基于IEC61850的蓄电池储能系统信息建模与运行

邓 卫，裴 玮，沈子奇，赵振兴

（中国科学院 电工研究所，北京 100190）

0 引言

随着建设经济、环保和低碳社会需求的日益强烈，热电联供 CHP（Combined Heat and Power）、光伏、风电等分布式能源DER（Distributed Energy Resource）受到广泛关注，成为国内外能源领域的研究热点。DER在增强供电可靠性、改善电能质量、实现清洁可再生能源规模化接入等方面发挥着重要的作用[1-3]。DER中发电技术与储能技术（如超导储能、超级电容器、飞轮、蓄电池等）相结合能够形成运行灵活的综合供能系统[4-6]，可以进一步提高多类型能源利用效率，降低化石能源消耗与二氧化碳排放，促进低碳电力与低碳社会的快速发展。

在储能设备应用日益广泛的同时，由于各设备制造厂商提供的通信接口与规约不尽相同，给多类型储能设备的系统快速集成与功能灵活扩展带来了一定的障碍，如何有效地组织、管理日益增多的储能设备，成为一项具有理论与现实意义的研究课题。IEC61850系列标准（简称IEC61850，下同）具备标准化的系统语言、语义、协议和体系结构，详细定义了水电站、DER以及变电站自动化等领域信息交互的公共数据类CDC（Common Data Classes）与逻辑节点 LN（Logical Node）类[7-8]，能够为储能设备提供面向对象的信息建模技术以及灵活的通信架构，将有助于储能设备实现“即插即用”功能。

IEC61850第7-420部分针对多类型发电设备（如CHP、光伏发电系统以及燃料电池等）与分散式储能设备定义了各自对应的基本LN类与CDC。利用IEC 61850的抽象通信服务接口ACSI（Abstract Communication Service Interface），DER 可以实现快速的信息交互[9-10]。目前，围绕DER的IEC61850相关研究涉及基于IEC61850和IEC61400-25的风力发电机通信数据模型[11]、基于IEC61850的电动汽车LN类扩展与建模[12]、基于IEC61850的分层管理及通信架构[13-15]等方面。IEC61850第7部分定义了变电站和馈线装置基本LN类，IEC61850第7-420部分定义了蓄电池（ZBAT）、蓄电池充电器（ZBTC）等基本LN类，提供了蓄电池状态、放电曲线、保护定值设置、运行值测量等数据对象 DO（Data Object）[16]。 在此基础上，可以利用ZBAT、ZBTC等基本LN类构建不同类型的储能逻辑设备LD（Logical Device）。这些LN与LD能够解决储能系统各物理设备自身的建模问题，但较少充分考虑储能系统的典型运行方式及从储能系统整体的角度出发进行信息建模，规模化储能系统运行时其大量物理设备仍需与相应的控制管理中心交互信息，这一方面会给通信网络带来巨大压力，影响通信及运行控制的可靠性，另一方面也会影响储能系统的集成效率。基于IEC61850将储能系统以整体DER的形式进行信息建模，可以为其相应的运行控制与管理提供可靠、快速的通信支撑，为完成不同运行状况下储能系统的能量管理与控制协调提供更为高效的信息交互手段，在此基础上可以快捷实现储能系统的可靠集成。现阶段的研究工作较少涉及基于IEC61850的储能系统整体建模及其实际的运行测试。

本文提出一种适用于储能系统信息建模与运行的解决方案，针对典型储能形式——蓄电池储能系统 BESS（Battery Energy Storage System）的通用应用需求，扩展IEC61850相关的基本LN类，从BESS整体运行的角度出发构建BESS智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device）信息模型，进一步提出基于IEC61850的BESS信息交互实现方法，并进行实际的运行测试。

1 IEC61850在BESS中的应用

1.1 IEC61850 LN

IEC发布的变电站通信网络和系统标准——IEC61850提供变电站和馈线装置统一的信息模型和访问服务[17-20]，并随着标准的不断滚动修订，其应用范围逐步涵盖公用电力事业自动化通信网络和系统的多个领域。

