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基于IEC 61850的主动配电网终端层信息建模
2017-08-25 11:22:35  作者:郑欣 马文婧等  来源:中国设计师网  
  •   主动配电网的主要特征是包含大量的分布式能源,其监控和管理过程中的信息需要有标准的信息模型支持[1]。IEC 61850标准的应用能够为现有的变电站自动化系统提供统一的通信方式、有效的建模方法及规范的配置手段[2]。为了实现主动配电网中大量分布式能源的优化控制与管理,需要在设备现场借鉴IEC 61850标准实现信息建模。目前,对于IEC 61850标准在传统配电自动化中的应用研究已取得了一些成果。文献[3]对FTU进行了IEC 61850建模。

  广州供电局有限公司 郑欣 马文婧 周仕杰 郭铭海 林亚培

  主动配电网的主要特征是包含大量的分布式能源,其监控和管理过程中的信息需要有标准的信息模型支持[1]。IEC 61850标准的应用能够为现有的变电站自动化系统提供统一的通信方式、有效的建模方法及规范的配置手段[2]。为了实现主动配电网中大量分布式能源的优化控制与管理,需要在设备现场借鉴IEC 61850标准实现信息建模。目前,对于IEC 61850标准在传统配电自动化中的应用研究已取得了一些成果。文献[3]对FTU进行了IEC 61850建模。文献[4]基于IEC 61850-7-420标准,研究了基于IEC 61850的分布式能源建模,但是只针对标准介绍了分布式能源监控功能所需要的逻辑节点,没有完成针对具体功能的逻辑设备或物理设备的构建。文献[5]在这方面的研究更深入一些,使用标准中的逻辑节点设计并开发了智能电子设备样机,实现了对微网的监控,但在模型构建时将所有分布式能源相关的逻辑节点都包含到了物理设备中,形成了一个总体的微网控制器,对功能没有明确的划分。

  目前已有的研究成果中基于IEC 61850的信息建模都存在不同程度的不足,有优化改进的空间。并且已有的研究都是以微网视角进行的,没有考虑主动配电网的特殊建模需求,因此,不能完全满足主动配电网信息集成的需要。本文结合目前已有的一些研究成果,根据主动配电网的特点,以最具代表性的分布式光伏发电系统和电池储能系统为例,在系统终端层面建立功能模块分明、逻辑结构合理的信息模型。

  1 IEC 61850信息建模方法

  IEC 61850信息建模的主要对象是智能电子设备.IED模型由数据属性、数据对象、逻辑节点、逻辑设备及IED 5个层级嵌套而成[6]。数据属性的类型符合标准且不可再分,是从属于逻辑节点中的基本单元;数据对象与一个或数个逻辑节点相关连,是预先设定好的,其类型由IEC 61850-7-3部分标准定义。逻辑节点是IED最为基础的功能单元,一系列逻辑节点可以组成逻辑设备,设备的特定功能由其下子节点配合完成,数个逻辑设备能够构成智能电子设备,进一步构成实际的物理装置。

  在建模过程中,首先要分析实际应用情况中的需求,选取相应的逻辑节点,然后以一定的组合方式将各节点组装成逻辑设备,逻辑设备则可以在实际的装置设计过程中进一步组合封装为智能电子设备。本文对主动配电网终端层的信息建模,主要目标是完成对实际应用功能的需求分析、逻辑节点的选取和逻辑设备的构建,而智能电子设备的封装灵活度很大,在此不做具体的设计。

  2 分布式光伏发电系统的逻辑设备建模

  作为主动配电网局部自治区域的重要组成部分,分布式光伏发电系统通过与终端层-主站层之间的双向通路,完成运行信息的上送与控制命令的下达,从而满足主动配电网分布式光伏发电系统的信息集成需求。其中,针对该系统的终端层IEC 61850建模是系统建模阶段必须要完成的工作。

  主动配电网中分布式光伏发电系统自动化运行与监视控制所需要的功能包含光伏阵列运行监视与控制、逐日控制、逆变器监控、并网控制、环境监测、开关设备监视与控制、电气量计量,以及光伏阵列运行监视与控制等。根据功能的不同,选用不同的逻辑节点相组合,形成多种逻辑设备。

