基于IEC61850標準的電動汽車充電站電能質量IED建模

郭少豐,呂玉祥*,孫 斌,王金浩

(1.太原理工大學物理與光電工程學院,太原 030024;2.山西電力科學研究院,太原 030009)

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基于IEC61850標準的電動汽車充電站電能質量IED建模

郭少豐1,呂玉祥1*,孫 斌1,王金浩2

(1.太原理工大學物理與光電工程學院,太原 030024;2.山西電力科學研究院,太原 030009)

隨著電動汽車的發展和大型電動汽車充電站的建設與應用,充電站大負荷充放電過程對智能電網電能質量的影響日益明顯。基于IEC61850標準,特別是面向對象建模的方法與特點,并結合電動汽車充電站電能質量監測裝置,分析了IEC61850標準中適用于電動汽車充電站的內容,提出了電動汽車充電站電能質量監測IED新的功能要求,建立了符合IEC61850標準的新模型,保證了在智能電網中電動汽車充電站電能質量監測IED信息的自由傳輸,為掌控電動汽車充電站對電網電能質量的影響提供了必要的技術支持

IEC61850;電能質量;模型;邏輯節點;電動汽車;充電站

純電動汽車因其優異的節能高效和環保性能,在未來的汽車市場中將擁有著廣闊的發展空間[1]。隨著智能電網的興起和發展,電動汽車充電站必將成為國家新能源戰略和智能電網的重點參與對象。研究電動汽車充電站與現行電網聯網后造成的公共電網諧波增大、電壓偏差和波動等一系列電能質量問題是電動汽車充電站發展所面臨的重大課題;相應的電能質量監測設備研制也將成為汽車充電站設計的必要環節[2-3]。

現運行的電能質量監測設備大多數采用各自廠商行的通信協議,所遵循的標準也各不相同,因而導致電能質量監測組網通信過程中出現設備之間的兼容性和互操作性差、數據難以共享、系統平臺運行不穩定等問題[4-5]。為使不同智能電子設備(IED)間數據共享、實現兼容,需要將IEC61850標準推廣到電能質量監測設備之中。

IEC61850是變電站自動化領域的新一代通信標準,該標準規范了各IED之間的通信互聯和管理,使得出于不同廠商的IED之間可以良好的互操作[6]。在電動汽車充電站領域,IEC61850作為應用于數字化變電站的公共通信標準和智能電網數字化核心技術之一,其定義功能基本涵蓋了電能質量監測的所有方面。

IEC61850標準的核心內容在于其特殊的信息模型和建模方法[6]。信息模型是一種定義信息常規表達和組織的方式,用于描述和現實世界中相對應對象的某種特征和參數。IEC61850中提出的信息模型是針對實際物理設備及其功能的一種抽象化,目的是為了解決雙方在網絡上所傳播數據的互相理解問題,是實現設備互操作的基本條件。該標準采用面向對象的建模技術,對模型的結構與其詳細語義的約定有著明確規定[7]。由此,對于設計實現電動汽車充電站電能質量功能的IED來說,其數據傳遞交換的內容就由IEC61850所提出的信息模型完全定義了,而信息交換機制就是ACSI(抽象通信服務接口)。利用以XML(可擴展標記語言)技術為基礎的SCL(變電站配置語言)來描述信息模型,最后使用SCSM(特殊通信服務映射)來定義ACSI到網絡或協議之間的映射關系,即可實現信息在在IED之間的相互傳遞[8]。

1 IEC61850的面向對象建模方法

IEC61850標準使用了面向對象的建模方法并提供了建模所需的基本素材,使用者可根據實際需要靈活地建立模型或者對模型素材進行擴展。該標準引入了虛擬環境的概念,用來區別于具體現實設備的實現方式來重新定義信息以及信息交換。虛擬環境提供了一種具體現實設備和其他設備互交信息的媒介。IEC61850提出的標準方法是將功能進行模塊化分解,每個邏輯節點就是分解功能得到的一個小的單元,其代表某一項具體的分解功能[10]。在實際工程應用中構建IED信息模型,就是在IEC61850標準中選擇給出的或者可以擴展的邏輯節點和數據,然后賦予其特定值,再進行組合的過程。如圖1為IEC61850的典型抽象模型。右側的實際測量單元建模為圖左部的虛擬模型,即邏輯節點MMXU代表右側實際測量單元。