IEC61850依据BESS实际的应用功能将各组成物理设备抽象成虚拟的LD，其具体应用功能可以形成对应的LN。LN为交换数据功能的最小单元，是由其数据和方法定义的对象。LN由多个DO组成，DO代表不同类型的特定信息，如状态或者测量值，通常由CDC定义其属性类型。CDC定义了由1个或多个数据属性DA（Data Attribute）组成的结构体信息。DA可以定义CDC各项具体数值的名称、类型、功能约束 FC（Function Constraint）、触发选项 TrgOp（Trigger Option）、值/值域以及强制选项等属性，其中FC指明可应用于该DA的服务，通常包括状态信息（ST）、测量值（模拟值）（MX）、设点（SP）、描述（DC）等类型；TrgOp指明该DA的触发条件，可以为数据变化（dchg）、数据刷新（dupd）或品质变化（qchg）等类型。

1.2 ACSI

IEC61850中的ACSI提供客户应用和远方服务器应用之间通信、事件传输（发布者/用户）以及采样测量值传输（发布者/用户）的抽象接口，其包括基本模型与信息交换服务模型，前者支持服务器（server）模型、关联（association）模型、LD 模型、LN 模型、数据（data）模型、数据集（DataSet）模型、报告控制块RCB（Report-Control-Block）模型、设置组控制块（setting-group-control-block）模型、面向变电站事件的通用对象GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）模型、采样值 SV（Sampled Value）传输模型等；后者则提供相应的ACSI服务，以完成各具体模型的通信功能。

BESS运行时，主要交互的信息通常包括以下几种。

a.告警信息：包括蓄电池组组端电压超上限报警、蓄电池组组端电压超下限报警、放电电流超上限报警、温度越限报警、内阻过高报警、通信故障等。

b.设定值：充电截止电压、内阻修正系数、充电电流上限、充电曲线、输出功率等。

c.状态信息：直流接触器开关状态、电池组投运状态、蓄电池组充放电状态等。

d.统计信息：累计充电电量、累计放电电量、蓄电池单体电压均值、可充/放电容量等。

e.测量值：蓄电池组组端电压、单体内阻、电池荷电状态SOC（State Of Charge）、电池温度、输出功率、网侧电压、系统频率等。

f.控制指令：断路器闭合、电池组投运、启动电池组测试等。

g.计划安排：蓄电池充电计划曲线、蓄电池放电计划曲线、交流侧输出功率调度计划等。

围绕上述BESS交互信息，IEC61850可以提供对应的ACSI服务，如表1所示。表中“√”表示其所在行对应的ACSI服务项目可以实现其所在列对应的信息交互功能。

表1 BESS信息交互及相应的ACSI服务Table 1 BESS information exchange and corresponding ACSI service

1.3 信息交互体系

依据IEC61850提供的通信体系，BESS运行时可采用设备层、间隔层以及系统层的信息交互分层结构。围绕该分层结构，相应形成的通信网络包括设备层与间隔层通信网络以及间隔层与系统层通信网络。

a.设备层与间隔层通信网络。支持IEC61850 GOOSE、SV通信规约的物理设备可以直接与间隔层IED进行信息交互，以GOOSE报文传输BESS物理设备的运行状态信息、开关量控制信息等，以SV报文传输BESS物理设备的运行数据SV。当物理设备不支持IEC61850时，可以通过其RS-485、控制局域网络（CAN）等通信接口与间隔层IED交互相关信息。

b.间隔层与系统层通信网络。IEC61850第8-1部分通过特殊通信服务映射SCSM（Specific Communication Service Mapping）实现ACSI的对象和服务到制造报文规范MMS（Manufacturing Message Specification）的映射，并利用局域网进行实时与非实时的数据交换。间隔层IED可以采用MMS报文向系统层传输BESS运行过程中的各类型测量值与状态信息，并接收系统层下达的设定值与控制指令，经过解析后传输至相应的BESS物理设备。

2 基于IEC61850的BESS LN

2.1 BESS典型应用

BESS通常由储能器件（如铅酸蓄电池组）、控制设备（如蓄电池充电器、直流变换器）与其他辅助设备（如直流开关、断路器）构成，通过电气连接点ECP（Electrical Connection Point）接入电网。 BESS 可以运行在有功/无功功率（PQ）控制方式，按照功率调节指令参与系统的经济调度与能量优化；BESS也可以运行在恒压恒频（V/f）控制方式，作为电压源提供一定时间的系统电压与频率支撑，保证重要负荷的不间断电力供应。当多个BESS并联运行时，可以采用PQ控制方式，也可以运行在无互联通信线的下垂控制方式，按照有功功率－频率（P-f）下垂特性、无功功率－电压（Q-U）下垂特性自动均分负荷功率，实现多个BESS之间的协调运行。

