基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)建模

顧建煒，李 佳，李子旭，張鐵峰

（1.杭州供電公司浙江杭州310009；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003）

實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)是在配電網(wǎng)中廣泛接入分布式電源并使其高度滲透的重要手段[1-2]，其主要目標(biāo)為提高供電的質(zhì)量和配電網(wǎng)運(yùn)行效率，能夠大量接入分布式電源，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)化、信息化和互動(dòng)化，并使其具備自愈能力[3]。大力推進(jìn)分布式能源建設(shè)的進(jìn)度，配電網(wǎng)滿足分布式可再生能源發(fā)電的接入和管理成為日益迫切的問(wèn)題。2013年浙江富陽(yáng)市1230戶農(nóng)戶被作為光伏發(fā)電并網(wǎng)的試點(diǎn)，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)2460 kVA，首批“反孤島裝置”也在富陽(yáng)正式投入使用[4]，該裝置的使用為低壓光伏電站接入配電網(wǎng)提供了自動(dòng)化保護(hù)，對(duì)分布式能源發(fā)展具有重要意義。然而，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)范，近年建設(shè)光伏電站采用標(biāo)準(zhǔn)不一，給未來(lái)電網(wǎng)技術(shù)升級(jí)和協(xié)調(diào)控制埋下隱患，也阻礙了電網(wǎng)互動(dòng)化能力提升。

理想情況下，家庭光伏電站接入配電網(wǎng)后，電網(wǎng)需要光伏電站的監(jiān)測(cè)信息，同時(shí)光伏電站也需要來(lái)自電網(wǎng)側(cè)的控制指令，二者需要雙向互動(dòng)。因此，需要安全自動(dòng)裝置保障電網(wǎng)的可靠運(yùn)行并確保維修工人的安全，此安全自動(dòng)裝置也稱為“孤島監(jiān)測(cè)與保護(hù)裝置”。在我國(guó)，對(duì)孤島保護(hù)裝置的研究不少，裝置的防孤島保護(hù)功能基本依靠光伏逆變器實(shí)現(xiàn)，研究大部分在此基礎(chǔ)上改進(jìn)。但多數(shù)研究集中在如何快速、準(zhǔn)確檢測(cè)出孤島狀態(tài)，并未考慮諸多配電終端設(shè)備間信息的互操作需求。孤島保護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)具備互操作性，遵循統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以支持電網(wǎng)與光伏電站間的信息交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的互動(dòng)化功能。IEC61850是電力公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，其提高了系統(tǒng)的可開(kāi)發(fā)性、通用性和可擴(kuò)展性，能夠支持來(lái)自不同廠家甚至不同設(shè)備間的互操作。因此，基于IEC61850的光伏監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)裝置可以支持配電自動(dòng)化系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)的互操作[5]。

國(guó)際上，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配電領(lǐng)域的應(yīng)用已有開(kāi)展，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[6]。在我國(guó)起步較晚，IEC61850在配電領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)不及在變電站領(lǐng)域成熟，成果也局限于理論方面[7]。目前，一些配電終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)了基于IEC61850的建模，但光伏電站孤島檢測(cè)的建模研究還很少涉及。

利用IEC 61850的建模思想和建模方法，結(jié)合配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀與發(fā)展，本文研究了基于IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)建模。

1 光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)

若主網(wǎng)因某種原因與用戶斷開(kāi)，用戶側(cè)的光伏電站仍會(huì)向鄰近當(dāng)?shù)刎?fù)載供電，形成孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)失控將對(duì)線路工作人員和連接設(shè)備造成嚴(yán)重危害，對(duì)配電網(wǎng)的保護(hù)動(dòng)作也可能造成難以預(yù)料的后果。在單相配電系統(tǒng)中，孤島運(yùn)行的光伏電站會(huì)造成三相不平衡供電，危及電氣設(shè)備和用電安全[8]。故障排除后孤島會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行開(kāi)關(guān)兩側(cè)相位不同步，產(chǎn)生電流沖擊，影響電網(wǎng)安全。因此，分布式配電系統(tǒng)需要快速檢測(cè)孤島狀態(tài)。

針對(duì)光伏電站接入配電網(wǎng)可能帶來(lái)的影響，《光伏電站并網(wǎng)安全條件及評(píng)價(jià)規(guī)范》[9]中要求分布式光伏發(fā)電逆變器具備快速檢測(cè)孤島的能力，且檢測(cè)到孤島后快速斷開(kāi)與電網(wǎng)的連接[10]。分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)在并網(wǎng)點(diǎn)配置自動(dòng)檢測(cè)裝置，該裝置完成頻率、電壓異常緊急控制功能，如異常可自動(dòng)跳開(kāi)連接并網(wǎng)點(diǎn)的斷路器。我國(guó)當(dāng)前試運(yùn)行光伏電站為有計(jì)劃性孤島，要求用戶側(cè)配置頻率、電壓控制裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)異常時(shí)的控制。

