鞠 煒,郝正航
(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院,貴陽 550025)
傳統(tǒng)配電網(wǎng)中存在著一、二次設(shè)備間互操作性差、信息難以實時共享等問題,系統(tǒng)可擴展性差、二次電纜回路安全隱患較多[1]。為保障電網(wǎng)經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定地運行,國際電工委員會(Intennational Electrotechnical Commission, IEC), 第57技術(shù)委員會公布了IEC 61850《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)(IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)),旨在對變電站內(nèi)不同設(shè)備提供的開放的信息交換與互操作功能進行規(guī)范[2]。隨著微電網(wǎng)、配電網(wǎng)自動化、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電和分布式電源研究的深入[3],IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)已開始涉及新能源自動化領(lǐng)域[4]。大量分布式電源與微電網(wǎng)系統(tǒng)的接入[5],為傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來了更復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)形式與運行模式,為保證配電網(wǎng)的可靠運行,工程投運前需對系統(tǒng)進行模型仿真與工況分析,電力電子設(shè)備的接入與系統(tǒng)規(guī)模的增長也對系統(tǒng)級實時仿真提出了更高的要求。同時,現(xiàn)有仿真平臺也存在著通信與模型不符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的問題,無法與其他IEC 61850設(shè)備進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的正常收發(fā)與功能交互。本文就在此背景下,對城市柔性配電網(wǎng)實時仿真進行了一系列IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)化的研究。
實時仿真的研究對象為某實驗室建立的城市柔性配電網(wǎng)示范工程,系統(tǒng)主要由10 kV交流配電網(wǎng)、±10 kV直流配電中心、380 V交流微電網(wǎng)和±375 V直流微電網(wǎng)構(gòu)成,各部分均受專用控制器監(jiān)控和調(diào)節(jié)。如圖1所示,10 kV中壓饋線經(jīng)3個1MVA的模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)MMC1、MMC2、MMC3柔性互聯(lián),±10 kV直流母線與±375 V直流微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)500 kW的雙主動全橋(Dual Active Bridge, DAB)直流變壓器連接,直流微網(wǎng)系統(tǒng)主要包含混合儲能電池、光伏系統(tǒng)、直流充電樁、電力電子設(shè)備等。500 kVA的MMC4經(jīng)過隔離變壓器與380V交流微電網(wǎng)系統(tǒng)相連,交流微電網(wǎng)系統(tǒng)則主要包含混合儲能電池、交流充電樁、風(fēng)機發(fā)電系統(tǒng)、電力電子設(shè)備等。不同的遙控與遙調(diào)組合方式使得系統(tǒng)涵蓋了交流微網(wǎng)孤島運行模式、直流微網(wǎng)孤島運行模式、交流微網(wǎng)并網(wǎng)模式、直流微網(wǎng)并網(wǎng)模式、風(fēng)機發(fā)電模式、光伏發(fā)電模式等多種電網(wǎng)運行模式,極具研究價值。
面對城市柔性配電網(wǎng)系統(tǒng)這樣一個龐大且復(fù)雜的綜合性系統(tǒng),需要配套的實時仿真平臺用以分析和驗證各種傳統(tǒng)及創(chuàng)新方案。使用電氣信息實時仿真實驗平臺(UREP)提供的元件模型庫按一定邏輯關(guān)系搭建城市柔性配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)模型,再將控制策略載入模型或通過I/O連接外界控制器進行控制,待模型編譯后將其下載到仿真器中運行,此時仿真器就相當(dāng)于一個實際運行的柔性配電網(wǎng),可以此開展各種試驗性研究??梢灾苯邮褂肔abVIEW工具軟件作為仿真監(jiān)控平臺,完成圖形監(jiān)視、在線調(diào)參、錄波等功能。圖2所示為柔性配電網(wǎng)模型在仿真平臺中通過LabVIEW監(jiān)控平臺呈現(xiàn)的監(jiān)控界面。
圖1 示范工程系統(tǒng)架構(gòu)
圖2 仿真平臺中示范工程的監(jiān)控界面
