基于IEC61850标准的微电网信息交互_邓卫

ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１２０３１１１基于ＩＥＣ　６１８５０标准的微电网信息交互邓　卫，裴　玮，齐智平（中国科学院电工研究所，北京市１００１９０）摘要：针对基于ＩＥＣ　６１８５０标准的微电网信息交互需求，建立了一种分布式能源环境下的微电网分层信息体系结构，阐述了各层级设备信息模型的通用设计方法，并提出了包含模型提取、模型构建、模型下载以及模型识别等步骤的物理设备信息模型实现方法。开发了微电网测试平台及智能电子设备样机，并对微电网分层信息体系结构下的信息交互进行实际测试。测试结果验证了所建立信息体系的可行性，为微电网的设备集成、运行分析及智能控制提供了有效的技术手段。关键词：ＩＥＣ　６１８５０；微电网；分布式能源；智能电子设备；信息模型

收稿日期：２０１２－０３－１４；修回日期：２０１２－０６－０４。国家自然科学基金资助项目（５０９０７０６５）；中国科学院知识创新工程重大项目。０　引言随着能源危机的日益突出，清洁可再生能源领域受到广泛关注，对分布式能源（ＤＥＲ）的研究正逐步深入。微电网作为分布式能源系统的新型网络结构形式，其能量管理以及运行控制的方式灵活多样，可以增强系统的供电安全性与可靠性［１－４］，实现ＤＥＲ的规模化接入，为提高能源利用效率、创建清洁能源结构提供有效的技术基础。目前，微电网ＤＥＲ、监控、计量以及保护等装置的生产厂家多数自定义设备的信息规范，且通信接口类型各异，使得微电网在信息集成、运行控制以及调度管理等方面受到诸多制约。ＩＥＣ　６１８５０系列标准采用面向对象的建模技术以及灵活可扩展的通信架构，具备良好的设备特性自描述能力，能够满足多种应用的开放性和互操作性需求［５－６］。ＩＥＣ　６１８５０标准第１版主要针对变电站通信网络和系统，第２版（ＩＥＣ　６１８５０Ｅｄ　２．０）则将覆盖范围扩展至水电站、ＤＥＲ以及变电站自动化等电力公用事业自动化领域的多个方面［６－９］，可以为微电网实现其设备集成的即插即用、信息模型的灵活扩展与互操作等重要功能提供行之有效的技术手段，进一步降低系统通信与控制接口标准化工作的难度及成本。目前，针对ＩＥＣ　６１８５０标准的研究大多围绕变电站远动、保护等装置的建模以及协议转换，例如数字化变电站或传统变电站内间隔层智能电子设备（ＩＥＤ）的建模、ＩＥＣ　６１８５０标准通用网关的设计、与ＩＥＣ　６１９７０等通信协议的信息一体化集成等，部分研究涉及ＤＥＲ设备的逻辑建模、ＩＥＣ　６１８５０标准在微电网通信中的应用等［９－１１］。上述研究尚未给出微电网自上而下完整的信息体系结构，以及ＩＥＣ　６１８５０标准在微电网信息建模过程中的设计及具体实现方法。智能变电站按照ＩＥＣ　６１８５０标准可以划分为主站层、间隔层及过程层，具有结构层次分明，概念清晰等特点［１２］，可以为微电网信息体系结构设计提供借鉴。本文针对ＩＥＣ　６１８５０标准在微电网信息交互中的应用，设计一种ＤＥＲ环境下的微电网信息体系结构，提出该体系下各层级设备信息模型的通用设计及实现方法，并通过开发的测试平台及ＩＥＤ验证信息体系的可行性和有效性。１　微电网信息体系设计微电网将微型燃气轮机、光伏电池或风力发电机等ＤＥＲ与储能单元、负荷有效地组织起来，可以自治运行，也可以通过静态开关与外部电网并网运行。微电网的分层信息体系包括过程（现场）设备层、过程管理层、微电网管理层及电网调度管理层。微电网的分层信息体系结构如图１所示。１．１　过程（现场）设备层该层是微电网运行的执行基础，由基本物理设备组成，主要包括发电设备（如光伏电池、风力发电机等）、保护与控制设备（如无功控制器）、量测监控设备（如电流互感器、电压互感器）及辅助设备（如电力变压器、电缆）等。其中，发电设备将风能、太阳能等多种形式的一次能源转换为电能，并依据上级管理层调度指令或本地控制策略实现ＤＥＲ同步并网、微电网运行模式切换以及功率潮流调节等功能；保护与控制设备实现微电网的稳定电力输送、故障保—６—第３７卷　第３期２０１３年２月１０日Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．３Ｆｅｂ．１０，２０１３

