并網(wǎng)型微網(wǎng)規(guī)約轉(zhuǎn)換方案研究

任紅旭,王西鄧,張瑩,白申義

(許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461000)

并網(wǎng)型微網(wǎng)規(guī)約轉(zhuǎn)換方案研究

任紅旭,王西鄧,張瑩,白申義

(許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461000)

針對利用編程語言實現(xiàn)的PCS通信規(guī)約轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的效率低、靈活性差且難保證程序穩(wěn)定的問題,提出了一種基于可配置的PCS規(guī)約轉(zhuǎn)換方案,并將其應(yīng)用于微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)試驗。通過分析微網(wǎng)系統(tǒng)的特點,建立各個功能模塊的IEC61850模型、拓?fù)溆成潢P(guān)系,給出了一種具體可行的PCS轉(zhuǎn)換配置方案,完成了IEC61850規(guī)約和私有規(guī)約的映射轉(zhuǎn)換。實驗證明通過配置轉(zhuǎn)換方案能夠控制PCS裝置,實現(xiàn)儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的并離自動切換功能,提高了微網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量及自動化水平。

微網(wǎng)；IEC61850；PCS；分布式；并網(wǎng)；可配置

0 前言

隨著大電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,建設(shè)成本高、運行難度大的問題日益突出。而分布式能源具有電源位置靈活分散的特點,可以延緩輸配電網(wǎng)升級改造所需的高額投入,并且能夠通過和大電網(wǎng)的相互備用進(jìn)一步提高供電可靠性[1-3]。微電網(wǎng)正是在這種背景下提出的,它是由分布式電源、負(fù)荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置,按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),是能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)[4-6]。儲能系統(tǒng)是微網(wǎng)中必不可少的部門,因此儲能系統(tǒng)的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注,而能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (power conversion system,PCS)是儲能系統(tǒng)的重要組成部分,通過控制PCS實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的充放電管理、充放電功率控制、對正常及孤島運行方式下網(wǎng)側(cè)的電壓控制等,實現(xiàn)儲能系統(tǒng)直流與交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞,提高了為負(fù)荷供電的平穩(wěn)性[7]。IEC61850是數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ),它規(guī)范了變電站應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的配置、模型、服務(wù),功能、語法語義的統(tǒng)一性以及選用參數(shù)的規(guī)范性[8]。

1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是變電站通信的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范,它規(guī)定了變電站內(nèi)智能設(shè)備之間的通信行為和相關(guān)的系列要求。實現(xiàn)設(shè)備之間的互通互聯(lián)互操作的關(guān)鍵技術(shù)包括：變電站分層和交互接口、采用模型思想對變電站統(tǒng)一建模、抽象通信服務(wù)和特定通信服務(wù)、統(tǒng)一配置自描述語言等。具體如下：

1.1 通信分層

IEC61850將變電站的通信體系分為變電站層、間隔層和過程層等三個層次,并定義了層和層之間的通信接口及各層的主要功能,如過程層主要完成開關(guān)量I/O、模擬量的采樣和控制命令的發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能；間隔層主要是利用本間隔的數(shù)據(jù)對本間隔的一次設(shè)備產(chǎn)生作用；變電站層的功能主要有兩類：一是與過程相關(guān)的功能；二是與接口相關(guān)的功能。通信體系分層如圖1所示：

圖1 數(shù)字化變電站通信分層方案

1.2 統(tǒng)一建模

為規(guī)范IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用,實現(xiàn)各制造廠商設(shè)備的互操作性,提高IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備生產(chǎn)、調(diào)試、檢修、運行的便利性,特制定IEC 61850工程應(yīng)用模型。IEC61850采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù),建模又分為單個IED設(shè)備的建模和整站級別的建模。設(shè)備制造廠商僅僅考慮IED設(shè)備的建模文件,每個IED應(yīng)包含一個或多個服務(wù)器,每個服務(wù)器本身又包含一個或多個邏輯設(shè)備 (LD)。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點 (LN),邏輯節(jié)點包含數(shù)據(jù)對象 (DO)。數(shù)據(jù)對象則是由數(shù)據(jù)屬性 (DA)構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類 (CDC)的命名實例。

