基于IEC61850的分布式能源通信模型介绍

张钟平，徐荻森，倪 泓

（1.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，浙江 杭州 310000；3.浙江广丰电源设备有限公司，浙江 杭州 310000）

近几年，在国家的大力支持下，分布式能源如雨后春笋般在全国各地兴起，在其带来一定发展机遇的同时也给传统配电网系统带来了严峻的考验，例如改变了配电网的电压水平，提高了配电网的短路容量，使得继电保护配置更加复杂，影响供电可靠性等。传统配电网系统用的通信方式大多采用modbus协议，鉴于传输介质和协议的局限性，导致数据传输速度相对比较慢，往往需要几秒传输时间。本论文介绍IEC61850通信标准在分布式领域的应用及相应的数据模型研究，应用该标准可以使分布式能源系统的数据传输效率大大提高，从而使得系统网络的通信效率、执行效率大大提高，数据传输达ms级，网络安全性、可靠性也随之大幅度提高。

1 IEC61850标准简介

IEC61850系列标准是国际电工委员会提出的一种应用于电力系统中的公共通信标准，是目前数字化变电站主流的通信协议。它将不同类型的设备有效集成到系统中，IEC61850为数字化变电站的自动化系统制定了全面和系统的规范，IEC61850第二版已将应用领域扩展到变电站外，比如燃气分布式能源系统和可再生能源，对整个电力系统的建设与发展起到了重要的推进作用。IEC61850标准内容如图1所示。

2 分布式能源IEC61850通信

分布式能源系统每个设备和系统的通信协议都没有统一的标准，常见的有TCP、Modbus、CDT等协议。IEC61850标准在一开始制定时，就考虑到未来IEC61850的扩展应用，IEC61850第7～420中定义了分布式能源（太阳能发电模型等DER）、应用于分布式能源的信息交换的DL/T860信息模型。分布式能源由分散发电设备和分散储能设备组成，包括往复式发动机、燃料电池、微涡轮机、光伏设备、热电联产设备和储能设备。

图1 IEC61850标准的内容

图2 基于IEC61850通信的微网通信结构示意图

2.1 分布式能源通信结构

目前的微网系统底层设备制造厂家众多，导致底层设备通信接口与通信规约不统一。微网能源管理系统按设备功能分层，可以分为3层，即微网设备层、协议转换层、微网管理层。基于IEC61850通信的微网通信结构如图2所示。

微网设备层主要包括光伏阵列、风电机组、内燃机、柴油机、燃料电池组、储能电池组等能源设备以及与其相配套的整流器、逆变器、DER控制器和通信管理机等设备。

协议转换层主要包括协议转换器、网络交换机等设备。微网管理层包括操作员站、工程师站等设备。

2.2 分布式能源IEC61850建模方法

采用IEC61850提供的数据模型和逻辑节点可完成对分布式能源中关键设备的信息建模。下面，以DER单元控制器为例说明。DER单元控制器逻辑设备模型如图3所示。

图3 DER单元控制器逻辑设备建模

如图3所示，LLN0包含IED的相关信息、控制IED自检，LPHD为物理装置的公共信息模块，MMXU为测量逻辑节点，CSWI为开关控制器逻辑节点。

2.2.1 燃料电池发电系统模型研究

根据燃料电池的运行特点和要求，其通信的信息模型包含7个逻辑设备，其中包括物理量测量逻辑设备、燃料电池系统逻辑设备、电气连接点逻辑设备、电池发电逻辑设备、交直流转换器逻辑设备、单元控制器逻辑设备和电池保护逻辑设备。发电系统逻辑设备模型如图4所示。

图4 燃料电池发电系统逻辑设备建模

逻辑设备包含了多个逻辑节点，如图5所示。

2.2.2 微网管理系统模型研究

IEC61850通信标准应用于分布式能源系统中，其DER控制器和微网能量管理系统一般采用GOOSE报文通信。

通过微网能源管理系统与DER单元控制器的信息迅速交互，可以使得整个系统在末端负荷出现非正常情况下迅速提出相应的控制策略。微网能量管理系统与DER控制器GOOSE信息交互如图7所示。

图5 燃料电池发电系统逻辑节点分布图

图6 微网能量管理系统与DER控制器信息交互

图7 微网能量管理系统与控制器GOOSE通信

3 结束语

目前，IEC61850标准在国内分布式能源领域的应用还处于研究探索阶段，虽然IEC61850标准里面已经对分布式能源有了具体的定义，但底层的设备还无法统一实现IEC61850通信。本文基于IEC61850进行分布式能源的通信模型及技术研究，可以实现微网底层设备的通信协议的统一，全站达到真正的IEC61850水平，这是未来分布式能源的发展方向。

［1］王建，李兴源，邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述［J］.电力系统自动化，2005，29（24）：90-97.

［2］高亚栋，朱炳铨，李慧，等.数字化变电站的“虚端子”设计方法应用研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（5）：124-127.

［3］IEC 61850-Communication networks and systems forpower utility automation： Part 7-420 basic communication structure--distributed energy resources logical nodes［S］.［出版地不详］：［出版者不详］，2009.

［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］.［出版地不详］：［出版者不详］，2003.