柔性配電網實時仿真信息建模

鞠 煒，郝正航

(貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025)

0 引 言

傳統配電網中存在著一、二次設備間互操作性差、信息難以實時共享等問題，系統可擴展性差、二次電纜回路安全隱患較多[1]。為保障電網經濟、安全、穩定地運行，國際電工委員會(Intennational Electrotechnical Commission, IEC), 第57技術委員會公布了IEC 61850《變電站通信網絡和系統》系列標準(IEC 61850標準)，旨在對變電站內不同設備提供的開放的信息交換與互操作功能進行規范[2]。隨著微電網、配電網自動化、電動汽車、風力發電和分布式電源研究的深入[3]，IEC 61850系列標準已開始涉及新能源自動化領域[4]。大量分布式電源與微電網系統的接入[5]，為傳統配電網帶來了更復雜多樣的結構形式與運行模式，為保證配電網的可靠運行，工程投運前需對系統進行模型仿真與工況分析，電力電子設備的接入與系統規模的增長也對系統級實時仿真提出了更高的要求。同時，現有仿真平臺也存在著通信與模型不符合IEC 61850標準的問題，無法與其他IEC 61850設備進行相應數據的正常收發與功能交互。本文就在此背景下，對城市柔性配電網實時仿真進行了一系列IEC 61850標準化的研究。

1 柔性配電網模型與實時仿真平臺

實時仿真的研究對象為某實驗室建立的城市柔性配電網示范工程，系統主要由10 kV交流配電網、±10 kV直流配電中心、380 V交流微電網和±375 V直流微電網構成，各部分均受專用控制器監控和調節。如圖1所示，10 kV中壓饋線經3個1MVA的模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)MMC1、MMC2、MMC3柔性互聯，±10 kV直流母線與±375 V直流微網系統經500 kW的雙主動全橋(Dual Active Bridge, DAB)直流變壓器連接，直流微網系統主要包含混合儲能電池、光伏系統、直流充電樁、電力電子設備等。500 kVA的MMC4經過隔離變壓器與380V交流微電網系統相連，交流微電網系統則主要包含混合儲能電池、交流充電樁、風機發電系統、電力電子設備等。不同的遙控與遙調組合方式使得系統涵蓋了交流微網孤島運行模式、直流微網孤島運行模式、交流微網并網模式、直流微網并網模式、風機發電模式、光伏發電模式等多種電網運行模式，極具研究價值。

面對城市柔性配電網系統這樣一個龐大且復雜的綜合性系統，需要配套的實時仿真平臺用以分析和驗證各種傳統及創新方案。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系搭建城市柔性配電網仿真系統模型，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，此時仿真器就相當于一個實際運行的柔性配電網，可以此開展各種試驗性研究。可以直接使用LabVIEW工具軟件作為仿真監控平臺，完成圖形監視、在線調參、錄波等功能。圖2所示為柔性配電網模型在仿真平臺中通過LabVIEW監控平臺呈現的監控界面。

圖1 示范工程系統架構

圖2 仿真平臺中示范工程的監控界面

2 建模方案

IEC 61850是變電站自動化系統通信網絡的國際通用標準[6]，為實現系統模型、設備模型及仿真平臺中的仿真器實現IEC 61850標準化，本文設計了基于IEC 61850的柔性配電網實時仿真建模方案。

2.1 IEC 61850建模

IEC 61850標準采用了面向對象的建模方法，將變電站設備和各智能電子設備(Intelligent Electronic Device, IED)作為對象，通過分布于IED對象中邏輯設備(Logical Device)的邏輯節點(Logical Node)進行交互從而完成其系統功能[7]。IEC 61850標準將IED對象的信息模型自上而下地分為5個層級，分別是：服務器、邏輯設備、邏輯節點、數據對象和數據屬性[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接口(Abstract Commuhication Service Interface, ACSI)與服務器進行通信實現數據的訪問[9]。