圖1，圖2為兩種典型分布式光伏接入電網(wǎng)的示意圖。圖1為接入10 kV用戶的一次系統(tǒng)接線示意。圖2為接入380 V用戶配電箱一次系統(tǒng)的接線示意。該方式適合自發(fā)自用、余量上網(wǎng)（接入用戶電網(wǎng)）的用戶低壓電站。

圖1 光伏電站接入10kV一次系統(tǒng)

圖2 光伏電站通過(guò)380 V用戶配電箱接入一次系統(tǒng)

反孤島控制是支持光伏發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的必備手段。一般情況下，聯(lián)網(wǎng)式逆變器應(yīng)自備防孤島功能，為確保電網(wǎng)可靠運(yùn)行，外部并網(wǎng)點(diǎn)也應(yīng)設(shè)置防孤島保護(hù)裝置，以在孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)作為后備保護(hù)快速切斷光伏電源。文中針對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)另設(shè)防孤島保護(hù)裝置的情況研究。

2 信息交互需求分析

基于IEC61850的光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)工作流程描述為：遵循IEC61850的智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Equipment，IED）實(shí)時(shí)采集并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流和電壓、光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率等信息[11]，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障時(shí)，把監(jiān)測(cè)和故障信息傳到配電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（Distribution SupervisoryControlAndDataAcquisition，DSCADA）系統(tǒng)；DSCADA系統(tǒng)轉(zhuǎn)換IEC61850消息為CIM（Common Information Model）消息，并將其傳至負(fù)荷控制和管理（Load Control And Management，LCM）系統(tǒng)，斷開(kāi)電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)和并網(wǎng)點(diǎn)的斷路器，完成拉閘操作[12]；

DSCADA系統(tǒng)通知檢修部門進(jìn)行檢修，檢修完成后發(fā)送檢修完成的通知給DSCADA系統(tǒng)，DSCADA系統(tǒng)發(fā)送消息給LCM系統(tǒng)，LCM完成電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)斷路器的合閘操作。光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)用例如圖3所示，其時(shí)序圖如圖4。

圖3 光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)用例圖

在光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)系統(tǒng)中，DSCADA、LCM，MALNT環(huán)節(jié)遵循CIM標(biāo)準(zhǔn)，涉及CIM包的量測(cè)、故障、停電和保護(hù)包等。相關(guān)實(shí)體可參照CIM標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建類圖。

圖4 光伏電站監(jiān)測(cè)與保護(hù)時(shí)序圖

IED遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，配電管理系統(tǒng)（DSCADA、LCM和MALNT）遵循CIM標(biāo)準(zhǔn)，信息交互涉及CIM與IEC61850兩個(gè)信息模型[13]。因IEC61850和CIM各自制定目標(biāo)及側(cè)重不同，故其內(nèi)容及特點(diǎn)等也不一樣，需進(jìn)行模型協(xié)調(diào)[14]，協(xié)調(diào)包括類、關(guān)系、屬性等方面，該部分另文處理。

3 光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)的IEC61850 建模

3.1 基于IEC61850的信息建模

依據(jù)IEC61850-7-420標(biāo)準(zhǔn)，分布式能源通過(guò)電氣連接點(diǎn)（Electrical Connection Point，ECP）并入電網(wǎng)。光伏系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行需具備的功能[15-16]包括操作、監(jiān)視斷路器和隔離設(shè)備，在故障情況下保護(hù)電力設(shè)備與人身安全、測(cè)量和計(jì)算、監(jiān)視逆變器、使陣列輸出最大功率、孤島運(yùn)行、儲(chǔ)能與氣象測(cè)量。全部功能可分解為7個(gè)邏輯設(shè)備：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、交直逆變器邏輯設(shè)備、電池系統(tǒng)邏輯設(shè)備、物理測(cè)量邏輯設(shè)備以及光伏保護(hù)邏輯設(shè)備。配置邏輯節(jié)點(diǎn)后，邏輯設(shè)備和邏輯節(jié)點(diǎn)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的分布如圖5。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的邏輯設(shè)備和邏輯節(jié)點(diǎn)