IEC 61850是變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的國際通用標(biāo)準(zhǔn)[6],為實現(xiàn)系統(tǒng)模型、設(shè)備模型及仿真平臺中的仿真器實現(xiàn)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)化,本文設(shè)計了基于IEC 61850的柔性配電網(wǎng)實時仿真建模方案。
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用了面向?qū)ο蟮慕7椒?,將變電站設(shè)備和各智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device, IED)作為對象,通過分布于IED對象中邏輯設(shè)備(Logical Device)的邏輯節(jié)點(Logical Node)進行交互從而完成其系統(tǒng)功能[7]。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將IED對象的信息模型自上而下地分為5個層級,分別是:服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性[8],各層級均從名字類繼承了所需的對象名和對象引用的屬性,使得任何用戶都可以通過抽象通信服務(wù)接口(Abstract Commuhication Service Interface, ACSI)與服務(wù)器進行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問[9]。
在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下[10],把內(nèi)置城市柔性配電網(wǎng)模型的實時仿真平臺作為一個IED對象進行整體建模,與實際工程多組測控與保護裝置對應(yīng)多個邏輯設(shè)備建模流程不同的是,由于實時仿真平臺對外進行數(shù)據(jù)交換的特殊性,只需將用于模型仿真并與外界進行數(shù)據(jù)交換的仿真器作為一個邏輯設(shè)備進行建模,通過面向?qū)ο蟮姆椒▽⒊鞘信潆娋W(wǎng)柔性互聯(lián)系統(tǒng)的具體功能按照“四遙”功能分解,形成AO_MMXU、DO_XCBR、DI_CSWI、AI_MMXU 4個主要功能邏輯節(jié)點。其中:AO_MMXU包含可及時刷新與顯示各類模擬量變化的遙測量;DO_XCBR包含可刷新與顯示各斷路器開關(guān)狀態(tài)的遙信量;DI_CSWI包含可控制各斷路器分合的遙控量;AI_MMXU包含可調(diào)節(jié)控制與模擬量的遙調(diào)量,并設(shè)計成描述整個設(shè)備的數(shù)據(jù)對象屬性?!斑b測、遙調(diào)”所涉及的模擬量,包括電網(wǎng)中的各種電流、電壓值、設(shè)備狀態(tài)值、設(shè)備溫度值、有功值、無功值、風(fēng)機風(fēng)速、光伏光照值等;而“遙控、遙信”所涉及的開關(guān)量,包括對斷路器和隔離開關(guān)的分合控制與狀態(tài)信息等,主要邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象描述如表1所示。
表1 主要邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象說明表
由于柔性配電網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜、規(guī)模龐大,系統(tǒng)模型在仿真平臺中運行過程耗時較長,但仿真器與外部數(shù)據(jù)交互卻需要滿足時效要求,因此本文選擇了可以實現(xiàn)雙向收發(fā)且具快速處理速度的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)替代傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Transmission Control/Internet Protocol, TCP/IP)作為仿真平臺對外傳輸協(xié)議。UDP作為開放式系統(tǒng)互聯(lián)(Open System Interconnection, OSI)參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議[11],主要用于不要求按一定順序到達的傳輸中,可作為IP協(xié)議與上層協(xié)議的接口。UDP提供的無連接傳輸服務(wù),適用于單次傳輸少量數(shù)據(jù)的場景,在此符合仿真器中對數(shù)據(jù)的收發(fā)量要求。
為實現(xiàn)模型實時仿真的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)化,就必須將UDP格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù),通過對數(shù)據(jù)的再次封裝與對象映射,將傳統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC 61850協(xié)議[12]。表2、表3就是本文設(shè)計的UDP向IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的部分模擬量、開關(guān)量UDP數(shù)據(jù)包說明表。
