(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荷，來(lái)滿(mǎn)足正常運行的需要。過(guò)流、過(guò)壓、短路等情況保護裝置也會(huì )切除故障部分。微電網(wǎng)系統中控制信息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)的設備，執行微電網(wǎng)監控中心或者保護設備發(fā)出的控制指令。

2.3.4 遙調信息建模

遙調是對設備運行時(shí)的一些參數值進(jìn)行調整，如調節發(fā)電機輸出功率，變壓器分接頭位置。微電網(wǎng)的遙調信息主要負責調整微電網(wǎng)的分布式電源的運行參數。比如，DER并網(wǎng)時(shí)一般運行在恒功率PQ運行模式，PQ值的大小可以調節。表4以分布式電源控制器DTRC為例對遙調數據建模。

3 光伏變電系統IED實(shí)時(shí)信息通信

3.1 光伏發(fā)電系統通信服務(wù)選擇

構建基于IEC61850標準的微電網(wǎng)通信面臨三個(gè)問(wèn)題，一是基于三層的微電網(wǎng)通信結構各層之間采用何種服務(wù)進(jìn)行交互。二是不同數據類(lèi)型的數據分別采用什么服務(wù)進(jìn)行傳輸。三是系統中有些裝置不支持IEC61850標準定義的服務(wù)，如何進(jìn)行通信。解決方法如圖3所示，對于問(wèn)題一，就地控制層多存在數據采集和控制執行設備，所以就地控制層與集中控制層的數據交互的數據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，有詳細的規定。集中控制層與監控中心之間信息映射到采用MMS協(xié)議棧進(jìn)行傳輸。對于問(wèn)題二，控制、遙調、定值下發(fā)的數據采用控制服務(wù)，遙信、遙測、定值、SOE等上傳的數據采用報告控制塊。對于問(wèn)題三，采用通信網(wǎng)關(guān)解決，就地控制層數據通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)將非IEC61850標準支持的服務(wù)轉換成IEC61850支持的通信方式，再與監控中心通信。微電網(wǎng)監控中心與配網(wǎng)調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)議數據轉換成104協(xié)議與配網(wǎng)通信。

3.2 采用報告控制塊傳輸數據

報告控制模型分為帶緩沖的報告控制塊BRCB(Buffered Report Control Block)和不帶緩沖的報告控制塊URCB(Unbuffered Report Control Block)兩種類(lèi)型。使用BRCB時(shí)，如果外界條件不滿(mǎn)足報告傳送，它會(huì )存儲內部變化的數據達到一定數量后，如果條件滿(mǎn)足，再發(fā)送。這樣不會(huì )造成數據丟失，并能夠提供SOE功能。使用URCB則立即發(fā)送內部事件(數據變化、品質(zhì)變化、數據刷新等)報告，如果關(guān)聯(lián)不存在或者傳輸數據流過(guò)慢將丟失事件。報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(hù)端可根據自己的需要設定每個(gè)報告實(shí)例的屬性。在IED建模時(shí)，通過(guò)設置Report Control的“buffered”屬性為true，選擇緩沖型報告，對應FC為BR，否則為非緩沖型報告，對應FC為RP。通常遙信、告警、事件、SOE等報告建模為緩存類(lèi)型，遙測類(lèi)型的數據建模為非緩存型。

報告控制塊的響應一般有以下情況，客戶(hù)機與服務(wù)器建立連接時(shí)發(fā)出總召喚，設定監控的數據集發(fā)生了內部事件(dchg，qchg，dupd)，也會(huì )產(chǎn)生報告，將BRCB中數據集引用的數據屬性成員的值上送給客戶(hù)端。

4 結束語(yǔ)

微電網(wǎng)的出現解決了分布式電源發(fā)電中存在的問(wèn)題，既可以并網(wǎng)運行作為電力系統的一個(gè)節點(diǎn)，也可以獨立運行，給用電量小的系統或區域提供電力支持。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)對電能質(zhì)量的影響等等問(wèn)題，顯得越發(fā)重要。IEC61850標準對分布式電源提出了相應的標準，為IEC61850—7—420。但是該標準只是做出了整體描述，而分布式電源發(fā)展日新月異，因此要求我們在實(shí)施過(guò)程中，需要根據實(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計，避免歧義。