  2.1 光伏阵列监控逻辑设备

  光伏阵列监控逻辑设备主要用于对光伏阵列实施监视和控制,其组成如图1所示。

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  系统LN中的逻辑节点零类与逻辑节点物理设备是必需的逻辑节点。LLNO中存有数据集、控制块和一些公共数据。其中,数据集以功能约束的方式对数据属性进行分组和打包,方便数据传送;定值控制块用于设定IEC 61850抽象通信服务接口,来读取定值组服务的参数,由客户端向服务器进行请求获取定值组内容。报告控制块则用于设定服务器主动上送除定值数据集以外的数据集的服务参数。LPHD则包含该LD所属实际物理装置的基本信息,如装置的铭牌、上电次数等。特定功能逻辑节点中,光伏组件额定参数(DPVM)逻辑节点包含光伏组件的基本特性,如标准测试条件下的组件额定输出功率峰值,开路状态下组件中流过的短路电流,在输出功率达到峰值时组件中的电压和电流以及组件使用寿命随时间下降的百分比等;光伏阵列特性(DPVA)逻辑节点包含光伏阵列的基本特征,譬如阵列类型(可能为阵列、子阵列、组件、串和光伏电站等)、阵列接地类型、每串中组件数目、每个子阵列中并联串数目、每个阵列中并联子阵列数目、阵列面积、阵列功率额定值、安装倾斜度与安装方位等;光伏阵列控制器(DPVC)逻辑节点用于光伏阵列控制,包括设定功率跟踪器的电压变化步长、跟踪频度、阵列的功率输出模式(如功率限制、直流控制、阵列电压控制、最大功率点跟踪模式)等。

  DPVC逻辑节点在完成控制功能时需要DPVA和DPVM逻辑节点提供阵列的基本参数信息。

  2.2 逐日控制逻辑设备

  该逻辑设备主要完成对阵列角度的调整,以跟踪太阳光,使阳光垂直照射光伏阵列,提高光能利用率的功能,其组成如图2所示。

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  跟踪控制器(DTRC)逻辑节点中囊括了逐日控制的多项参数,如阳光跟踪模式(有不跟踪、单轴水平旋转及双轴垂直旋转跟踪等)、跟踪状态、传感器跟踪方式的仰角步长、天文学跟踪方式的时间步长等定值参数、当前阵列所处的实时方位角和仰角等量测参数,以及目标方位角、目标仰角、跟踪命令等控制参数。

  需要注意的是,如果某光伏阵列不需要进行逐日控制,即位置和角度恒定或仅随季节作偶然调整,那么方位角和仰角参数是作为定值包含在DPVA逻辑节点中,如光伏阵列监控逻辑设备介绍中所述。

  2.3 逆变器监控逻辑设备

  该逻辑设备主要用于监控光伏发电系统的逆变器,其组成如图3所示。

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  逆变器(ZINV)逻辑节点包含逆变器的最大输出有功功率和无功功率的额定值、开关类型、冷却方法类型等状态数据;也包含交流侧相别类型(单相、双相、三相)、PQV约束曲线集中的激活项、输出有功功率和无功功率、功率因数、输出频率、输入直流电流及电压限值等定值数据;还包含了逆变器外壳温度、周边空气温度等测量值。非常全面地描述了逆变器控制所需的所有信息,并可对其中的状态值和测量值进行读取操作,另外还可写入定值。

  2.4 并网控制

  该逻辑设备主要用于分布式光伏发电系统的并网运行,其组成如图4所示。

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  在ECP处的运行特性(DOPR)包含接入同一个ECP的一组DER单元,可以是几个分布式光伏发电系统或阵列,也可以是其他分布式能源的运行特性,包括物理上连接在一起的DER单元的列表、它们在该ECP处的电气连接状态、ECP的连接类型、ECP的额定参数及运行模式等。分布式能源控制器特性(DRCT)表示DER单元的通用控制,它包含连接到其上的DER类型及最大的输出有功功率和无功功率标称值等定值参数。同期逻辑节点(RSYN)封装了同步并网判据,用于计算并网点ECP处断路器两端的相电压相量差,并与设定好的同步检查条件相比较,控制同步并网的进行。光伏发电系统的并网控制需要这3个逻辑节点互相配合才能完成,还需要与其他诸如电气量量测逻辑设备进行数据交换。

  2.5 环境监测逻辑设备

  该逻辑设备主要用于监测光伏发电系统中诸如温度、太阳辐射强度等环境数据,其组成如图5所示。

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  温度特性(STMP)逻辑节点完成温度监测相关的功能,可提供温度测量值、变化速率值,同时可设定允许的最高、最低温度与最大温度变化速率,并在超过设定范围时提供温度告警或温度变化速率告警。气象测量(MMET)逻辑节点完成环境数据的相关量测功能,可提供太阳光的水平辐射强度、散射强度等辐射强度数据,还可提供风向、湿度、日照时间等数据。

  2.6 开关监控逻辑设备

  该逻辑设备主要用于控制分布式光伏发电系统的直流侧开关及交流侧断路器,其组成如图6所示。其中,XCBR是指与交流侧断路器的接口,XSWI是指与直流侧开关的接口,CSWI则是封装了开关的分合逻辑,可控制XCBR.Pos.stVal和XSWI.Pos.stVal属性,即交流断路器和直流开关的分合(若该逻辑设备要与保护配合,可能还需添加闭锁信号对应的逻辑节点)。XFUS逻辑节点代表熔断器,它不可被控制,仅可被监视,包含如额定电流、额定电压、熔断器类型等定值量以及告警标识等状态量。