IEC61850將抽象通信服務(wù)分為兩類：

1)基于客戶/服務(wù)器模式的制造報文規(guī)范MMS(ManufacturingMessageSpecification)報文[8]。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文的規(guī)范,該類報文是點對點單播報文,主要為站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間以及站控層設(shè)備之間的通信報文。

2)發(fā)布者/訂閱者模式,主要應(yīng)用在針對快速和可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)中,例如采樣值 (SV)傳輸、通用變電站事件 (GOOSE)等服務(wù)。SV報文傳輸?shù)男畔檫^程層至間隔層的采樣數(shù)據(jù),報文協(xié)議基于 IEC61850-9-l(點對點模式)、IEC61850-9-2協(xié)議 (組網(wǎng)方式)[8]。GOOSE報文傳送的信息主要包括間隔層之間的閉鎖信號,間隔層與過程層之間的位置信號、狀態(tài)信號以及控制信號等。典型的設(shè)備模型如圖2所示。

圖2 IED裝置通信模型及服務(wù)

1.4 自描述

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義了采用設(shè)備名、邏輯節(jié)點名、實例編號和數(shù)據(jù)類名建立對象名的命名規(guī)則,在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行了自我描述,傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明,不需要再對數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的轉(zhuǎn)換映射工作。

城鎮(zhèn)化是每個貧困地區(qū)發(fā)展必經(jīng)的過程，武夷山民族地區(qū)如果要實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，必然要經(jīng)歷城鎮(zhèn)化這一發(fā)展階段。武夷山地區(qū)要推進(jìn)城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，應(yīng)該要重視城鎮(zhèn)化進(jìn)程，結(jié)合本地的發(fā)展的基本特征，科學(xué)地規(guī)劃城鎮(zhèn)。

2 PCS通信

通信是微電網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的命脈,其可靠性直接影響到電網(wǎng)系統(tǒng)的可用性、能用性。通過在IEC61850規(guī)約和PCS私有規(guī)約的轉(zhuǎn)換中引入可配置的轉(zhuǎn)換方案,實現(xiàn)了后臺與PCS設(shè)備的通信。PCS規(guī)約轉(zhuǎn)換方案如圖3所示：

圖3 PCS規(guī)約轉(zhuǎn)換方案

2.1 通信分類

MMS報文和GOOSE報文是微網(wǎng)系統(tǒng)的通訊基礎(chǔ)[9],具體如下。

1)通過MMS報文實現(xiàn)PCS的四遙功能。

2)通過 GOOSE報文實現(xiàn)二次回路信息交互。

2.2 配置轉(zhuǎn)換方案

按照IEC61850建模標(biāo)準(zhǔn),對相應(yīng)的功能點(MMS/GOOSE點等)進(jìn)行IEC61850建模,并自動形成與模型對應(yīng)的點號表。根據(jù)IEC61850規(guī)約和私有規(guī)約的轉(zhuǎn)換協(xié)議,配置點表中的點號與私有協(xié)議中點號的關(guān)系映射表。在點號表找到需要關(guān)聯(lián)的點,在關(guān)聯(lián)參數(shù)中,選擇私有協(xié)議報文中對應(yīng)的點號的通信類型、通信位置、掩碼、位移、系數(shù)等信息,通過關(guān)聯(lián)配置操作,生成這兩點號之間的映射關(guān)系表。配置映射關(guān)系如圖4所示：

圖4 配置規(guī)約轉(zhuǎn)換映射關(guān)系圖

創(chuàng)建規(guī)約轉(zhuǎn)換任務(wù)并初始化與61850任務(wù)的交互接口,用關(guān)系映射表配置規(guī)約轉(zhuǎn)換任務(wù),并實現(xiàn)與終端設(shè)備的通信連接。創(chuàng)建61850任務(wù)并初始化與規(guī)約轉(zhuǎn)換任務(wù)的交互接口,用創(chuàng)建的模型文件配置61850任務(wù),并實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的通信連接。規(guī)約轉(zhuǎn)換流程如圖5所示：