图１　微电网信息体系结构Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ护以及状态告警等功能；量测监控设备负责微电网发电侧或用电端的电能计量及数据监测，分析相关的电能质量指标，及时反馈系统运行状况。ＩＥＣ　６１８５０标准第５部分提出了电力系统设备的基本模型结构及功能通信要求，第６部分则定义了ＩＥＤ的配置描述语言，其７－１至７－４部分进一步说明了各设备的建模原理、基本通信结构以及映射关系，规范了对象的信息模型框架及服务形式。ＩＥＣ　６１８５０Ｅｄ　２．０第７－４１０部分规范了水电厂监控的信息模型，第７－４２０部分则规范了ＤＥＲ信息模型。遵循上述标准及规范，对过程（现场）设备进行信息建模，在微电网系统集成时，对尚未符合ＩＥＣ６１８５０标准的设备可以装备相应的ＩＥＤ完成对其信息模型的快速配置与集成。１．２　过程管理层该层是过程（现场）设备层与微电网管理层之间信息交互的桥梁与枢纽，一方面负责接收过程（现场）设备层设备采集的量测数据与运行状态信息，进行预处理并传输至微电网管理层；另一方面负责接收、解析以及交互微电网管理层的控制信息，实现对过程（现场）设备层设备的可靠管理。过程管理层设备主要包括用户管理终端、综合测控终端、协同保护装置等，通常具备可扩展的人机交互接口，便于多种工况下的参数配置与运行调试。ＩＥＣ　６１８５０标准第７－４部分规范了自动控制、监控、保护等功能的信息模型，过程管理层设备依据具体的应用需求进行信息模型的提取、筛选与合并，实现过程管理层的多种功能。一定条件下，可将过程（现场）设备层设备信息模型与其对应的过程管理层设备信息模型合并至同一ＩＥＤ，这种集成方式既可以减少硬件成本，又可以提高控制过程的安全性与可靠性。１．３　微电网管理层该层包括自动化中心、本地监控中心或能量管理系统等组成部分，主要负责微电网的运行监测、稳定控制以及能量优化等任务，并与电网调度管理层交互发电计划与调度指令等信息，实现微电网与外部电网的并网／自治运行控制。ＩＥＣ　６１８５０标准第６部分规范了变电站配置文件（ＳＣＤ），说明了ＩＥＤ以及系统配置工具的工作流程，为微电网基于系统功能的对象分层提供了包含过程（现场）设备层、过程管理设备层、应用通信系统、ＩＥＤ以及逻辑关联在内的整体模型参考框架。１．４　电网调度管理层该层包括电网数据采集与监控（ＳＣＡＤＡ）系统、配电能量管理系统（ＤＥＭＳ）或调度管理系统等组成部分，主要负责电网的发电计划制定、调度管理等任务。ＩＥＣ　６１８５０Ｅｄ　２．０第８０－１和９０－２部分规范了基于公共数据类（ＣＤＣ）数据模型的信息交互。１．５　通信网络微电网分层信息体系结构下的通信网络如图２所示。图２　微电网通信网络Ｆｉｇ．２　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ过程（现场）设备层与过程管理层之间交互基本的报文数据，包括快速报文（如跳闸指令、闭锁指令以及指令响应）、中低速报文（如带时标的报警及传输事件记录、读取或改变设定点值）、原始数据报文（如电压和电流采集或采样值、数字化传感器及互感器的输出数据）、文件传输（如配置设定、扰动记录）、时间同步报文等。过程（现场）设备层设备通过对应的ＩＥＤ与过程管理层进行通信，一定条件下也可以直接与过程管理层ＩＥＤ进行集成，实现逻辑功能在不同物理装置上的提取与合并。过程（现场）设备层—７—·绿色电力自动化·　邓　卫，等　基于ＩＥＣ　６１８５０标准的微电网信息交互设备通常数量较多，节点的数据吞吐量较大，同时考虑到各设备之间的距离差异，通常要求过程（现场）设备层与过程管理层之间的通信网络具备高可靠性，可以选取ＣＡＮ现场总线、ＲＳ－４８５、以太网等通信方式。