光伏系统的IEC61850建模

曹 宁，吴允祝

（河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京 210098）

随着常规能源的逐渐衰竭和环境污染的日益加重，大规模发展基于可再生能源的分布式发电技术已是必然趋势。分布式能源主要通过微电网接入配电网。配电终端是配电自动化系统中基本的底层控制单元，传统配电终端已不能满足含微电网的新型配电网的监控需求。为了适应微电网接入对配电网的影响，需要将传统配电终端升级改造为基于IEC61850的分布式能源智能监控终端。IEC61850构建了一种公共的通信标准，并提出设备互操作[1]的要求，使得不同的光伏发电系统设备间数据模型的统一变得尤为关键[2]。

本文主要是实现基于IEC61850的光伏变电系统的建模与通信。设计了光伏电站的信息模型，完成功能分配和模型实现，设定通信方式，为实现光伏电站的标准化、信息化打下了基础。

1 光伏系统的概述

光伏发电系统（PV System）是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏特效应。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和分布式太阳能光伏发电系统。

它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。利用光伏电池的光生伏打效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统，包括光伏组件和配套部件（BOS）。

据智研咨询统计：2012年全球光伏发电累计装机达到97GW，2012年全球新增装机30GW，中国新增装机占全球总量的16%以上 ，随着国家对清洁能源产业的大力扶持，我国光伏发电系统产业将迎来发展高峰期。

2 光伏系统IED模型的实现

2.1 光伏变电系统逻辑设备建模

根据光伏单元设备的功能及需求，可将其信息模型抽象为7个逻辑设备[3]，其中包括光伏电气连接点逻辑设备、光伏单元控制器逻辑设备、光伏发电逻辑设备、交直流转换器逻辑设备、电池系统逻辑设备、物理量测逻辑设备以及光伏保护逻辑设备[4]。上述 7个逻辑设备共同组成了光伏单元设备的信息模型，各个逻辑设备各司其职又相辅相成，组成了光伏系统的功能基础。在确定逻辑设备的基础上，对不同逻辑设备均分配了相应的逻辑节点以实现其功能。根据IEC 61850-7-420提供的资料，光伏单元设备信息模型如图1所示。

2.2 光伏变点系统逻辑节点建模

逻辑设备由若干逻辑节点、数据集和不同的服务模型组成。

图1 光伏变电系统逻辑设备建模Fig.1 Model of photovoltaic substation system logical device

基于IEC61850标准结合实际光伏变电系统，绘制了光伏系统系统关联的逻辑节点。如图2所示。

2.3 基于“四遥”的光伏变电系统数据建模

图2 光伏变电系统逻辑节点布局图Fig.2 Layout of Photovoltaic substation system logic node

由于现在变电站系统及远程监控系统还没有实现IEC61850标准化，仍需要使用已有网络体系，对远方的变电站进行实时监控。而IEC60870-5-x系列协议在电网系统得到实际使用并运行状况良好，所以需要和已有系统进行兼容，逐步实现系统标准化。所以光伏变电系统采用基于“四遥”[5]进行建模，能够很好适应现在的通信体系，通过网关实现信息网间的传输，此方法具有较高可实行性。

2.3.1 遥测信息建模

光伏发电系统中遥测信息包括：馈线的电压、电流值、频率、有功、无功等。采用逻辑节点 MMXU实现。逆变器直流侧电气量用逻辑节点MMXN来表示。电能计量逻辑节点MMTR。根据 IEC61850-7-3和IEC61850-7-4，以测量逻辑节点MMXN为例，分别对其数据对象和属性建模，如表1所示。

2.3.2 遥信信息建模

遥信信息一般是对告警情况、开关或阀门位置等状态信息的监视。表2为分布式电源状态逻辑节点 DRCS的遥信信息建模实例。表中ECPConn代表光伏发电支路ECP连接状态，true代表连接，false代表断开。时标t是采集状态信息的时间。

表1 测量单元逻辑节点MMXN实例Tab.1 Instance of measurement unit logical node MMXN

2.3.3 遥控信息建模

微电网系统中的遥控信息指控制断路器、开关、刀闸的开合，例如微电网的能量管理策略会主动的下发控制命令来启停分布式电源或者投切负荷，来满足正常运行的需要。过流、过压、短路等情况保护装置也会切除故障部分。微电网系统中控制信息CSWI来建模如表3所示，由它来操作带有断路器、隔离开关的设备，执行微电网监控中心或者保护设备发出的控制指令。

表2 分布式电源状态逻辑节点DRCT实例Tab.2 Instance of distributed power supply status logical node DRCT

表3 开关控制逻辑节点CSWI实例Tab.3 Instance of switch control logic node CSWI

2.3.4 遥调信息建模

遥调是对设备运行时的一些参数值进行调整，如调节发电机输出功率，变压器分接头位置。微电网的遥调信息主要负责调整微电网的分布式电源的运行参数。比如，DER并网时一般运行在恒功率 PQ运行模式，PQ值的大小可以调节。表4以分布式电源控制器DTRC为例对遥调数据建模。

