金 明 袁新喜

（1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，合肥 231603；2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，合肥 230009）

智能電網(wǎng)概念的提出，開啟了電力系統(tǒng)的又一次重大革新，成為未來電網(wǎng)發(fā)展的趨勢.智能電網(wǎng)的功能特征之一是支持分布式電源（Distribute Energy Resource DER）的大量接入［1］，為了減小DER 對配電網(wǎng)的影響，DER 是以微電網(wǎng)的方式接入到大電網(wǎng)中.

IEC61850的主要目的是實現(xiàn)同一級電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備實現(xiàn)互操作性.目前，基于IEC61850 的研究和應(yīng)用主要集中在變電站，SAS（變電站自動化系統(tǒng)）是IEC61850最主要的應(yīng)用體現(xiàn).目前，越來越多的數(shù)字化變電站在國內(nèi)外實現(xiàn)了設(shè)備運行，文獻［2］介紹了國內(nèi)首座220kV 數(shù)字化變電站——杜爾伯特變電站，闡述了數(shù)字化變電站的實施方案.文獻［3］介紹了IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)下采樣值傳輸?shù)膽?yīng)用.當(dāng)然，隨著IEC61850 在電力系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完整，應(yīng)用范圍也不斷得到拓展.文獻［4－5］介紹了加泰羅尼亞能源研究所的低壓微電網(wǎng)連接到電網(wǎng)的測試平臺，該平臺微電網(wǎng)是基于IEC61850的通信.

本文通過對含多微電網(wǎng)的配電自動化的研究以及IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用，對IEC61850在含有多微電網(wǎng)的配電自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了探討.

1 智能配電網(wǎng)與智能微電網(wǎng)

1.1 智能配電網(wǎng)系統(tǒng)

智能配電網(wǎng)（Smart Distribution Grid）是智能電網(wǎng)（Smart Grid）中重要的一環(huán).與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比，具有以下優(yōu)點：1）自愈能力強；2）具有更高的安全性；3）可支持更高的電能質(zhì)量；4）可實現(xiàn)DER 的大量接入；5）支持與用戶互動等.

智能配電網(wǎng)與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比，之所以具有這么多高性能的優(yōu)點，主要得益于它采用了眾多的高新技術(shù)及高新設(shè)備.比如大量使用了現(xiàn)代電力電子技術(shù)，采用了先進的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，更新的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)（如IEC61850），現(xiàn)代化的高級傳感器和測控設(shè)備（光PT、光CT，智能短路器）［2］.

因此智能配電網(wǎng)能可靠高效地實現(xiàn)分布式電源的有效接入，并可以為再生能源發(fā)電和儲能裝置能夠安全并網(wǎng)運行提供有效保證.智能配電網(wǎng)有效地增強電力用戶和供電企業(yè)之間的互動，提高配電網(wǎng)的運行效率［1］.下面是含有多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)圖.

圖1 含多微網(wǎng)的配電網(wǎng)圖

圖1是含多微電網(wǎng)“手拉手供電”的配電網(wǎng).CB1和CB2 是變電站出口智能斷路器，S2／S4／S5／S7 是線路上的負荷智能隔離開關(guān)，S1／S3／S6／S8是微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的負荷智能隔離開關(guān)，St是聯(lián)絡(luò)智能隔離開關(guān).MGCC是微電網(wǎng)中的中央控制器.FTU 是饋線終端單元.

1.2 智能微電網(wǎng)

在智能配電網(wǎng)中包含大量的，靈活的分布式能源（DER），其主要的種類有小水電、風(fēng)能發(fā)電、光伏電源、燃料電池和儲能裝置等.如何將這些大量分布式電源可靠有效地組織起來，形成一個微型網(wǎng)絡(luò)為本地負荷供電，或者并網(wǎng)運行，為電力配電網(wǎng)提供后備能源，是智能配電網(wǎng)的關(guān)鍵問題.

智能微電網(wǎng)就是由此誕生的，它是微電網(wǎng)實現(xiàn)智能化.要實現(xiàn)微電網(wǎng)智能化，需要采用先進的通信標(biāo)準(zhǔn)（IEC61850）、智能化的一次設(shè)備（智能斷路器，智能開關(guān)，電子式互感器）與高效的儲能技術(shù)（超級電容、釩電池儲能）；并通過智能化的調(diào)度決策軟件，實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)部的發(fā)電單元、儲能單元及負荷單元信息交互以及微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)的信息交互［6］.微電網(wǎng)信息交互如圖2所示.

