基于IEC61850标准的电动汽车充电站电能质量IED建模

郭少丰,吕玉祥*,孙 斌,王金浩

(1.太原理工大学物理与光电工程学院,太原 030024;2.山西电力科学研究院,太原 030009)



基于IEC61850标准的电动汽车充电站电能质量IED建模

郭少丰1,吕玉祥1*,孙 斌1,王金浩2

(1.太原理工大学物理与光电工程学院,太原 030024;2.山西电力科学研究院,太原 030009)

随着电动汽车的发展和大型电动汽车充电站的建设与应用,充电站大负荷充放电过程对智能电网电能质量的影响日益明显。基于IEC61850标准,特别是面向对象建模的方法与特点,并结合电动汽车充电站电能质量监测装置,分析了IEC61850标准中适用于电动汽车充电站的内容,提出了电动汽车充电站电能质量监测IED新的功能要求,建立了符合IEC61850标准的新模型,保证了在智能电网中电动汽车充电站电能质量监测IED信息的自由传输,为掌控电动汽车充电站对电网电能质量的影响提供了必要的技术支持

IEC61850;电能质量;模型;逻辑节点;电动汽车;充电站

纯电动汽车因其优异的节能高效和环保性能,在未来的汽车市场中将拥有着广阔的发展空间[1]。随着智能电网的兴起和发展,电动汽车充电站必将成为国家新能源战略和智能电网的重点参与对象。研究电动汽车充电站与现行电网联网后造成的公共电网谐波增大、电压偏差和波动等一系列电能质量问题是电动汽车充电站发展所面临的重大课题;相应的电能质量监测设备研制也将成为汽车充电站设计的必要环节[2-3]。

现运行的电能质量监测设备大多数采用各自厂商行的通信协议,所遵循的标准也各不相同,因而导致电能质量监测组网通信过程中出现设备之间的兼容性和互操作性差、数据难以共享、系统平台运行不稳定等问题[4-5]。为使不同智能电子设备(IED)间数据共享、实现兼容,需要将IEC61850标准推广到电能质量监测设备之中。

IEC61850是变电站自动化领域的新一代通信标准,该标准规范了各IED之间的通信互联和管理,使得出于不同厂商的IED之间可以良好的互操作[6]。在电动汽车充电站领域,IEC61850作为应用于数字化变电站的公共通信标准和智能电网数字化核心技术之一,其定义功能基本涵盖了电能质量监测的所有方面。

IEC61850标准的核心内容在于其特殊的信息模型和建模方法[6]。信息模型是一种定义信息常规表达和组织的方式,用于描述和现实世界中相对应对象的某种特征和参数。IEC61850中提出的信息模型是针对实际物理设备及其功能的一种抽象化,目的是为了解决双方在网络上所传播数据的互相理解问题,是实现设备互操作的基本条件。该标准采用面向对象的建模技术,对模型的结构与其详细语义的约定有着明确规定[7]。由此,对于设计实现电动汽车充电站电能质量功能的IED来说,其数据传递交换的内容就由IEC61850所提出的信息模型完全定义了,而信息交换机制就是ACSI(抽象通信服务接口)。利用以XML(可扩展标记语言)技术为基础的SCL(变电站配置语言)来描述信息模型,最后使用SCSM(特殊通信服务映射)来定义ACSI到网络或协议之间的映射关系,即可实现信息在在IED之间的相互传递[8]。

1 IEC61850的面向对象建模方法

IEC61850标准使用了面向对象的建模方法并提供了建模所需的基本素材,使用者可根据实际需要灵活地建立模型或者对模型素材进行扩展。该标准引入了虚拟环境的概念,用来区别于具体现实设备的实现方式来重新定义信息以及信息交换。虚拟环境提供了一种具体现实设备和其他设备互交信息的媒介。IEC61850提出的标准方法是将功能进行模块化分解,每个逻辑节点就是分解功能得到的一个小的单元,其代表某一项具体的分解功能[10]。在实际工程应用中构建IED信息模型,就是在IEC61850标准中选择给出的或者可以扩展的逻辑节点和数据,然后赋予其特定值,再进行组合的过程。如图1为IEC61850的典型抽象模型。右侧的实际测量单元建模为图左部的虚拟模型,即逻辑节点MMXU代表右侧实际测量单元。

图1 IEC61850抽象模型

1.1 IEC 61850建模方法-分解应用功能和信息

IEC61850标准将实际应用功能分解为可通信的最小功能块。分解标准取决于具体实际设备的功能分配与安装分布。这个最小功能块称作LN(逻辑节点),每个LN都由属于同一功能块的数据和数据属性组成。LN中数据和数据属性所代表的信息通过通信服务进行交换。

1.2 IEC 61850建模方法-逐级组合形成信息模型

将上述功能分解后所得到的逻辑节点、数据和数据属性,按照公用数据类和兼容逻辑节点的不同逐步组合,所形成的最小功能逻辑节点,根据彼此之间的内在物理及逻辑联系组合形成IED数据模型[7,9]。

