并网型微网规约转换方案研究

任红旭,王西邓,张莹,白申义

(许继电气股份有限公司,河南 许昌 461000)

并网型微网规约转换方案研究

任红旭,王西邓,张莹,白申义

(许继电气股份有限公司,河南 许昌 461000)

针对利用编程语言实现的PCS通信规约转换中出现的效率低、灵活性差且难保证程序稳定的问题,提出了一种基于可配置的PCS规约转换方案,并将其应用于微网储能系统的并网试验。通过分析微网系统的特点,建立各个功能模块的IEC61850模型、拓扑映射关系,给出了一种具体可行的PCS转换配置方案,完成了IEC61850规约和私有规约的映射转换。实验证明通过配置转换方案能够控制PCS装置,实现储能系统与电网系统的并离自动切换功能,提高了微网系统的电能质量及自动化水平。

微网；IEC61850；PCS；分布式；并网；可配置

0 前言

随着大电网规模不断扩大,建设成本高、运行难度大的问题日益突出。而分布式能源具有电源位置灵活分散的特点,可以延缓输配电网升级改造所需的高额投入,并且能够通过和大电网的相互备用进一步提高供电可靠性[1-3]。微电网正是在这种背景下提出的,它是由分布式电源、负荷、储能系统和控制装置,按照一定的拓扑结构组成的一种新型网络结构,是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统[4-6]。储能系统是微网中必不可少的部门,因此储能系统的应用引起了广泛关注,而能量转换系统 (power conversion system,PCS)是储能系统的重要组成部分,通过控制PCS实现对储能系统的充放电管理、充放电功率控制、对正常及孤岛运行方式下网侧的电压控制等,实现储能系统直流与交流电网之间的双向能量传递,提高了为负荷供电的平稳性[7]。IEC61850是数字化变电站网络通信的基础,它规范了变电站应用通信网络和系统的配置、模型、服务,功能、语法语义的统一性以及选用参数的规范性[8]。

1 IEC61850标准

IEC61850标准是变电站通信的网络规范,它规定了变电站内智能设备之间的通信行为和相关的系列要求。实现设备之间的互通互联互操作的关键技术包括：变电站分层和交互接口、采用模型思想对变电站统一建模、抽象通信服务和特定通信服务、统一配置自描述语言等。具体如下：

1.1 通信分层

IEC61850将变电站的通信体系分为变电站层、间隔层和过程层等三个层次,并定义了层和层之间的通信接口及各层的主要功能,如过程层主要完成开关量I/O、模拟量的采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能；间隔层主要是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用；变电站层的功能主要有两类：一是与过程相关的功能；二是与接口相关的功能。通信体系分层如图1所示：

图1 数字化变电站通信分层方案

1.2 统一建模

为规范IEC 61850变电站通信网络和系统国际标准的应用,实现各制造厂商设备的互操作性,提高IEC 61850标准设备生产、调试、检修、运行的便利性,特制定IEC 61850工程应用模型。IEC61850采用面向对象的建模技术,建模又分为单个IED设备的建模和整站级别的建模。设备制造厂商仅仅考虑IED设备的建模文件,每个IED应包含一个或多个服务器,每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备 (LD)。逻辑设备包含逻辑节点 (LN),逻辑节点包含数据对象 (DO)。数据对象则是由数据属性 (DA)构成的公用数据类 (CDC)的命名实例。

IEC61850将抽象通信服务分为两类：

1)基于客户/服务器模式的制造报文规范MMS(ManufacturingMessageSpecification)报文[8]。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文的规范,该类报文是点对点单播报文,主要为站控层设备与间隔层设备之间以及站控层设备之间的通信报文。

2)发布者/订阅者模式,主要应用在针对快速和可靠的数据传输服务中,例如采样值 (SV)传输、通用变电站事件 (GOOSE)等服务。SV报文传输的信息为过程层至间隔层的采样数据,报文协议基于 IEC61850-9-l(点对点模式)、IEC61850-9-2协议 (组网方式)[8]。GOOSE报文传送的信息主要包括间隔层之间的闭锁信号,间隔层与过程层之间的位置信号、状态信号以及控制信号等。典型的设备模型如图2所示。

图2 IED装置通信模型及服务

1.4 自描述

IEC61850标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则,在数据源就对数据本身进行了自我描述,传输到接收方的数据都带有自我说明,不需要再对数据进行额外的转换映射工作。

城镇化是每个贫困地区发展必经的过程，武夷山民族地区如果要实现经济的发展，必然要经历城镇化这一发展阶段。武夷山地区要推进城镇化的不断发展，应该要重视城镇化进程，结合本地的发展的基本特征，科学地规划城镇。