表4 分布式电源控制器逻辑节点DTRC实例Tab.4 Instance of distributed power controller logic node DTRC

3 光伏变电系统IED实时信息通信

3.1 光伏发电系统通信服务选择

构建基于IEC61850标准的微电网通信面临三个问题，一是基于三层的微电网通信[6]结构各层之间采用何种服务进行交互。二是不同数据类型的数据分别采用什么服务进行传输。三是系统中有些装置不支持IEC61850标准定义的服务，如何进行通信。解决方法如图3所示，对于问题一，就地控制层多存在数据采集和控制执行设备，所以就地控制层与集中控制层的数据交互的数据如控制信息可以使用 GOOSE传输，采集信息可使用采样值 SMV服务，IEC61850-7-2，IEC61850-9，有详细的规定。集中控制层与监控中心之间信息映射到采用MMS协议栈进行传输。对于问题二，控制、遥调、定值下发的数据采用控制服务，遥信、遥测、定值、SOE等上传的数据采用报告控制块。对于问题三，采用通信网关解决，就地控制层数据通过通信网关将非IEC61850标准支持的服务转换成 IEC61850支持的通信方式，再与监控中心通信。微电网监控中心与配网调度中心间的信息交互使用IEC60870-5-104协议，所以再通过通信网关将 MMS协议数据转换成104协议与配网通信。

图3 IEC61850通信结构模型Fig.3 Communication structure model of IEC61850

3.2 采用报告控制块传输数据

报告控制模型分为带缓冲的报告控制块BRCB（Buffered Report Control Block）和不带缓冲的报告控制块URCB（Unbuffered Report Control Block）两种类型。使用BRCB时，如果外界条件不满足报告传送，它会存储内部变化的数据达到一定数量后，如果条件满足，再发送。这样不会造成数据丢失，并能够提供SOE功能。使用URCB则立即发送内部事件（数据变化、品质变化、数据刷新等）报告，如果关联不存在或者传输数据流过慢将丢失事件。报告控制块可用于告警、事件、开入、模拟量等需要上送的信息。Server与Client连接过程中，客户端可根据自己的需要设定每个报告实例的属性。在 IED建模时，通过设置 ReportControl的“buffered”属性为true，选择缓冲型报告，对应 FC为 BR，否则为非缓冲型报告，对应 FC为 RP。通常遥信、告警、事件、SOE等报告建模为缓存类型，遥测类型的数据建模为非缓存型。

报告控制块的响应一般有以下情况，客户机与服务器建立连接时发出总召唤，设定监控的数据集发生了内部事件（dchg，qchg，dupd），也会产生报告，将 BRCB 中数据集引用的数据属性成员的值上送给客户端。

4 结束语

微电网的出现解决了分布式电源发电中存在的问题，既可以并网运行作为电力系统的一个节点，也可以独立运行，给用电量小的系统或区域提供电力支持。而如今分布式电源的作用越来越大，并网的容量也在不断增加，如何解决互操作问题，解决分布式光伏电源接入配电网对电能质量的影响等等问题，显得越发重要。IEC61850标准对分布式电源提出了相应的标准，为IEC61850-7-420。但是该标准只是做出了整体描述，而分布式电源发展日新月异，因此要求我们在实施过程中，需要根据实际情况进行建模，具体问题具体分析，需要增加的信息自己设计，避免歧义。

[1]刘俊培，张敏，黄国兵，等.隔离开关装置的IEC61850建模[J].电工电气，2014（6）:47-50.LIU Jun-pei，ZHANG Min，HUANG Guo-bing，et al.Modeling of isolating switch device based on IEC61850[J].Electrical&Electronics，2014（6）:47-50.

[2]张铁峰，苗慧鹏，辛红汪，等.基于IEC 61850的光伏监控系统设计[J].电力信息与通信技术，2014（1）:60-64.ZHANG Tie-feng，MIAO Hui-peng，XIN Hong-wang，et al.Design of photovoltaic monitoring system based on IEC 61850[J].The power of Information and Communication Technology，2014（1）:60-64.

[3]徐晨博，王丰华，黄华，等.基于IEC 61850的变压器振动监测信息建模与实现[J].电力系统自动化，2014（4）:60-64.XU Chen-bo，WANG Feng-hua，HUANG Hua，et al.Transformer vibration monitoring information modeling and implementation based on IEC 61850[J].Power System Automation，2014（4）:60-64.

[4]Communication networks and system in for power utility automation-part7-420: Basic communication structure Distributed Energy Resource logical nodes （Draft for Vote）[S]，2006:3-45.

[5]周鑫.基于IEC61850的微电网通信的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2013.

[6]印蓉，周鸣籁.变压器智能组件IEC61850通信的实现[J].电测与仪表，2014（10）:94-98.YIN Rong，ZHOU Ming-lai.The realization of intelligent communication IEC61850 components of transformer[J].Electron Measurement and Instrument，2014（10）:94-98.