圖1 IEC61850抽象模型

1.1 IEC 61850建模方法-分解應用功能和信息

IEC61850標準將實際應用功能分解為可通信的最小功能塊。分解標準取決于具體實際設備的功能分配與安裝分布。這個最小功能塊稱作LN(邏輯節點),每個LN都由屬于同一功能塊的數據和數據屬性組成。LN中數據和數據屬性所代表的信息通過通信服務進行交換。

1.2 IEC 61850建模方法-逐級組合形成信息模型

將上述功能分解后所得到的邏輯節點、數據和數據屬性,按照公用數據類和兼容邏輯節點的不同逐步組合,所形成的最小功能邏輯節點,根據彼此之間的內在物理及邏輯聯系組合形成IED數據模型[7,9]。

實際應用功能和信息的分解過程(功能分解成為公共邏輯節點),就是邏輯節點LN的誕生過程。數據的組合過程(利用邏輯節點建立的裝置數據模型),就是IED模型的形成過程。如圖2展示了原有LN經建模后組合成不同IED的過程。使用給定的邏輯結點,如果按照不同的組合方式可以建模成為不同的IED,完成同樣的實際功能。這種分解和組合過程展現了IEC61850的IED建模方法,同時也體現了IEC61850的功能自由分解配置的特征。

圖2 IED建模示范

2 汽車充電站電能質量監測IED的功能分析

電動汽車儲能設備通過電動汽車充電站充放電設備與電網相連,實現了電能在電網和電動汽車儲能設備之間的雙方向流動。隨著電動汽車技術的不斷發展,大批量的電動汽車將會進入配電網絡。加之大電流、多臺數的電動汽車充電設備的建設,在某時刻多個充電設備同時進行充電行為將會引發當地配電網絡的局部過負荷,對電網造成負面影響[11]。文獻[12-14]中提到,當充電站充電機充電工作時,直流電在三相之間不斷地切換時產生諧波,會對當地配電網系統的電能質量產生影響,如電壓偏差、頻率偏差和功率損耗等。文獻[15]中又進一步討論了充電電池對充電設施的電壓和基波屬性、諧波損耗、變壓器負載和總諧波畸變率的影響。

電能質量監測IED分類獲取的數據是下一步電能質量分析和更為高端應用的基礎。以電能質量國標要求和電動汽車充電站的設計要求為依據,電動汽車充電站電能質量監測IED所要實現的功能主要包括:

(1)頻率、諧波、波動與閃變、三相電壓不平衡度、和電壓偏差等參數,即多種電能質量參數的計量和測量功能[16-18]。(2)功率、電壓和電流等常用電參數測量,即電壓/電流互感器測量功能。(3)告警和設備數據錄波功能。(4)接口和存檔功能。

3 充電站電能質量IED信息模型建立

IEC61850-7標準采用了分層分類別的建模思想,將IED用于通信交換的數據信息建立為分層的信息模型。該指定的信息模型一共包含5個層次:Server(服務器)/LD(邏輯設備)/LN(邏輯節點)/DO(數據對象)/DA(數據屬性),其中Server是LD的外部可見,LN組合形成LD,DO是對LN的數據描述,而DA是DO的特性[10]。本文提到的電能質量IED信息模型各部分屬性結構關系如圖3所示。

圖3 電能質量監測IED信息模型屬性結構圖

3.1 充電站電能質量監測IED邏輯節點建模

IEC61850-7-4中規范了13個邏輯節點組,使用450個數據類定義了90個邏輯節點[9]。由于IEC61850標準的開放性,根據所要實現的具體功能自由選取及擴展合適的邏輯節點,進而組合起來以解決電動汽車充電站電能質量IED的建模問題。將電動汽車充電站電能質量監測IED功能分解為5個部分,如圖4所示。