当BESS输出功率时，其蓄电池充电器为直流变换器提供稳定的直流电压支撑。直流变换器运行在逆变工作状态，根据系统运行状况以V/f控制方式、PQ控制方式或下垂控制方式运行，如图1所示。

图1 BESS放电状态下的典型控制方式Fig.1 Typical control modes of BESS in discharging condition

当蓄电池组充电时，受蓄电池物理特性的影响，不同SOC下BESS的充电方式不尽相同：蓄电池组电压较低时通常采用恒电流控制方式以较大的限值电流进行充电；当蓄电池组SOC较高时，可转入浮充或涓流充电即恒电压控制方式；恒功率控制方式可以根据蓄电池组SOC的变化自动调整充电电流，优化蓄电池组的充电过程。直流变换器运行在整流工作状态，将ECP三相交流电压变换为直流电压，作为蓄电池充电器的输入。蓄电池充电器根据系统运行状况以恒功率控制方式、恒电流控制方式或恒电压控制方式运行，如图2所示。

图2 BESS充电状态下的典型控制方式Fig.2 Typical control modes of BESS in charging condition

2.2 BESS LN

依据BESS各组成物理设备的实际功能并结合IEC61850第7-420部分规定，BESS可以划分为多个LD，如ECP、蓄电池系统、直流开关、直流变换器、断路器、储能控制器等。图3描述了基于IEC61850的BESS LN构成。

图3 BESS LN的构成Fig.3 Conceptual organization of BESS LNs

基于IEC61850的BESS LN扩展类及LD中，采用DER控制器特性（DRCT）类描述BESS类型、电气特性等信息；采用DER控制器状态（DRCS）类描述BESS手动/自动运行方式、本地/远程控制方式等信息；采用DER监视控制（DRCC）类描述BESS所具备的监视控制功能。

直流开关连接直流变换器与蓄电池系统的功率主电路，其建模可采用开关控制器（CSWI）类或隔离开关（XSWI）类；断路器完成 BESS、电网、其他 DER及负荷之间的连接，其建模可采用断路器（XCBR）类或CSWI类；BESS直流变换器建模可采用整流器（ZRCT）类来描述直流变换器整流工作特性，或采用逆变器（ZINV）类来描述直流变换器逆变工作特性；蓄电池系统建模可采用ZBAT类以及ZBTC类分别描述蓄电池组特性、蓄电池充电器工作特性。

对保护、测量等二次设备进行建模时，保护功能建模可采用低周频率（PTUF）类、高周频率（PTOF）类等LN；测量功能建模可采用计量（MMTR）类描述BESS统计或历史数据信息，采用测量（MMXU）类描述BESS电流、电压以及功率等电力运行数据，采用直流测量（MMDC）类、温度测量（STMP）类、热量测量（MHET）类等LN完成BESS不同类型的测量功能。

ECP模型用来描述BESS的公共属性，如所有权、合同义务、额定容量、电气连接类型（单相或三相）、操作权限以及能量/辅助服务计划等。

IEC61850第7-420部分定义DRCT类来描述1种DER或同类型DER设备集合采用单个控制器时的控制特性与能力。DRCT类将部分关键参数作为强制M（Mandatory）DO，可以采用CDC为整数状态定值（ING）的DO-DERNum来设定接入的BESS数量，采用CDC为ING的DO-DERtyp来设定接入的BESS类型。在此基础上，结合BESS的实际应用需求进一步扩展DRCT类的相关DO，增加DERtyp类型项，当DRCT.DERtyp=6时表明接入的DER为BESS类型。DRCT扩展类的具体结构如表2所示。表中，T表示瞬态DO；O表示LN定义的DO是可选的；ASG为模拟定值；LLN0代表LD的公共数据。