在IEC 61850標準的指導下[10]，把內置城市柔性配電網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多個邏輯設備建模流程不同的是，由于實時仿真平臺對外進行數據交換的特殊性，只需將用于模型仿真并與外界進行數據交換的仿真器作為一個邏輯設備進行建模，通過面向對象的方法將城市配電網柔性互聯系統的具體功能按照“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狀態的遙信量；DI_CSWI包含可控制各斷路器分合的遙控量；AI_MMXU包含可調節控制與模擬量的遙調量，并設計成描述整個設備的數據對象屬性。“遙測、遙調”所涉及的模擬量，包括電網中的各種電流、電壓值、設備狀態值、設備溫度值、有功值、無功值、風機風速、光伏光照值等；而“遙控、遙信”所涉及的開關量，包括對斷路器和隔離開關的分合控制與狀態信息等，主要邏輯節點和數據對象描述如表1所示。

表1 主要邏輯節點和數據對象說明表

2.2 通信協議轉換

由于柔性配電網系統復雜、規模龐大，系統模型在仿真平臺中運行過程耗時較長，但仿真器與外部數據交互卻需要滿足時效要求，因此本文選擇了可以實現雙向收發且具快速處理速度的用戶數據報協議(User Datagram Protocol, UDP)替代傳統的傳輸控制協議/互聯網協議(Transmission Control/Internet Protocol, TCP/IP)作為仿真平臺對外傳輸協議。UDP作為開放式系統互聯(Open System Interconnection, OSI)參考模型中一種無連接的傳輸層協議[11]，主要用于不要求按一定順序到達的傳輸中，可作為IP協議與上層協議的接口。UDP提供的無連接傳輸服務，適用于單次傳輸少量數據的場景，在此符合仿真器中對數據的收發量要求。

為實現模型實時仿真的IEC 61850標準化，就必須將UDP格式的數據轉換為符合IEC 61850標準的數據，通過對數據的再次封裝與對象映射，將傳統協議轉換為IEC 61850協議[12]。表2、表3就是本文設計的UDP向IEC 61850標準轉換的部分模擬量、開關量UDP數據包說明表。

表2 部分模擬量數據說明表

表3 部分開關量數據說明表

2.3 MMS服務器軟件實現

制造報文規范(Manufacture Massage Specification, MMS)是由國際電工委員會工業自動化技術委員會TC 184工作小組和國際標準化組織共同制定和發展的位于OSI 7層參考模型的應用層的國際標準規范，通過對實際設備進行面向對象建模的方法，實現網絡環境下不同制造商設備之間的互操作[13]。IEC 61850標準將MMS引入到電力系統自動化領域，并將 IEC 61850標準的核心服務——ACSI服務直接映射到MMS標準上，以規范不同廠商設備之間的通信問題[14]。因此，對于協議轉換與映射問題，本文設計了如圖3所示的一種服務器軟件解決方案。

圖3 IEC 61850服務器軟件解決方案圖

仿真器中的一系列電網模型數據以UDP包格式通過私有協議向外發出，實時存儲于Windows平臺上的服務器數據庫中，服務器軟件根據上述數據對象說明表進行相應的信息建模，自動生成IED能力描述文件(IED Capability Description, ICD)文件于內存中，隨后建立與IEC 61850節點之間的對象映射，進而建立ACSI到MMS的模型與服務映射。待MMS服務器建立連接后，根據ICD文件的映射啟動MMS服務，在收到仿真器傳來的數據后，找到相應的IEC 61850映射節點，修改到相應的數據對象屬性中，就可以完成協議的標準化轉換。此時仿真器與IEC 61850服務器軟件共同形成IEC 61850服務器主體，可收到作為調度中心的客戶端的請求和命令，上送至支持IEC 61850標準的通用客戶端進行“遙測、遙信”量的讀取。另一方面，當其他IEC 61850裝置或客戶端與該裝置通信時，服務器軟件能將IEC 61850格式的數據或服務轉化為UDP格式，存入數據庫或轉化為相應的控制信息并執行，實現對仿真器及內部模型的“遙控、遙調”功能，至此則可以實現仿真平臺中柔性配電網系統的“四遙”功能，服務器軟件可執行文件部分內容如圖4所示。

3 功能驗證

IEDScout軟件是一款集IEC 61850標準測試、變電站自動化系統研究等多功能于一體的IEC 61850測試工具。任何符合IEC 61850標準的IED，都可以通過IEDScout軟件進行導入，在獲取IED所有相關信息的同時，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標準的IED進行通信與交互操作[15]。