圖4 充電站電能質量監測IED功能分解圖

具體的功能分配邏輯節點為:

(1)實現物理設備的尋址功能,選取LPHD節點,即物理設備信息節點。(2)實現邏輯設備的尋址功能,選取LLN0節點,即邏輯節點0。(3)實現電能質量監測IED的計量和測量功能時,選取IEC61850-7-4中的計量和測量功能邏輯節點組M,如:計量統計邏輯節點(MSTA),用于計算分析電能質量數值;測量邏輯節點(MMXU),供高低壓線路兩端的實時運行使用,如實時電壓值和實時電流值等;諧波參量邏輯節點(MHAI),用來描述各次電壓諧波有效值、電流諧波有效值,總單相有功功率代數和等信息;不平衡邏輯節點(MSQI),描述此電力系統序分量是否不平衡。閃變邏輯節點(MFLK),用于描述長、短時閃變;(4)實現電能質量事件相關功能時,選取電能質量事件相關邏輯節點組Q,如描述電壓驟升、驟降、中斷等事件的邏輯節點(QVVR);描述短時電壓波形變化事件的邏輯節點(QVTR);描述電壓不平衡事件的邏輯節點(QVUB)等。(5)實現電壓和電流的采集功能時,選取互感器邏輯節點組T,分別是電壓互感器邏輯節點(TVTR)和電流互感器邏輯節點(TCTR)。(6)實現告警和設備數據錄波功能時,選取數據錄波邏輯節點(RDRE),用于擾動記錄;告警邏輯節點(GGIO),用于過程層鏈路告警。(7)實現接口和存檔功能時,選取人機接口邏輯節點(IHMI)和存檔邏輯節點(IARC)。表1為電動汽車充電站電能質量的相關邏輯節點實例。

表1 電動汽車充電站電能質量的相關邏輯節點

表1中,TVTR1～3和TCTR1～3組成的合并單元用于采集高壓側ABC三相的電壓值和電流值,同樣地,TVTR4～6和TCTR4～6組成合并的單元用于采集低壓側ABC三相的電壓值和電流值。RDRE1及RDRE2負責設定記錄參數,如波形擾動記錄的觸發通道、模式、電平、時間等。RADR1～6用于記錄高壓側的ABC三相電壓和電流的波形(瞬時值),RADR7～12用于記錄高壓側的ABC三相電壓和電流的擾動(有效值)。RADR13～18用于記錄低壓側的ABC三相電壓和電流的波形(瞬時值),RADR19～24用于記錄低壓側的ABC三相電壓和電流的擾動(有效值)。

將上述所選的邏輯節點按照圖4所分劃的不同功能分配到變電站層、間隔層和過程層。如圖5為電能質量測量IED邏輯節點結構圖,體現了各LN組合而成所要實現功能LD的邏輯關系。

3.2 電動汽車充電站電能質量IED數據對象建模

根據上述的IED分層模型和上述的邏輯節點可以得到,每一個邏輯節點LN內部都包含一個或者多個數據對象DO。只要確定了所要IED的邏輯節點,同時也就確定了這個邏輯節點LN內的兼容數據類型。IEC64850所定義的兼容數據類是從公用數據類(CDC)導出的,由確定的兼容數據類型實例可以獲得公用數據類中的所有屬性。表2中以計量和測量功能中的相序和不平衡邏輯節點(MSQI)為例,對組成MSQI邏輯節點的數據屬性作了說明。