圖2 智能微電網(wǎng)信息交互圖

表1 圖2中信息類型說明

2 IEC61850應(yīng)用于含多微電網(wǎng)的智能配電網(wǎng)

2.1 IEC61850在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

IEC61850在變電站自動化系統(tǒng)應(yīng)用中，從邏輯功能上將變電站系統(tǒng)分為3層：站控層（也可稱為變電站層）、間隔層和過程層.

站控層的主要功能是通過高速通信網(wǎng)絡(luò)，將實時數(shù)據(jù)信息送往調(diào)度中心，并接收控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給間隔層和過程層執(zhí)行，站內(nèi)監(jiān)控及人機交互等；間隔層設(shè)備的主要功能是實施保護控制，操作閉鎖，數(shù)據(jù)采集及承上啟下的通信等.過程層的功能有：電力運行實時的電氣量監(jiān)測，運行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測等［7］.

站控層內(nèi)部以及間隔層與站控層之間通信通過映射到制造報文規(guī)范（MMS）完成之間的信息交互，間隔層內(nèi)部以及間隔層與過程層之間通信通過映射到GOOSE 實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信.間隔層、過程層的原始數(shù)據(jù)采用值映射到SMV 以實現(xiàn)采樣值信息傳送.

2.2 IEC61850在含多微網(wǎng)的智能配電網(wǎng)的應(yīng)用

1）含多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)主要是應(yīng)用在變電站自動化系統(tǒng)，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站可分為站控層（變電站層）、間隔層和過程層.但是IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)不是僅限于在變電站系統(tǒng)應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計者在制定標(biāo)準(zhǔn)時，就考慮到將來IEC61850 應(yīng)用擴展，所以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將具體的功能、設(shè)備、器件抽象化，模塊化；抽象的數(shù)據(jù)模型，服務(wù)接口和具體的通信協(xié)議相隔離，使IEC61850具有很強的擴展性.隨著IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)在實際的大規(guī)模應(yīng)用，IEC61850 在更多新電力領(lǐng)域得到應(yīng)用，如IEC61850－7－410 中確定的水電站監(jiān)控模型、IEC61850－7－420中確定的分布式能源模型（太陽能發(fā)電模型等DER）.IEC61850 的標(biāo)準(zhǔn)正不斷地更新和增加，不斷增加新的邏輯節(jié)點、新的數(shù)據(jù)類型，IEC61850也變得越來越完善.含多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)即是IEC61850的一個擴展應(yīng)用（IEC61850－7－420）.對比于變電站系統(tǒng)，含多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)亦可分為4層，即主站層、饋線層（配電子站）、終端層（FTU、DTU、TTU、MGCC等）和過程層（開關(guān)、PT、CT）［8］.

以IEC61850的分層結(jié)構(gòu)來看，含多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)中主站層與配電子站之間的通信類似于IEC61850協(xié)議中變電站系統(tǒng)里站控層與間隔層之間的通信，它們之間通信方式采用的是MMS 報文.而多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)饋線層、終端層與過程層之間的通信方式主要采用的是GOOSE 報文.從此處可以看出IEC61850 的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有非常好的靈活性和擴展性.當(dāng)初的規(guī)約制定僅僅是為了滿足智能電網(wǎng)中數(shù)字化變電站各種設(shè)備的互操作來提出的.隨著此標(biāo)準(zhǔn)在電網(wǎng)中的大量運用，愈來愈多的電網(wǎng)模型單元采用此標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)智能化與分布式功能.

主站層位于控制中心，是智能配電網(wǎng)的核心.饋線層位于變電站，負責(zé)連接整個饋線的饋線自動化終端（如FTU）.終端層是位于具體線路上的智能設(shè)備，包括柱上的開關(guān)FTU、環(huán)網(wǎng)柜FTU、配電變壓器監(jiān)測終端TTU、開閉所監(jiān)控終端DTU、連接微電網(wǎng)的開關(guān)FTU、微電網(wǎng)中央控制器MGCC 等.過程層主要是具體的一次設(shè)備，包括斷路器、隔離開關(guān)、TA、TV 等.

本文所述的智能配電網(wǎng)采用的是IEC61850 通信標(biāo)準(zhǔn).在圖1的配電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的101與103規(guī)約支持現(xiàn)場終端裝置（FTU）主動上報變位的信息，但不能用于點對多點通信，因此FTU 只能點對點地傳送采集到的運行及故障數(shù)據(jù)并接受遠方遙控命令.

IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于含多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)中，其配電子站和主站通信一般采用以制造報文規(guī)范（MMS）為核心的客戶／服務(wù)器（C／S）通信方式，配電子站與終端層的通信一般采用通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅OOSE）報文通信.

多位電網(wǎng)的配電網(wǎng)中，主站主要負責(zé)對配電子站傳來的信息進行處理和判斷，然后針對不同的情況發(fā)送不同的指令使終端層（如TTU、FTU），過程層（開關(guān)、PT、CT）設(shè)備進行保護動作或者控制動作，保證整個系統(tǒng)正常運行.

但是，為了使含多微電網(wǎng)的配電系統(tǒng)實現(xiàn)分布式功能，其關(guān)鍵是需要在配電子站、終端層和過程層之間實現(xiàn)GOOSE 報文通信.通過GOOSE 的發(fā)布／訂閱模式，使只有參與了訂閱的IED，才能獲得被訂閱的IED 所發(fā)布的GOOSE 報文.若IED 的狀態(tài)沒有變化，GOOSE報文是以心跳報文方式發(fā)布，訂閱過的IED 能接收到報文.當(dāng)IED 狀態(tài)改變時候，GOOSE報文在很短時間內(nèi)多次快速地發(fā)送，所有訂閱過的IED 都能準(zhǔn)確可靠、快速地接收到狀態(tài)變化的報文，進而實現(xiàn)設(shè)備間的互操作.正是基于此訂閱／發(fā)布模式，配電子站中的終端層和過程層設(shè)備可以不用等待主站下發(fā)命令，而直接根據(jù)配電子站系統(tǒng)以及設(shè)備的當(dāng)時狀態(tài)，快速地進行動作.實現(xiàn)了設(shè)備動作的快速性和分布性.同時，可以大大減輕主站控制系統(tǒng)的壓力.

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大量的智能斷路器以及IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于智能配電網(wǎng)中，使得故障處理時間更短，故障停電范圍更小.圖1中的配電網(wǎng)在正常運行時，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，聯(lián)絡(luò)開關(guān)St斷開.當(dāng)A 點發(fā)生永久性故障時，智能斷路器S2、S3和智能斷路器CB1將檢測到故障電流，GOOSE 以多播的方式快速發(fā)送狀態(tài)變位的報文，參與訂閱的智能斷路器接收到變位的報文.智能斷路器S4沒有檢測到故障電流，并發(fā)送正常的心跳報文.則智能斷路器S2、S3、S4斷開.當(dāng)S2 拒動時，S2以心跳報文的方式發(fā)送故障時的信息，S3、S4則發(fā)送斷開后的報文，此時CB1斷開，S1也斷開.

當(dāng)S3檢測到故障電流時，MGCC 向微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)送協(xié)調(diào)信號.微電網(wǎng)內(nèi)部的微源控制器（MC）、負荷控制器（LC）、儲能控制器（SC）會定時向MGCC 發(fā)送信息.MGCC根據(jù)故障前一時刻的微源、儲能和負荷的信息，在故障時通過GOOSE 報文向MC／SC／LC發(fā)送協(xié)調(diào)信號.

2）信息建模

目前的IEC61850建模技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在智能配電網(wǎng)中，應(yīng)用IEC61850 建模的技術(shù)和方法，采用IEC61850提供的數(shù)據(jù)模型和邏輯節(jié)點，可完成對含多微電網(wǎng)的智能配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備的信息建模，比如饋線終端單元（FTU）的信息建模.

本文的FTU 建模根據(jù)FTU 的遙測、遙控、遙信及電源管理功能4個信息模塊進行建模.遙測主要包括有功、無功、電流、電壓等測量值.遙信包括開關(guān)狀態(tài)、繼電保護信息等.遙控主要完成對斷路器和隔離開關(guān)的分合控制等［9－10］.電源管理實現(xiàn)對電池管理.每個功能模塊看成一個邏輯設(shè)備（LD），可以分為4個邏輯設(shè)備（LD1、LD2、LD3、LD4），如圖3所示.

圖3 FTU 信息模塊

LD1主要完成遙測功能；LD2 主要完成遙信功能；LD3主要完成遙控功能；LD4主要完成智能電源模塊管理.每個邏輯設(shè)備都包含LLN0 和LPHD.LLN0 包含IED 的相關(guān)信息、控制IED 自檢等；LPHD 為物理裝置的公共信息模塊.

