基于IEC61850的分布式能源通信模型介紹

張鐘平，徐荻森，倪 泓

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310000；3.浙江廣豐電源設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310000）

近幾年，在國家的大力支持下，分布式能源如雨后春筍般在全國各地興起，在其帶來一定發(fā)展機遇的同時也給傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻的考驗，例如改變了配電網(wǎng)的電壓水平，提高了配電網(wǎng)的短路容量，使得繼電保護配置更加復(fù)雜，影響供電可靠性等。傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)用的通信方式大多采用modbus協(xié)議，鑒于傳輸介質(zhì)和協(xié)議的局限性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速度相對比較慢，往往需要幾秒傳輸時間。本論文介紹IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)在分布式領(lǐng)域的應(yīng)用及相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型研究，應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)可以使分布式能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率大大提高，從而使得系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信效率、執(zhí)行效率大大提高，數(shù)據(jù)傳輸達ms級，網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性也隨之大幅度提高。

1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)簡介

IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)是國際電工委員會提出的一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的公共通信標(biāo)準(zhǔn)，是目前數(shù)字化變電站主流的通信協(xié)議。它將不同類型的設(shè)備有效集成到系統(tǒng)中，IEC61850為數(shù)字化變電站的自動化系統(tǒng)制定了全面和系統(tǒng)的規(guī)范，IEC61850第二版已將應(yīng)用領(lǐng)域擴展到變電站外，比如燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)和可再生能源，對整個電力系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展起到了重要的推進作用。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容如圖1所示。

2 分布式能源IEC61850通信

分布式能源系統(tǒng)每個設(shè)備和系統(tǒng)的通信協(xié)議都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，常見的有TCP、Modbus、CDT等協(xié)議。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在一開始制定時，就考慮到未來IEC61850的擴展應(yīng)用，IEC61850第7～420中定義了分布式能源（太陽能發(fā)電模型等DER）、應(yīng)用于分布式能源的信息交換的DL/T860信息模型。分布式能源由分散發(fā)電設(shè)備和分散儲能設(shè)備組成，包括往復(fù)式發(fā)動機、燃料電池、微渦輪機、光伏設(shè)備、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備和儲能設(shè)備。

圖1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容

圖2 基于IEC61850通信的微網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 分布式能源通信結(jié)構(gòu)

目前的微網(wǎng)系統(tǒng)底層設(shè)備制造廠家眾多，導(dǎo)致底層設(shè)備通信接口與通信規(guī)約不統(tǒng)一。微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)按設(shè)備功能分層，可以分為3層，即微網(wǎng)設(shè)備層、協(xié)議轉(zhuǎn)換層、微網(wǎng)管理層。基于IEC61850通信的微網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微網(wǎng)設(shè)備層主要包括光伏陣列、風(fēng)電機組、內(nèi)燃機、柴油機、燃料電池組、儲能電池組等能源設(shè)備以及與其相配套的整流器、逆變器、DER控制器和通信管理機等設(shè)備。

協(xié)議轉(zhuǎn)換層主要包括協(xié)議轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備。微網(wǎng)管理層包括操作員站、工程師站等設(shè)備。

2.2 分布式能源IEC61850建模方法

采用IEC61850提供的數(shù)據(jù)模型和邏輯節(jié)點可完成對分布式能源中關(guān)鍵設(shè)備的信息建模。下面，以DER單元控制器為例說明。DER單元控制器邏輯設(shè)備模型如圖3所示。

圖3 DER單元控制器邏輯設(shè)備建模

如圖3所示，LLN0包含IED的相關(guān)信息、控制IED自檢，LPHD為物理裝置的公共信息模塊，MMXU為測量邏輯節(jié)點，CSWI為開關(guān)控制器邏輯節(jié)點。

2.2.1 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)模型研究

根據(jù)燃料電池的運行特點和要求，其通信的信息模型包含7個邏輯設(shè)備，其中包括物理量測量邏輯設(shè)備、燃料電池系統(tǒng)邏輯設(shè)備、電氣連接點邏輯設(shè)備、電池發(fā)電邏輯設(shè)備、交直流轉(zhuǎn)換器邏輯設(shè)備、單元控制器邏輯設(shè)備和電池保護邏輯設(shè)備。發(fā)電系統(tǒng)邏輯設(shè)備模型如圖4所示。

圖4 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)邏輯設(shè)備建模

邏輯設(shè)備包含了多個邏輯節(jié)點，如圖5所示。

2.2.2 微網(wǎng)管理系統(tǒng)模型研究

IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)中，其DER控制器和微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)一般采用GOOSE報文通信。

通過微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)與DER單元控制器的信息迅速交互，可以使得整個系統(tǒng)在末端負(fù)荷出現(xiàn)非正常情況下迅速提出相應(yīng)的控制策略。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)與DER控制器GOOSE信息交互如圖7所示。

圖5 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)邏輯節(jié)點分布圖

圖6 微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)與DER控制器信息交互

圖7 微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)與控制器GOOSE通信

3 結(jié)束語

目前，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)分布式能源領(lǐng)域的應(yīng)用還處于研究探索階段，雖然IEC61850標(biāo)準(zhǔn)里面已經(jīng)對分布式能源有了具體的定義，但底層的設(shè)備還無法統(tǒng)一實現(xiàn)IEC61850通信。本文基于IEC61850進行分布式能源的通信模型及技術(shù)研究，可以實現(xiàn)微網(wǎng)底層設(shè)備的通信協(xié)議的統(tǒng)一，全站達到真正的IEC61850水平，這是未來分布式能源的發(fā)展方向。

［1］王建，李興源，邱曉燕.含有分布式發(fā)電裝置的電力系統(tǒng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（24）：90-97.

［2］高亞棟，朱炳銓，李慧，等.數(shù)字化變電站的“虛端子”設(shè)計方法應(yīng)用研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（5）：124-127.

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［4］IEC 61850-Communication networks and systems in substations：Part 7-2 basic communication structure for substation and feeder equipment--abstract communication service interface［S］.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2003.