光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)功能可合并建模為一個(gè)具備3個(gè)邏輯設(shè)備的IED，如圖6。3個(gè)邏輯設(shè)備分別是LD1（一般）、LD2（保護(hù)）、LD3（量測(cè)），圖中僅展示了部分邏輯節(jié)點(diǎn)。

圖6展示了IED完整的模型結(jié)構(gòu)，它主要由服務(wù)器（Server）、邏輯設(shè)備LD（Logical Device）、邏輯節(jié)點(diǎn)LN（Logical Node）、數(shù)據(jù)對(duì)象 DO（Device Object）、數(shù)據(jù)屬性DA（DataAttribute）共5部分組成。其詳細(xì)描述如下：

Server是一個(gè)功能節(jié)點(diǎn)，向其他功能節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)或允許其他功能節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)其資源，配置至少一個(gè)訪問(wèn)點(diǎn)，訪問(wèn)點(diǎn)描述了IED與實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系。

圖6 光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)信息模型

LD1包含公共數(shù)據(jù)類邏輯節(jié)點(diǎn)LLNO和LPHD，故障錄波RADR、存檔IARC、人機(jī)接口IHMI、RDRS、擾動(dòng)記錄功能節(jié)點(diǎn)RDRE；

LD2定義了保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PTRC（包括動(dòng)作、啟動(dòng)和跳閘輸出）、斷路器XCBR、開(kāi)關(guān)控制CSWI、頻率變化保護(hù)PFRC和逆功率保護(hù)PDPR、欠/過(guò)電壓保護(hù)PTUV/PTPV、高/低頻保護(hù) PTOF/PTUF、諧波制動(dòng)PHAR、相角測(cè)量PPAM、PTOV、PTUF；

LD3包括量測(cè)功能邏輯節(jié)點(diǎn)MMXU、電流互感器TCTR、電壓互感器TVTR、告警輸出GGIO。

邏輯節(jié)點(diǎn)包含相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象和屬性。其中保護(hù)跳閘邏輯節(jié)點(diǎn)PTRC的數(shù)據(jù)對(duì)象和屬性如表1。

表1 PTRC的數(shù)據(jù)和屬性設(shè)定

3.2 功能建模

光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)模型中的邏輯節(jié)點(diǎn)相互配合完成裝置功能，其功能模型如圖7。

TVTR、TCTR等T類傳感器邏輯節(jié)點(diǎn)反映各種物理量測(cè)。邏輯節(jié)點(diǎn)LLN0和LPHD用來(lái)定義物理裝置的一些基本屬性。

CSWI為開(kāi)關(guān)的控制器，部署在間隔層，與斷路器邏輯節(jié)點(diǎn)XCBR聯(lián)合使用協(xié)作完成開(kāi)關(guān)操作。MMXU是電氣連接點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值。

高頻、低頻保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PTOF和PTUF，欠電壓和過(guò)電壓保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PTUV和PTOV，頻率變化率保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PFRC，逆功率保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PDPR，諧波制動(dòng)邏輯節(jié)點(diǎn)PHAR、相角測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)PPAM共8個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)為保護(hù)跳閘邏輯節(jié)點(diǎn)PTRC提供信息，即PTRC輸出若干組合保護(hù)的跳閘，以上8種保護(hù)任一項(xiàng)超保護(hù)限值都可作用于PTRC跳閘，以達(dá)到保護(hù)目的。

圖7 功能模型

人機(jī)接口邏輯節(jié)點(diǎn)IHMI完成站控層和間隔層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，配置與控制功能，IARC邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)的存檔和查詢。該功能模型涵蓋了光伏電站的主要監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能。

4 結(jié)論

光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)是保障主動(dòng)配電網(wǎng)可靠運(yùn)行和維修人員人身安全的關(guān)鍵裝置，與電網(wǎng)企業(yè)和用戶切身利益密切相關(guān)。該裝置理應(yīng)納入電網(wǎng)的一體化管理，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)大量接入電網(wǎng)，裝置與電網(wǎng)系統(tǒng)間的信息交互將更為緊密和頻繁。各系統(tǒng)遵循相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模和開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)互操作性的必要條件。

文中對(duì)基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)建模進(jìn)行研究，首先介紹了光伏電站監(jiān)測(cè)與孤島保護(hù)的內(nèi)容，然后分析了電網(wǎng)與光伏電站的信息交互需求，得到業(yè)務(wù)的用例圖和時(shí)序圖，完成了基于IEC61850的信息和功能模型構(gòu)建。

相關(guān)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)部署，所建模型的實(shí)踐應(yīng)用與完善將是下一步工作，信息交互涉及的CIM和IEC61850模型協(xié)調(diào)也需進(jìn)一步研究和細(xì)化。