表2 DRCT扩展类Table 2 Extended DRCT classes

IEC61850第7-420部分定义DRCC类来完成DER运行目标值设定、控制方式切换、运行启动/停止操作等通用功能。DRCC类的DO（M）中，可以采用CDC 为可控单点（SPC）的 DERStr、DERStop 分别控制BESS的投运、停运。结合2.1节分析结果，进一步扩展DRCC类的部分DO，增加CDC为可控枚举（ENC）的ModeSet来设定BESS不同的控制方式：当DRCC.ModeSet=1、DRCC.ModeSet=4 时，BESS 分别转入PQ控制、充放电恒功率控制方式，并由DRCC.OutWSet、DRCC.OutVarSet分别确定有功、无功功率目标设定值；当DRCC.ModeSet=2、DRCC.ModeSet=6时，BESS分别转入V/f、充放电恒电压控制方式，并由DRCC.OutVSet、DRCC.OutHzSet分别提供电压、频率目标设定值。基于此，增加CDC为曲线设定（CSG）的DO-PfDroopSet、DO-QVDroopSet，在 DRCC.ModeSet=3即BESS转下垂控制方式时，分别由DRCC.PfDroopSet、DRCC.QVDroopSet确定P-f下垂特性、Q-U下垂特性设定值；增加CDC为可控模拟设点信息（APC）的DO-OutASet，在 DRCC.ModeSet=5即 BESS转入充放电恒电流控制方式时，由DRCC.OutASet提供电流目标设定值。DRCC扩展类的具体结构如表3所示。

表3 DRCC扩展类Table 3 Extended DRCC classes

3 基于IEC61850的BESS信息交互

3.1 IED信息模型

依据BESS各组成物理设备的实际功能，扩展IEC61850相关LN类，在此基础上利用可扩展标记语言 XML（eXtensible Mark-up Language）并且结合IEC61850颁布的XML语法规则，对BESS各LN类进行实例化，确定所有关联的DO以及DA数据信息。图4给出了BESS部分LN类实例的XML描述，代码如下。

BESS LNs通过一定的配置流程可以生成BESS IED信息模型所需的配置IED描述CID（Configured IED Description）文件，以实现对BESS IED信息模型的自动识别。CID文件配置流程如图5所示，具体流程如下：

图4 BESS部分LN类实例Fig.4 Instances of partial BESS LNs

图5 CID文件配置流程Fig.5 Flowchart of CID file configuration

a.应用BESS制造厂商所提供的IED配置工具，将扩展的BESS LNs转换为符合工程实施规范的IED 能力描述ICD（IED Capability Description）文件；

b.结合系统规范描述SSD（System Specification Description）文件和ICD文件，进一步应用系统集成商所提供的系统配置工具形成系统配置描述SCD（System Configuration Description）文件；

c.在步骤b的基础上应用IED配置工具将SCD文件转化为CID文件（CID文件记录BESS所有LNs的域名位置、数据类型等信息，并定义需要进行信息交互的具体DataSet内容及其RCB触发方式与通信服务属性），并下载至BESS对应的IED。

3.2 信息交互

BESS运行时其交互信息主要围绕状态信息、测量值以及控制指令等类型，BESS IED工作时载入信息模型CID文件，并提取其中的状态信息DO、测量值DO以及控制DO的相关配置（状态信息DO主要记录BESS的运行状态，测量值DO主要记录BESS的运行数据，控制DO主要调整BESS的运行调节值与控制方式）。当IED启动ACSI服务后，将BESS实际运行工况的SV定期更新至DataSet对应的状态信息DO与测量值DO，并依据RCB触发方式与通信服务属性触发相应报告；当BESS接收到设置、控制请求时，DRCC.ModeSet响应并解析获取具体的BESS控制方式指令，DRCC.OutWSet、DRCC.OutVarSet等响应并解析获取具体的BESS运行调节设定值，并更新对应关联物理设备的设定与控制信息。图6描述了基于ACSI的BESS信息交互实现流程（IHMI为人机接口），在完成可靠、快速信息交互的基础上，BESS可以根据系统运行状况进一步完成相应的运行控制与管理。

图6 信息交互示意图Fig.6 Schematic diagram of information exchange

4 示范测试

采用如图7所示的DER示范系统作为BESS测试研究平台，该示范系统包含动力负荷（峰值功率为23 kV·A）、照明负荷（峰值功率为 18 kV·A）、光伏发电阵列（额定容量为19 kWp）以及BESS（采用阀控铅酸蓄电池组，其逆变器额定容量为50 kV·A），各电流为断路器对应的额定电流。示范系统中，BESS与其他各组成单元均配置IED并载入对应的信息模型CID文件，各IED通过以太网与示范系统能量管理系统EMS（Energy Management System）进行通信互联。