表2 不平衡邏輯節點MSQI實例

3.3 電動汽車充電站電能質量IED邏輯設備建模

根據IEC61850標準的IED分層模型,邏輯節點LN包含在邏輯設備LD之中,需要將邏輯節點LN分劃到邏輯設備LD中。但是ICE61850并沒有明確給出邏輯設備的模型。邏輯設備的劃分宜根據功能進行劃分,一般地把具有公共特征的相關邏輯節點分劃到一起,組合成為一個邏輯設備。例如,將表1中列出的邏輯節點按照執行功能分劃到公用及開入邏輯設備、測量邏輯設備(MEAS)、錄波邏輯設備(RCD)和人機接口邏輯設備(HMI)之中,如圖6所示。

圖5 電能質量監測IED邏輯節點關系圖

圖6 電動汽車充電站電能質量IED邏輯設備模型結構圖

IEC61850標準規定,LD模型內須有邏輯節點0(LLN0)和物理設備邏輯節點(LPHD)為Server提供外部可見的信息。圖6中各邏輯設備均包含以下邏輯節點:(1)LLN0提供LD的公共數據;(2)LPHD提供作為LD實體的物理設備(PD)的公共數據;(3)其他邏輯節點是與電動汽車充電站電能質量監測功能相關的邏輯節點。

3.4 電動汽車充電站電能質量IED服務器建模

IEC61850標準指出,一個服務器一個或者多個邏輯設備。電動汽車充電站電能質量監測IED建模為多個服務器的實例,其中抽象通信服務接口(ACSI)與制造報文規范(MMS)相映射。變電站層與間隔層之間采用雙100M以太網通信,通信模式為客戶/服務器模型。此模型中,IED是Server,在通信網中支持各種形式的服務;客戶端作為接受Server主動傳送數據的實體,比如監控終端。

在C/S模型中,Server滿足Client的服務請求。如果把控制、取代、讀寫、報告、時間同步、文件傳輸和數據模型結合起來,就形成了服務模型[19]如圖7所示。

圖7 服務模型

4 結語

當今,電動汽車充電站作為智能電網的重要部分正在快速興起。本文在詳細研究IEC61850標準的基礎之上,根據智能電網實際應用的需要與IEC61850建模的要求,對電動汽車充電站中的電能質量監測設備做了針對性的功能分解。詳細闡述了IEC61850的建模方法以及建模過程,得到了相應的邏輯節點和邏輯設備,并且建立了電動汽車充電站電能質量監測IED模型,為電動汽車充電站電能質量監測IED信息在智能電網中的自由傳輸提供了保障。未來隨著IEC61850技術和電動汽車充電站技術研究的逐步發展,IEC61850標準將在智能電網技術中得到不斷地優化應用。

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郭少豐(1988-),男,漢族,山西太原人,太原理工大學,碩士研究生,主要研究方向為電力電子設備的開發與研究,tyutgsf1988@163.com;

呂玉祥(1964-),男,漢族,山西呂梁人,太原理工大學,教授,碩士生導師,主要從事電力電子設備的開發與研究,lyx823@126.corn。

ModelingofEVCSPowerQualityIEDBasedonIEC61850Standard

GUOShaofeng1,LüYuxiang1*,SUNBin1,WANGJinhao2

(1.College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Electric Power Science and Research Institute,Taiyuan 030009,China)

With the development of electric vehicle and the construction and the application of the large-scale Electric Vehicle Charging Station(EVCS),it’s becoming a gradually increasingly significant influence on the power quality of the smart grids for charging station’s heavy loaded charge and discharge. Based on the standard IEC61850,especially facing the methods and features of object-oriented modeling,combined with the technology of power quality monitoring devices of EVCS,this paper analysed the content of the standard IEC61850 applicable to EVCS,proposed new requirements of functional modules of power quality monitoring IED for EVCS,and built a new information model up to the IEC61850 standard. It guaranteed the information transmission of power quality monitoring IED from EVCS in the smart grid is free,and provided necessary technical support for grasping the influence on the power quality of grids caused by the EVCS.

IEC61850;power quality;modeling;logical node;electric vehicle;charging station

2013-12-04修改日期:2014-01-08

TM76

:A

:1005-9490(2014)06-1239-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.045