圖5 規(guī)約轉(zhuǎn)換流程圖

2.3 組網(wǎng)方案

不同的組網(wǎng)方式會影響站內(nèi)報文通信的快速及時性,經(jīng)過交換機(jī)越多網(wǎng)絡(luò)延時越大。本站采用MMS和GOOSE獨立組網(wǎng),降低網(wǎng)絡(luò)的互擾度,提高變電站的通信的及時性。遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等四遙信息通過MMS交換機(jī)與監(jiān)控后臺管理系統(tǒng)通信。站內(nèi)設(shè)備的二次回路連線信息通過GOOSE交換機(jī)實現(xiàn)信息交互。

基于GOOSE傳送信息對實時性以及可靠性的要求,每個IED裝置具備獨立的GOOSE通信共享口,在站級模型中,通過使用VLAN劃分、報文優(yōu)先級定義、數(shù)據(jù)集劃分優(yōu)化等技術(shù),保證GOOSE報文的快速準(zhǔn)確性。

2.4 對時方案

在微網(wǎng)系統(tǒng)中,為了確保數(shù)據(jù)的同步性,必須要配置時間同步裝置來統(tǒng)一站內(nèi)裝置的系統(tǒng)時間。簡單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 (SNTP)同步對時系統(tǒng)采用雙星100 M以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),通過變電站站控層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供對時服務(wù),各個IED設(shè)備應(yīng)具備接收SNTP對時功能。由于接線方便,對時精度滿足要求,SNTP對時系統(tǒng)是微網(wǎng)系統(tǒng)同步配置的一種較好的選擇。

3 儲能系統(tǒng)并網(wǎng)實驗

通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)聯(lián),由儲能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)荷共同組成一個儲并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng),將所有電源點發(fā)出的電能直接分配到用電負(fù)載上,多余時經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入大電網(wǎng)或者對儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電操作；不足時通過儲能系統(tǒng)或電網(wǎng)來調(diào)節(jié),并且電力之間交換是雙向的,使得電網(wǎng)質(zhì)量、穩(wěn)定性及供電可靠性有很大的提升。

3.1 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)由儲能裝置和PCS兩部分組成。儲能裝置主要實現(xiàn)能量的儲存和釋放,PCS主要實現(xiàn)充放電控制、功率調(diào)節(jié)和控制等功能。儲能系統(tǒng)為微網(wǎng)系統(tǒng)提供了可調(diào)度條件,根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng),還具有備用電源點的功能,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)停電、限電及故障時,可獨立運行,正常向負(fù)載供電。

3.2 規(guī)范轉(zhuǎn)換

PCS通過RS-485串口和CAN口連接儲能裝置,并收集儲能設(shè)備的電量信息、狀態(tài)信息等并轉(zhuǎn)換為IEC61850規(guī)約協(xié)議通過以太網(wǎng)口與監(jiān)控系統(tǒng)連接；通過以太網(wǎng)口連接監(jiān)控系統(tǒng),下設(shè)開、關(guān)機(jī)等遙控信息、模擬量參數(shù)等遙調(diào)信息并轉(zhuǎn)換為私有規(guī)約協(xié)議通過RS-485串口和CAN口控制儲能設(shè)備。根據(jù)功能點,配置模型文件和關(guān)系映射文件；創(chuàng)建規(guī)約轉(zhuǎn)換任務(wù)、61850任務(wù)、交互接口、PCS邏輯任務(wù),用關(guān)系映射表配置規(guī)約轉(zhuǎn)換任務(wù),用創(chuàng)建的模型文件配置61850任務(wù),實現(xiàn)與后臺的通信連接。PCS通信體系拓?fù)淙?所示。