实际应用功能和信息的分解过程(功能分解成为公共逻辑节点),就是逻辑节点LN的诞生过程。数据的组合过程(利用逻辑节点建立的装置数据模型),就是IED模型的形成过程。如图2展示了原有LN经建模后组合成不同IED的过程。使用给定的逻辑结点,如果按照不同的组合方式可以建模成为不同的IED,完成同样的实际功能。这种分解和组合过程展现了IEC61850的IED建模方法,同时也体现了IEC61850的功能自由分解配置的特征。

图2 IED建模示范

2 汽车充电站电能质量监测IED的功能分析

电动汽车储能设备通过电动汽车充电站充放电设备与电网相连,实现了电能在电网和电动汽车储能设备之间的双方向流动。随着电动汽车技术的不断发展,大批量的电动汽车将会进入配电网络。加之大电流、多台数的电动汽车充电设备的建设,在某时刻多个充电设备同时进行充电行为将会引发当地配电网络的局部过负荷,对电网造成负面影响[11]。文献[12-14]中提到,当充电站充电机充电工作时,直流电在三相之间不断地切换时产生谐波,会对当地配电网系统的电能质量产生影响,如电压偏差、频率偏差和功率损耗等。文献[15]中又进一步讨论了充电电池对充电设施的电压和基波属性、谐波损耗、变压器负载和总谐波畸变率的影响。

电能质量监测IED分类获取的数据是下一步电能质量分析和更为高端应用的基础。以电能质量国标要求和电动汽车充电站的设计要求为依据,电动汽车充电站电能质量监测IED所要实现的功能主要包括:

(1)频率、谐波、波动与闪变、三相电压不平衡度、和电压偏差等参数,即多种电能质量参数的计量和测量功能[16-18]。(2)功率、电压和电流等常用电参数测量,即电压/电流互感器测量功能。(3)告警和设备数据录波功能。(4)接口和存档功能。

3 充电站电能质量IED信息模型建立

IEC61850-7标准采用了分层分类别的建模思想,将IED用于通信交换的数据信息建立为分层的信息模型。该指定的信息模型一共包含5个层次:Server(服务器)/LD(逻辑设备)/LN(逻辑节点)/DO(数据对象)/DA(数据属性),其中Server是LD的外部可见,LN组合形成LD,DO是对LN的数据描述,而DA是DO的特性[10]。本文提到的电能质量IED信息模型各部分属性结构关系如图3所示。

图3 电能质量监测IED信息模型属性结构图

3.1 充电站电能质量监测IED逻辑节点建模

IEC61850-7-4中规范了13个逻辑节点组,使用450个数据类定义了90个逻辑节点[9]。由于IEC61850标准的开放性,根据所要实现的具体功能自由选取及扩展合适的逻辑节点,进而组合起来以解决电动汽车充电站电能质量IED的建模问题。将电动汽车充电站电能质量监测IED功能分解为5个部分,如图4所示。

图4 充电站电能质量监测IED功能分解图

具体的功能分配逻辑节点为:

(1)实现物理设备的寻址功能,选取LPHD节点,即物理设备信息节点。(2)实现逻辑设备的寻址功能,选取LLN0节点,即逻辑节点0。(3)实现电能质量监测IED的计量和测量功能时,选取IEC61850-7-4中的计量和测量功能逻辑节点组M,如:计量统计逻辑节点(MSTA),用于计算分析电能质量数值;测量逻辑节点(MMXU),供高低压线路两端的实时运行使用,如实时电压值和实时电流值等;谐波参量逻辑节点(MHAI),用来描述各次电压谐波有效值、电流谐波有效值,总单相有功功率代数和等信息;不平衡逻辑节点(MSQI),描述此电力系统序分量是否不平衡。闪变逻辑节点(MFLK),用于描述长、短时闪变;(4)实现电能质量事件相关功能时,选取电能质量事件相关逻辑节点组Q,如描述电压骤升、骤降、中断等事件的逻辑节点(QVVR);描述短时电压波形变化事件的逻辑节点(QVTR);描述电压不平衡事件的逻辑节点(QVUB)等。(5)实现电压和电流的采集功能时,选取互感器逻辑节点组T,分别是电压互感器逻辑节点(TVTR)和电流互感器逻辑节点(TCTR)。(6)实现告警和设备数据录波功能时,选取数据录波逻辑节点(RDRE),用于扰动记录;告警逻辑节点(GGIO),用于过程层链路告警。(7)实现接口和存档功能时,选取人机接口逻辑节点(IHMI)和存档逻辑节点(IARC)。表1为电动汽车充电站电能质量的相关逻辑节点实例。

表1 电动汽车充电站电能质量的相关逻辑节点

表1中,TVTR1～3和TCTR1～3组成的合并单元用于采集高压侧ABC三相的电压值和电流值,同样地,TVTR4～6和TCTR4～6组成合并的单元用于采集低压侧ABC三相的电压值和电流值。RDRE1及RDRE2负责设定记录参数,如波形扰动记录的触发通道、模式、电平、时间等。RADR1～6用于记录高压侧的ABC三相电压和电流的波形(瞬时值),RADR7～12用于记录高压侧的ABC三相电压和电流的扰动(有效值)。RADR13～18用于记录低压侧的ABC三相电压和电流的波形(瞬时值),RADR19～24用于记录低压侧的ABC三相电压和电流的扰动(有效值)。