表2 部分模擬量數(shù)據(jù)說明表
表3 部分開關(guān)量數(shù)據(jù)說明表
制造報文規(guī)范(Manufacture Massage Specification, MMS)是由國際電工委員會工業(yè)自動化技術(shù)委員會TC 184工作小組和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織共同制定和發(fā)展的位于OSI 7層參考模型的應(yīng)用層的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,通過對實際設(shè)備進行面向?qū)ο蠼5姆椒?,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同制造商設(shè)備之間的互操作[13]。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將MMS引入到電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域,并將 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的核心服務(wù)——ACSI服務(wù)直接映射到MMS標(biāo)準(zhǔn)上,以規(guī)范不同廠商設(shè)備之間的通信問題[14]。因此,對于協(xié)議轉(zhuǎn)換與映射問題,本文設(shè)計了如圖3所示的一種服務(wù)器軟件解決方案。
圖3 IEC 61850服務(wù)器軟件解決方案圖
仿真器中的一系列電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)以UDP包格式通過私有協(xié)議向外發(fā)出,實時存儲于Windows平臺上的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中,服務(wù)器軟件根據(jù)上述數(shù)據(jù)對象說明表進行相應(yīng)的信息建模,自動生成IED能力描述文件(IED Capability Description, ICD)文件于內(nèi)存中,隨后建立與IEC 61850節(jié)點之間的對象映射,進而建立ACSI到MMS的模型與服務(wù)映射。待MMS服務(wù)器建立連接后,根據(jù)ICD文件的映射啟動MMS服務(wù),在收到仿真器傳來的數(shù)據(jù)后,找到相應(yīng)的IEC 61850映射節(jié)點,修改到相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象屬性中,就可以完成協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。此時仿真器與IEC 61850服務(wù)器軟件共同形成IEC 61850服務(wù)器主體,可收到作為調(diào)度中心的客戶端的請求和命令,上送至支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的通用客戶端進行“遙測、遙信”量的讀取。另一方面,當(dāng)其他IEC 61850裝置或客戶端與該裝置通信時,服務(wù)器軟件能將IEC 61850格式的數(shù)據(jù)或服務(wù)轉(zhuǎn)化為UDP格式,存入數(shù)據(jù)庫或轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信息并執(zhí)行,實現(xiàn)對仿真器及內(nèi)部模型的“遙控、遙調(diào)”功能,至此則可以實現(xiàn)仿真平臺中柔性配電網(wǎng)系統(tǒng)的“四遙”功能,服務(wù)器軟件可執(zhí)行文件部分內(nèi)容如圖4所示。
IEDScout軟件是一款集IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)測試、變電站自動化系統(tǒng)研究等多功能于一體的IEC 61850測試工具。任何符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的IED,都可以通過IEDScout軟件進行導(dǎo)入,在獲取IED所有相關(guān)信息的同時,也能隨時查看IED的各種配置信息和通信情況。作為IEC 61850的客戶端工具,IEDScout軟件可以和符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的IED進行通信與交互操作[15]。
圖4 IEC 61850服務(wù)器軟件圖
首先配置IP地址,建立IEDScout與IEC 61850服務(wù)器軟件的連接,設(shè)置IP和端口號后搜索IED。連接完成后,會出現(xiàn)模型的相關(guān)配置信息,依次展開服務(wù)器數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu),可看到包含的所有邏輯設(shè)備和其下包含的所有邏輯節(jié)點如圖5所示,層層展開后與之前建立的模型對比,在確認模型文件獲取完整性的基礎(chǔ)上若還能實現(xiàn)“遙測、遙控/遙信、遙調(diào)”功能,就可證明本文在服務(wù)器軟件中建立的模型是正確的、符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的。