图8描述了BESS采用PQ控制方式时的示范系统运行监测曲线，该时段内EMS的运行目标为控制示范系统与配电网公共连接点（PCC）无交互功率，即当示范系统出现光伏发电输出功率波动、负荷变化等情况时，EMS将动态调整BESS的输出功率以维持PCC交互功率恒定为0。由图8可知，BESS IED信息模型能够准确解析EMS下达的控制方式指令与运行调节设定值：当接收到EMS下达的PQ控制方式指令时，其信息模型中的控制DO-DRCC.ModeSet设定为1，信息模型中的控制DO-DRCC.OutWSet、DO-DRCC.OutVarSet响应 EMS 下达的功率设定值并进行动态更新，进而调整BESS直流变换器的有功/无功功率设定值，以缓冲光伏发电出力变化、负荷投切等状况引起的示范系统功率波动，维持其PCC交互功率恒定。

图7 DER示范系统结构Fig.7 Structure of DER demonstration system

图8 BESS采用PQ控制方式时，示范系统各单元功率Fig.8 Power curve of demonstration system in PQ control mode for different units

当示范系统接受EMS调度转入离网运行时，BESS将采用V/f控制方式为示范系统提供一定时间的电压与频率支撑。图9描述了BESS采用V/f控制方式时的实验波形，当BESS IED接收到EMS下达的V/f控制方式指令时，其信息模型中的控制DODRCC.ModeSet设定为2，信息模型中的控制DODRCC.OutHzSet、DO-DRCC.OutVSet分别响应 EMS 下达的系统频率、电压幅值设定值，并进行动态更新，以调整BESS直流变换器的输出电压。图9实验结果表明，BESS能够快速响应EMS的控制指令，在2个工频周期内建立示范系统电压（频率50.0 Hz，有效值224.1 V）并提供稳定支撑。

图9 BESS采用V/f控制方式时的电压波形Fig.9 Voltage waveform of demonstration system in V/f control mode

图10描述了BESS采用充放电恒功率控制方式时的示范系统运行监测曲线，其中EMS在09∶58∶00前的时段对BESS进行4 kW恒功率充电，在09∶58∶00时下达9 kW恒功率充电指令。由图10可知，BESS IED信息模型能够准确解析EMS控制指令：当接收到EMS下达的充放电恒功率控制方式指令时，其信息模型中的控制DO-DRCC.ModeSet设定为4，信息模型中的控制DO-DRCC.OutWSet响应EMS下达的充放电恒功率设定值并进行动态更新，进而控制BESS蓄电池充电器的功率输出、完成对BESS的充放电恒功率控制。

图10 BESS采用充放电恒功率控制方式时，示范系统各单元功率Fig.10 Power curve of demonstration system in constant power control mode for different units

上述示范系统运行测试结果表明，BESS IED能够准确、可靠地与EMS进行信息交互，一方面，BESS IED信息模型中的控制DO能够快速响应EMS控制指令，并动态更新BESS不同控制方式下对应的运行调节值，完成相应的运行目标；另一方面，BESS IED信息模型中的状态信息DO与测量值DO能够依据预设的RCB触发方式与通信服务属性，将BESS实际运行状态与运行数据完整地向EMS进行反馈。EMS获取的监测数据能够反映BESS的真实工况，为BESS性能测试、控制方式调整以及综合决策分析提供可靠的信息源。

5 结论

IEC61850提供标准化的系统语言、通信服务与体系结构，为实现多类型储能设备的信息建模及标准化信息交互提供了新的解决方案。IEC61850第7部分定义了变电站和馈线装置基本LN类，IEC61850第7-420部分定义了分散式储能设备的基本LN类。本文针对BESS的应用需求扩展了相关LN类，并充分考虑BESS的典型运行方式，从BESS整体的角度出发构建了基于IEC61850的BESS IED信息模型，在此基础上进一步提出了BESS信息交互的实现方法。实际测试结果表明，BESS IED信息模型能够完成BESS与系统EMS之间快速、准确的信息交互，为完成不同状况下BESS整体的运行控制与管理提供可靠、高效的信息交互手段，进而更为快捷地实现多类型储能系统的可靠集成。本文构建的BESS IED信息模型可以灵活扩展，能够快速完成BESS新增运行方式、控制功能完善等功能，为多类型储能系统的“即插即用”提供有效的技术手段与解决方案。