过程管理层内部可以进行设备之间的直接数据交换，例如联闭锁快速指令等。该层与微电网管理层之间交互中低速报文（如自动控制数据输入输出、电力运行数据）、文件传输（如保护和控制事件、定值）、时间同步报文、访问控制命令报文等，通信数据量较大，对信息传输的实时性与安全性要求较高，通常可采用标准ＴＣＰ／ＩＰ协议。微电网内部的信息交互遵循ＩＥＣ　６１８５０标准第８－１及９－２部分的规范。微电网管理层之间的信息交互遵循ＩＥＣ　６１８５０Ｅｄ　２．０第９０－１部分的规范，通信方式包括采用基于虚拟局域网（ＶＬＡＮ）技术的隧道法与采用代理网关技术的网关法。微电网管理层与电网调度管理层之间的信息交互遵循ＩＥＣ６１８５０Ｅｄ　２．０第８０－１和９０－２部分的规范，采用基于标准ＴＣＰ／ＩＰ协议的光纤以太网进行数据传输。２　微电网信息模型设计与实现基于微电网分层信息体系结构，从逻辑功能实现的角度出发构建各物理设备能够进行特性自描述并且满足ＩＥＣ　６１８５０标准规范的信息模型，其模型的实现依赖与过程（现场）设备层、过程管理层、微电网管理层各物理设备无关的信息模型库的构建。信息模型库的设计与实现主要包含模型提取、模型构建、模型下载以及模型识别等４个部分。以光伏系统为例，图３给出了典型的信息模型设计与实现流程。

图３　光伏系统信息模型设计与实现Ｆｉｇ．３　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ＰＶ　ｓｙｓｔｅｍ２．１　模型提取针对微电网各组成设备的实际功能进行模型提取，形成所需ＬＮ，并生成直观的信息点树形结构。ＬＮ遵循ＩＥＣ　６１８５０标准第７－４２０部分的规范，主要包括物理装置模型、ＤＥＲ发电模型、电力电子变换器模型、保护模型、自动控制模型、计量模型以及辅助模型等。—８—２０１３，３７（３）　２．２　模型构建基于ＩＥＣ　６１８５０标准颁布的ＸＭＬ　Ｓｃｈｅｍａ规定，对提取的微电网各ＬＮ进行实例化，确定其关联的所有数据对象信息。模型构建需要设计数据属性（ＤＡ）、ＤＯ，ＣＤＣ等元模型数据结构体。其中，ＬＮ通过成员项关联单个或多个ＤＯ，ＤＯ结构体通过成员项关联ＣＤＣ，ＣＤＣ结构体通过成员项关联单个或多个ＤＡ，ＤＡ结构体提供成员项关联信息模型中各信息点的映射地址。在此基础上，通过ＤＡ的功能约束项（如状态信息ＳＴ、测量值ＭＸ、控制ＣＯ、设点ＳＰ）以及ＤＡ的触发条件项（如数据属性值变化ｄｃｈｇ、品质属性值变化ｑｃｈｇ、数据属性值更新ｄｕｐｄ、完整性周期ＩｎｔｇＰｄ与总召唤ＧＩ）形成数据集、报告控制块及其对应的通信服务，构建微电网设备完整的ＸＭＬ模型文件。附录Ａ图Ａ１给出了光伏系统部分ＬＮ信息点及其对应的ＸＭＬ描述。２．３　模型下载基于微电网设备的ＸＭＬ模型文件提取模型识别所需的目标文件，其中，ＩＥＤ初始化文件指明设备的模型文件名称、ＩＥＤ装置名称以及接入点信息；数据集与报告控制块文件记录数据集的名称、下属ＤＯ内容以及报告触发条件；控制变量文件存放ＸＭＬ模型文件中约束条件为可控状态的ＤＯ，并指明其域名位置以及受控点序号；ＤＯ内存数据库映射文件记录ＬＮ所有ＤＯ的域名位置、数据类型以及信息点内存数据库映射地址。ＩＥＤ下载对应设备的ＸＭＬ模型文件以及目标文件，为模型识别提供完备的信息源。２．４　模型识别微电网ＩＥＤ负责完成对设备信息模型的自动识别，实现多类型通信与控制接口的标准化应用。ＩＥＤ通过导入具备设备特性自描述功能的信息模型，实现微电网各类型设备、操作系统以及数据库平台的灵活兼容，降低ＤＥＲ等设备的系统集成难度，提高微电网信息交互的可扩展性。ＩＥＤ通常由数据采集处理模块、中央处理器、通信模块以及控制模块等部分组成。主要负责采集并处理微电网运行数据、系统状态以及保护信息，建立与监控中心或其他ＩＥＤ的信息交互链路；解析相关控制命令，完成对关联设备的操作管理。根据实际应用的功能需求，ＩＥＤ可以配置人机交互模块、数据存储模块等扩展部件。ＩＥＤ模型识别的工作流程如图４所示。