圖5 展開后的IED模型圖
首先驗證“遙測”功能,“遙測”的數(shù)據(jù)對象包含于邏輯設(shè)備AO_MMXU中,展開AO_MMXU中的各項,將其中需要觀測數(shù)據(jù)變化的遙測量拖拽至右側(cè)的監(jiān)控模塊中,每當(dāng)收到數(shù)據(jù)值變化更新時監(jiān)控模塊中的各數(shù)據(jù)單元字體會變成黃色閃爍一次,將刷新間隔調(diào)至200ms,觀察到各數(shù)據(jù)一直刷新跳變?nèi)鐖D6所示,說明成功收到“遙測”數(shù)據(jù),且收包刷新頻率符合要求。
圖6 “遙測”功能驗證圖
“遙控”的數(shù)據(jù)對象包含于邏輯節(jié)點DI_CSWI中,通過展開邏輯設(shè)備DI_CSWI項,對相應(yīng)的遙控量進行“寫入”操作。“遙信”的數(shù)據(jù)對象包含于邏輯節(jié)點DO_XCBR中,通過展開DO_XCBR項,對相應(yīng)的遙信量進行“讀取”操作。由于實時仿真與實際工程略有不同,仿真一開始盡可能需要滿足各斷路器閉合的情況,設(shè)計斷路器的狀態(tài)為閉合時對應(yīng)的數(shù)值為1,斷開時對應(yīng)的數(shù)值為0,而控制斷路器執(zhí)行分閘操作寫入的數(shù)值為1,控制斷路器執(zhí)行合閘操作寫入的數(shù)值為0。圖7為380VAC斷路器7和MMC4交流微網(wǎng)斷路器8的遙信狀態(tài),可以看到斷路器7、8的狀態(tài)DO_XCBR.Brk7_Stat、DO_XCBR.Brk8_Stat,數(shù)值均顯示為1,斷路器處于閉合狀態(tài)。對斷路器7、8進行分閘操作,即對DI_CSWI.Brk7、DI_CSWI.Brk8進行1的寫入。寫入后數(shù)據(jù)變化如圖8所示,DI_CSWI.Brk7、DI_CSWI.Brk8的數(shù)值由0變?yōu)?,表明分閘操作成功執(zhí)行;DO_XCBR.Brk7_Stat、DO_XCBR.Brk7_Stat的數(shù)值由1變?yōu)?,表明斷路器狀態(tài)由閉合變?yōu)閿嚅_;同時在圖9所示的LabVIEW界面中看到斷路器成功斷開,兩個斷路器的狀態(tài)顏色由綠(閉合)變紅(斷開),380VAC斷路器和MMC4交流微網(wǎng)斷路器成功分閘,“遙控/遙信”功能實現(xiàn)。同時,交流微網(wǎng)系統(tǒng)以孤島模式運行,在運行不久后作為平衡節(jié)點的鉛炭電池元件向外發(fā)出功率給直流充電樁充電,自身的電量由初始設(shè)定的58%降為57%,在驗證IEC 61850建模和MMS服務(wù)器軟件“遙控/遙信”功能實現(xiàn)的同時也驗證了仿真平臺中模型的正確。
圖7 斷路器7、8遙信圖
圖8 斷路器7、8遙控圖
圖9 LabVIEW交流微網(wǎng)孤島運行圖
在上述的交流微網(wǎng)孤島運行情況下進一步驗證“遙調(diào)”功能,“遙調(diào)”的數(shù)據(jù)對象包含于邏輯節(jié)點AI_MMXU中,通過展開邏輯節(jié)點AI_MMXU項,對相應(yīng)的遙調(diào)量進行“寫入”操作。給風(fēng)機風(fēng)速輸入值寫入“15”,如圖10所示,與此同時LabVIEW中可以看到風(fēng)速值變?yōu)椤?5”風(fēng)機向外發(fā)出功率,作為平衡節(jié)點的鉛炭電池此時功率為正,表示多余功率流向電池內(nèi)部,電池開始充電,“遙調(diào)”功能實現(xiàn)。
圖10 風(fēng)機風(fēng)速遙調(diào)圖
調(diào)節(jié)風(fēng)速后對碳酸鐵鋰電池功率值進行調(diào)節(jié),對“遙調(diào)”功能進一步驗證,寫入“-50 000”使得碳酸鐵鋰電池吸收50 kVA的功率,新的遙調(diào)值的寫入不會影響到之前寫入的遙調(diào)和遙控值,同時在LabVIEW中可以看到碳酸鐵鋰電池以50 kVA吸收功率,給電池充電,如圖11所示,在一段時間后,電池容量由58%變?yōu)?0%,而一直在充電的吸收功率更高的鉛炭電池電量也由先前的57%變?yōu)?2%,“遙調(diào)”功能得到驗證,由此可見服務(wù)器軟件在大型仿真系統(tǒng)下可以穩(wěn)定、正確、持續(xù)地運行,也進一步驗證了仿真器中模型的正確性,“四遙”功能的實現(xiàn)為后續(xù)的研究提供參考。
圖11 LabVIEW碳酸鐵鋰電池功率遙調(diào)圖
本文對城市柔性配電網(wǎng)系統(tǒng)組成與實時仿真平臺進行了簡要介紹,在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下進行IED整體建模和“四遙”功能分解建模,選擇UDP作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議并向IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)約轉(zhuǎn)換,設(shè)計MMS服務(wù)器軟件實現(xiàn)方案,解決所建對象與服務(wù)映射至IEC 61850的問題。基于IEDScout軟件進行模型與功能驗證,完成柔性配電網(wǎng)的“四遙”功能驗證,為后續(xù)的工程研究提供參考,對柔性配電網(wǎng)實時仿真和IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的研究有一定的參考價值。