圖4 IEC 61850服務器軟件圖

3.1 通信與模型驗證

首先配置IP地址，建立IEDScout與IEC 61850服務器軟件的連接，設置IP和端口號后搜索IED。連接完成后，會出現模型的相關配置信息，依次展開服務器數據模型結構，可看到包含的所有邏輯設備和其下包含的所有邏輯節點如圖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上若還能實現“遙測、遙控/遙信、遙調”功能，就可證明本文在服務器軟件中建立的模型是正確的、符合IEC 61850標準的。

圖5 展開后的IED模型圖

3.2 “遙測”功能驗證

首先驗證“遙測”功能，“遙測”的數據對象包含于邏輯設備AO_MMXU中，展開AO_MMXU中的各項，將其中需要觀測數據變化的遙測量拖拽至右側的監控模塊中，每當收到數據值變化更新時監控模塊中的各數據單元字體會變成黃色閃爍一次，將刷新間隔調至200ms，觀察到各數據一直刷新跳變如圖6所示，說明成功收到“遙測”數據，且收包刷新頻率符合要求。

圖6 “遙測”功能驗證圖

3.3 “遙控/遙信”功能驗證

“遙控”的數據對象包含于邏輯節點DI_CSWI中，通過展開邏輯設備DI_CSWI項，對相應的遙控量進行“寫入”操作。“遙信”的數據對象包含于邏輯節點DO_XCBR中，通過展開DO_XCBR項，對相應的遙信量進行“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，設計斷路器的狀態為閉合時對應的數值為1，斷開時對應的數值為0，而控制斷路器執行分閘操作寫入的數值為1，控制斷路器執行合閘操作寫入的數值為0。圖7為380VAC斷路器7和MMC4交流微網斷路器8的遙信狀態，可以看到斷路器7、8的狀態DO_XCBR.Brk7_Stat、DO_XCBR.Brk8_Stat，數值均顯示為1，斷路器處于閉合狀態。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。寫入后數據變化如圖8所示，DI_CSWI.Brk7、DI_CSWI.Brk8的數值由0變為1，表明分閘操作成功執行；DO_XCBR.Brk7_Stat、DO_XCBR.Brk7_Stat的數值由1變為0，表明斷路器狀態由閉合變為斷開；同時在圖9所示的LabVIEW界面中看到斷路器成功斷開，兩個斷路器的狀態顏色由綠(閉合)變紅(斷開)，380VAC斷路器和MMC4交流微網斷路器成功分閘，“遙控/遙信”功能實現。同時，交流微網系統以孤島模式運行，在運行不久后作為平衡節點的鉛炭電池元件向外發出功率給直流充電樁充電，自身的電量由初始設定的58%降為57%，在驗證IEC 61850建模和MMS服務器軟件“遙控/遙信”功能實現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交流微網孤島運行圖

3.4 “遙調”功能驗證

在上述的交流微網孤島運行情況下進一步驗證“遙調”功能，“遙調”的數據對象包含于邏輯節點AI_MMXU中，通過展開邏輯節點AI_MMXU項，對相應的遙調量進行“寫入”操作。給風機風速輸入值寫入“15”,如圖10所示，與此同時LabVIEW中可以看到風速值變為“15”風機向外發出功率，作為平衡節點的鉛炭電池此時功率為正，表示多余功率流向電池內部，電池開始充電，“遙調”功能實現。

圖10 風機風速遙調圖

調節風速后對碳酸鐵鋰電池功率值進行調節，對“遙調”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，新的遙調值的寫入不會影響到之前寫入的遙調和遙控值，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%變為60%，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%變為62%，“遙調”功能得到驗證，由此可見服務器軟件在大型仿真系統下可以穩定、正確、持續地運行，也進一步驗證了仿真器中模型的正確性，“四遙”功能的實現為后續的研究提供參考。

圖11 LabVIEW碳酸鐵鋰電池功率遙調圖

4 結 語

本文對城市柔性配電網系統組成與實時仿真平臺進行了簡要介紹，在IEC 61850標準的指導下進行IED整體建模和“四遙”功能分解建模，選擇UDP作為數據傳輸協議并向IEC 61850標準進行規約轉換，設計MMS服務器軟件實現方案，解決所建對象與服務映射至IEC 61850的問題。基于IEDScout軟件進行模型與功能驗證，完成柔性配電網的“四遙”功能驗證，為后續的工程研究提供參考，對柔性配電網實時仿真和IEC 61850標準的研究有一定的參考價值。