圖6 PCS通信體系拓?fù)鋱D

3.3 并網(wǎng)實驗

微網(wǎng)系統(tǒng)的PCS接收來自并網(wǎng)控制裝置的有功、無功并網(wǎng)點信息、線路保護(hù)控制裝置的有功、無功電源點信息及微網(wǎng)終端設(shè)備的有功、無功負(fù)荷信息。由協(xié)調(diào)控制裝置發(fā)送主動離網(wǎng)指令、被動并離網(wǎng)指令到并網(wǎng)控制器,在由并網(wǎng)控制器控制PCS儲能系統(tǒng)的并離切換動作。微網(wǎng)并網(wǎng)接口通信邏輯如圖7所示。

圖7 微網(wǎng)并網(wǎng)接口裝置通信方案

圖8 PCS儲能設(shè)備通信方案

PCS接收電池堆狀態(tài)、超級電容狀態(tài)、并網(wǎng)點開關(guān)分、合命令及同期調(diào)節(jié)命令、MC-V/F預(yù)置命令和待機(jī)命令等,PCS通信邏輯如圖8所示。PCS規(guī)約轉(zhuǎn)換控制器通過接口與電池管理系統(tǒng)通訊,獲取電池組狀態(tài)信息,實現(xiàn)對電池的保護(hù)性充放電,確保電池運行安全。

設(shè)置其中一臺PCS為主機(jī),通過直流進(jìn)線開關(guān)和交流進(jìn)線開關(guān)操作,請求并網(wǎng)運行時,首先由能量管理系統(tǒng)與微網(wǎng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制器建立通信鏈路并交互并網(wǎng)確認(rèn)信息,由微網(wǎng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制器下發(fā)并離網(wǎng)指令到并網(wǎng)控制器,PCS規(guī)約轉(zhuǎn)換功能快速響應(yīng)并網(wǎng)指令。并網(wǎng)過程中,儲能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)進(jìn)入穩(wěn)態(tài),保證了電壓的穩(wěn)定性。實驗表明,通過配置實現(xiàn)的PCS規(guī)約轉(zhuǎn)換方案,能夠設(shè)置相應(yīng)的儲能系統(tǒng)的并離網(wǎng)狀態(tài),可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)和電網(wǎng)的無縫切換。

4 結(jié)束語

隨著分布式能源的不斷發(fā)展,微電網(wǎng)的不斷建設(shè),儲能系統(tǒng)作為微網(wǎng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),對提高電能質(zhì)量、增加系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用將更加突出,與此對應(yīng),作為儲能系統(tǒng)的控制設(shè)備PCS作用更加重要,這種只需要修改PCS裝置模型及其對應(yīng)的關(guān)系映射表,不需要修改程序,就能保證PCS快速連接通信的方案,具有很好的應(yīng)用前景。

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Study on Protocol Conversion Scheme Based on Configurable PCS Utility-micro-grid

REN Hongxu,WANG Xideng,ZHANG Ying,BAI Shenyi
(XJ Electric Company Limited,Xuchang,Henan 461000,China)

The efficiency of PCS communication protocol conversion programming language in the low,poor flexibility and is difficult to guarantee the stability of the procedure problems,put forward a transition scheme based on the configuration of the PCS protocol,and the grid to test its application in micro grid energy storage system.Through the analysis of micro grid system,establishing IEC61850 model,topological mapping relation of each module,and gives a feasible PCS conversion scheme,completed the conversion of the mapping of the IEC61850 protocol and private protocol.The experiments prove that the configuration transformation scheme can control the PCS device,to achieve energy storage system and the grid system and the automatic switching function,improve the system of power quality and the level of automation.

micro-Grid；IEC61850；PCS；distributed-energy；utility-grid；configure

TM76

B

1006-7345(2015)01-0059-04

2014-08-18

任紅旭 (1984),男,碩士,許繼電氣股份有限公司,研究方向為數(shù)字化變電站通訊技術(shù) (e-mail)renhongxu＠xjgc.com。

王西鄧 (1979),男,本科,許繼電氣股份有限公司,研究方向為數(shù)字化變電站通訊技術(shù) (e-mail)wangxideng＠xjgc.com。

張瑩 (1984),女,碩士,許繼電氣股份有限公司,研究方向為數(shù)字化變電站通訊技術(shù) (e-mail)zhangying＠xjgc.com。