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  2.7 电气量量测逻辑设备

  该逻辑设备主要用于直流电气量与交流电气量的量测或计算,如逆变器的直流侧电流幅值,交流侧电流有效值及有功功率等,其组成如图7所示。其中,TCTR和TVTR逻辑节点分别代表电流互感器和电压互感器,用于采集交流电流和交流电压;MMXU逻辑节点负责交流电流、电压有效值及功率、频率等电量的计算。而直流电流电压值一般通过采样电阻或霍尔传感器采集,在IEC 61850标准中,没有与采样电阻或霍尔传感器对应的特定逻辑节点,因此以通用过程接口IO逻辑节点GGIO来完成直流电气量的采集,由MMDC逻辑节点完成直流功率、电阻等量的计算。

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  2.8 电气量计量逻辑设备

  该逻辑设备的主要功能是计量交流的电气量值,其组成如图8所示。其中,TCTR和TVTR逻辑节点分别完成实时电流与电压的采集;MMTR逻辑节点完成有功功率和无功功率累积量的计算。假如用于电气量计量与量测的逻辑设备中的数据是取自于相同的电压或电流互感器,那么TCTR和TVTR两逻辑节点可以只在两设备中选出其中一个进行实例化操作,另一个需与其建立逻辑连接,以便获取所需的数据。

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  3 电池储能系统相关逻辑设备建模

  主动配电网中电池储能系统的自动化运行与监视控制所需的基本功能包含开关设备监控、量测、计量及并网运行等,另外还包括AC-DC变换监视与控制、储能电池充电器监视与控制,以及储能电池状态监视与控制等特殊功能。

  3.1 整流器监控逻辑设备

  该逻辑设备的主要作用是监控电池储能系统的整流器,其组成如图9所示。

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  电池储能系统与电网交换功率是双向的,因此,既需要逆变器监控逻辑设备,也需要整流器监控逻辑设备。ZRCT逻辑节点包含整流器的换相类型、隔离类型、电压调节类型(输出电压固定、可变等)、整流转换类型,交流侧相别类型等状态信息,也包含输出功率设定值、输出电压设定值、输入电压限值、输入电流限值和输出电流限值等定值信息。

  3.2 电池充电器监控逻辑设备

  该逻辑设备主要用于监控储能电池的充电器,其组成如图10所示。ZBTC逻辑节点包含电池充电器的状态(关断、正常运行、测试模式等)、复位后的充电时间等状态信息,还包括充电器类型(恒压充电、恒流充电等)、充电曲线、分时充电曲线、再充电速率、充电器状态设置等定值信息,以及充电电压、充电电流等量测信息。

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  3.3 电池状态监控逻辑设备

  该逻辑设备的核心功能是检测储能电池的当前运行状态,其组成结构如图11所示。ZBAT逻辑节点包含电池的运行状态、电压过高或过充电、电压过低或欠充电等状态信息;还包含储能电池类型标识、额定容量、标称电压、串联电池数、并联电池数、放电曲线、分时放电曲线、自放电速率、最大放电电流、最大充电电压及电压过限值告警值等定值信息;也包括电池外电压、输出电压变化率、电池内电压、电池漏电流、电池内部电流、电池内部温度等量测信息,以及接通电池、启动电池测试等控制信息。

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  4 结论

  本文对主动配电网信息集成架构中的终端层进行了基于IEC 61850标准规定的建模工作,范围涉及主动配电网中最具代表性的分布式光伏发电系统和电池储能系统。分析了基于IEC 61850标准信息建模方法,提炼了主动配电网终端层的信息建模过程中涉及的需求分析、逻辑节点选取和逻辑设备构建的方法。对主动配电网终端层进行了建模,分析了光伏发电和电池储能系统的监控过程中所需要的功能,选取IEC 61850标准的逻辑节点,完成了特定功能逻辑设备的构建。针对主动配电网的终端层构建了符合IEC 61850标准规定的信息模型,从而为现场采集和监控提供基础的模型支持。

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  参考文献

  [1] 刘广一,黄仁乐.主动配电网的运行控制技术[J].供用电,2014(1):30-32.

  [2] 郑淼.IEC 61850变电站自动化系统通信模型建模的研究及设计[D].重庆:重庆大学,2010.

  [3] 韩国政,徐丙垠.基于IEC 61850标准的智能配电终端建模[J].电力自动化设备,2011,31(2):104-107.

  [4] 吴俊兴,辛建波,吴越.基于IEC 61850标准的分布式能源信息建模[C]//中国通信学会普及与教育工作委员会.2012年电力通信管理暨智能电网通信技术论坛论文集,2013:4.

  [5] OZANSOV C R,ZAYEGH A,KALAM A.The applicationview model of the international standard IEC 61850[J].IEEE Trans on Power Delivery,2009,24(3):1132-1139.

  [6] 韩法玲,黄润长,张华,等.基于IEC 61850标准的IED建模分析[J].电力系统保护与控制,2010,19(2):19-22.

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