将上述所选的逻辑节点按照图4所分划的不同功能分配到变电站层、间隔层和过程层。如图5为电能质量测量IED逻辑节点结构图,体现了各LN组合而成所要实现功能LD的逻辑关系。

3.2 电动汽车充电站电能质量IED数据对象建模

根据上述的IED分层模型和上述的逻辑节点可以得到,每一个逻辑节点LN内部都包含一个或者多个数据对象DO。只要确定了所要IED的逻辑节点,同时也就确定了这个逻辑节点LN内的兼容数据类型。IEC64850所定义的兼容数据类是从公用数据类(CDC)导出的,由确定的兼容数据类型实例可以获得公用数据类中的所有属性。表2中以计量和测量功能中的相序和不平衡逻辑节点(MSQI)为例,对组成MSQI逻辑节点的数据属性作了说明。

表2 不平衡逻辑节点MSQI实例

3.3 电动汽车充电站电能质量IED逻辑设备建模

根据IEC61850标准的IED分层模型,逻辑节点LN包含在逻辑设备LD之中,需要将逻辑节点LN分划到逻辑设备LD中。但是ICE61850并没有明确给出逻辑设备的模型。逻辑设备的划分宜根据功能进行划分,一般地把具有公共特征的相关逻辑节点分划到一起,组合成为一个逻辑设备。例如,将表1中列出的逻辑节点按照执行功能分划到公用及开入逻辑设备、测量逻辑设备(MEAS)、录波逻辑设备(RCD)和人机接口逻辑设备(HMI)之中,如图6所示。

图5 电能质量监测IED逻辑节点关系图

图6 电动汽车充电站电能质量IED逻辑设备模型结构图

IEC61850标准规定,LD模型内须有逻辑节点0(LLN0)和物理设备逻辑节点(LPHD)为Server提供外部可见的信息。图6中各逻辑设备均包含以下逻辑节点:(1)LLN0提供LD的公共数据;(2)LPHD提供作为LD实体的物理设备(PD)的公共数据;(3)其他逻辑节点是与电动汽车充电站电能质量监测功能相关的逻辑节点。

3.4 电动汽车充电站电能质量IED服务器建模

IEC61850标准指出,一个服务器一个或者多个逻辑设备。电动汽车充电站电能质量监测IED建模为多个服务器的实例,其中抽象通信服务接口(ACSI)与制造报文规范(MMS)相映射。变电站层与间隔层之间采用双100M以太网通信,通信模式为客户/服务器模型。此模型中,IED是Server,在通信网中支持各种形式的服务;客户端作为接受Server主动传送数据的实体,比如监控终端。

在C/S模型中,Server满足Client的服务请求。如果把控制、取代、读写、报告、时间同步、文件传输和数据模型结合起来,就形成了服务模型[19]如图7所示。

图7 服务模型

4 结语

当今,电动汽车充电站作为智能电网的重要部分正在快速兴起。本文在详细研究IEC61850标准的基础之上,根据智能电网实际应用的需要与IEC61850建模的要求,对电动汽车充电站中的电能质量监测设备做了针对性的功能分解。详细阐述了IEC61850的建模方法以及建模过程,得到了相应的逻辑节点和逻辑设备,并且建立了电动汽车充电站电能质量监测IED模型,为电动汽车充电站电能质量监测IED信息在智能电网中的自由传输提供了保障。未来随着IEC61850技术和电动汽车充电站技术研究的逐步发展,IEC61850标准将在智能电网技术中得到不断地优化应用。

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郭少丰(1988-),男,汉族,山西太原人,太原理工大学,硕士研究生,主要研究方向为电力电子设备的开发与研究,tyutgsf1988@163.com;

吕玉祥(1964-),男,汉族,山西吕梁人,太原理工大学,教授,硕士生导师,主要从事电力电子设备的开发与研究,lyx823@126.corn。

ModelingofEVCSPowerQualityIEDBasedonIEC61850Standard

GUOShaofeng1,LÜYuxiang1*,SUNBin1,WANGJinhao2

(1.College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Electric Power Science and Research Institute,Taiyuan 030009,China)

With the development of electric vehicle and the construction and the application of the large-scale Electric Vehicle Charging Station(EVCS),it’s becoming a gradually increasingly significant influence on the power quality of the smart grids for charging station’s heavy loaded charge and discharge. Based on the standard IEC61850,especially facing the methods and features of object-oriented modeling,combined with the technology of power quality monitoring devices of EVCS,this paper analysed the content of the standard IEC61850 applicable to EVCS,proposed new requirements of functional modules of power quality monitoring IED for EVCS,and built a new information model up to the IEC61850 standard. It guaranteed the information transmission of power quality monitoring IED from EVCS in the smart grid is free,and provided necessary technical support for grasping the influence on the power quality of grids caused by the EVCS.

IEC61850;power quality;modeling;logical node;electric vehicle;charging station

2013-12-04修改日期:2014-01-08

TM76

:A

:1005-9490(2014)06-1239-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.045