LD1為遙測功能模塊，包括測量（MMXU）邏輯節(jié)點、諧波和間諧波（MHAI）邏輯節(jié)點、相序和不平衡（MSQI）邏輯節(jié)點、電流互感器（TCTR）邏輯節(jié)點、電壓互感器（TVTR）邏輯節(jié)點.MMXU 從TA（電流互感器設(shè)備）和TV（電壓互感器設(shè)備）采集電流和電壓，計算電壓、電流有效值，并通過電壓，電流采樣值計算功率.MHAI通過TA、TV 采集數(shù)據(jù)計算電網(wǎng)諧波、間諧波，MSQI通過TA、TV 采集數(shù)據(jù)計算三相電路或電網(wǎng)中不平衡電流.

LD2 為遙信功能模塊，包括通用過程I／O（GGIO）、瞬時過流保護（PIOC）、時限過電流（PTOC）、靈敏方向接地故障（PSDE）、方向元件（RDIR）、故障定位（RFLO）.

LD3為遙控功能模塊，包括開關(guān)控制器（CSWI）、負荷開關(guān)（XSWI）、斷路器（XCBR）.

LD4為電源管理模塊，包括電池（ZBAT）和電池充電管理（ZBTC）.

實際中以TI的TMS230F28335為CPU，并擴展W5100網(wǎng)絡(luò)芯片、FLASH、時鐘芯片，搭建了支持61850規(guī)約的FTP硬件平臺（如圖4所示）.

圖4 支持IEC61850的FTU 硬件構(gòu)成圖

為了測試產(chǎn)品性能，組建了基于MOXA 工業(yè)以太網(wǎng)、許繼保測試儀（支持IEC61850）、光纖、光電轉(zhuǎn)換器、模擬短路器等的測試系統(tǒng).同時按照ACSI抽象層次建模原理，自上而下對FTU 進行建模，并進行實例化，具體內(nèi)容見表2.

表2 FTU 分層建模部分邏輯節(jié)點實現(xiàn)

在實際的測試中，通過抓包軟件wireshark抓取了多幀GOOSE 報文，如圖5 所示.并結(jié)合GOOSE報文，進行了數(shù)據(jù)分析.如圖6所示.

3 結(jié) 論

智能電網(wǎng)作為新生的概念，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，其內(nèi)涵正不斷地豐富和深化.智能微電網(wǎng)滿足了智能電網(wǎng)對大量DER 接入的要求.本文基于對含多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)的研究，分析IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用，并以此拓展了IEC61850在含微電電網(wǎng)的智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用探索.基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能配電網(wǎng)只是在研究探索階段，在實際的電網(wǎng)中應(yīng)用較少.但隨著電網(wǎng)多能源接入以及微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，今后對智能配電網(wǎng)研究、應(yīng)用會加大，IEC61850在含多微電網(wǎng)的配電網(wǎng)中應(yīng)用將會是新的發(fā)展方向.

［1］ 李 勛，龔慶武，胡元潮，等.智能配電網(wǎng)體系探討［J］.電力自動化設(shè)備，2011，31（8）：108－111.

［2］ 余貽鑫，欒文鵬.智能電網(wǎng)［EB／OL］.［2008－05－19］.http／／www.csee.org.cn／電子期刊／動力與電氣工程師＿第5期／pdf／17－21.pdf.

［3］ 趙麗君，席向東.數(shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2008，28（5）：118－121.

［4］ 徐焜耀，范昭勇，趙蔚娟，等.IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下采樣值傳輸?shù)膽?yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2009，6（21）：107－111.

［5］ Albert Ruiz－Alvarez，Alba Colet－Subirachs，et al.Design，Management and Commissioning of a Utility Connected Microgrid Based on IEC61850［J］.IEEE ISGT Europe，2010.

［6］ Alba Colet－Subirachs，Albert Ruiz－Alvarez，et al.Control of a Utility Connected Microgrid［J］.IEEE ISGT Europe，2010.

［7］ 李振杰，袁 越.智能微網(wǎng)——未來智能配電網(wǎng)新的組織形式［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（17）：42－48.

［8］ 譚文恕.變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議IEC61850 介紹［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（9）：8－12.

［9］ 韓國政，徐丙垠，張海臺.IEC61850在高級配電自動化中的應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2011，31（5）：99－102.

［10］朱永利，王德文，王 艷.基于IEC61850的電力遠動通信建模方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（21）：72－76.