2 PCS通信

通信是微电网系统实现自动化的命脉,其可靠性直接影响到电网系统的可用性、能用性。通过在IEC61850规约和PCS私有规约的转换中引入可配置的转换方案,实现了后台与PCS设备的通信。PCS规约转换方案如图3所示：

图3 PCS规约转换方案

2.1 通信分类

MMS报文和GOOSE报文是微网系统的通讯基础[9],具体如下。

1)通过MMS报文实现PCS的四遥功能。

2)通过 GOOSE报文实现二次回路信息交互。

2.2 配置转换方案

按照IEC61850建模标准,对相应的功能点(MMS/GOOSE点等)进行IEC61850建模,并自动形成与模型对应的点号表。根据IEC61850规约和私有规约的转换协议,配置点表中的点号与私有协议中点号的关系映射表。在点号表找到需要关联的点,在关联参数中,选择私有协议报文中对应的点号的通信类型、通信位置、掩码、位移、系数等信息,通过关联配置操作,生成这两点号之间的映射关系表。配置映射关系如图4所示：

图4 配置规约转换映射关系图

创建规约转换任务并初始化与61850任务的交互接口,用关系映射表配置规约转换任务,并实现与终端设备的通信连接。创建61850任务并初始化与规约转换任务的交互接口,用创建的模型文件配置61850任务,并实现与监控系统的通信连接。规约转换流程如图5所示：

图5 规约转换流程图

2.3 组网方案

不同的组网方式会影响站内报文通信的快速及时性,经过交换机越多网络延时越大。本站采用MMS和GOOSE独立组网,降低网络的互扰度,提高变电站的通信的及时性。遥测、遥信、遥控、遥调等四遥信息通过MMS交换机与监控后台管理系统通信。站内设备的二次回路连线信息通过GOOSE交换机实现信息交互。

基于GOOSE传送信息对实时性以及可靠性的要求,每个IED装置具备独立的GOOSE通信共享口,在站级模型中,通过使用VLAN划分、报文优先级定义、数据集划分优化等技术,保证GOOSE报文的快速准确性。

2.4 对时方案

在微网系统中,为了确保数据的同步性,必须要配置时间同步装置来统一站内装置的系统时间。简单网络协议 (SNTP)同步对时系统采用双星100 M以太网结构,通过变电站站控层网络交换机提供对时服务,各个IED设备应具备接收SNTP对时功能。由于接线方便,对时精度满足要求,SNTP对时系统是微网系统同步配置的一种较好的选择。

3 储能系统并网实验

通过通信网络系统的拓扑关联,由储能系统、发电系统、负荷共同组成一个储并网型微网系统,将所有电源点发出的电能直接分配到用电负载上,多余时经过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后直接接入大电网或者对储能系统进行充电操作；不足时通过储能系统或电网来调节,并且电力之间交换是双向的,使得电网质量、稳定性及供电可靠性有很大的提升。

3.1 储能系统

储能系统由储能装置和PCS两部分组成。储能装置主要实现能量的储存和释放,PCS主要实现充放电控制、功率调节和控制等功能。储能系统为微网系统提供了可调度条件,根据需要并入或退出电网,还具有备用电源点的功能,当系统内出现停电、限电及故障时,可独立运行,正常向负载供电。

3.2 规范转换

PCS通过RS-485串口和CAN口连接储能装置,并收集储能设备的电量信息、状态信息等并转换为IEC61850规约协议通过以太网口与监控系统连接；通过以太网口连接监控系统,下设开、关机等遥控信息、模拟量参数等遥调信息并转换为私有规约协议通过RS-485串口和CAN口控制储能设备。根据功能点,配置模型文件和关系映射文件；创建规约转换任务、61850任务、交互接口、PCS逻辑任务,用关系映射表配置规约转换任务,用创建的模型文件配置61850任务,实现与后台的通信连接。PCS通信体系拓扑如6所示。

图6 PCS通信体系拓扑图

3.3 并网实验

微网系统的PCS接收来自并网控制装置的有功、无功并网点信息、线路保护控制装置的有功、无功电源点信息及微网终端设备的有功、无功负荷信息。由协调控制装置发送主动离网指令、被动并离网指令到并网控制器,在由并网控制器控制PCS储能系统的并离切换动作。微网并网接口通信逻辑如图7所示。

图7 微网并网接口装置通信方案

图8 PCS储能设备通信方案

PCS接收电池堆状态、超级电容状态、并网点开关分、合命令及同期调节命令、MC-V/F预置命令和待机命令等,PCS通信逻辑如图8所示。PCS规约转换控制器通过接口与电池管理系统通讯,获取电池组状态信息,实现对电池的保护性充放电,确保电池运行安全。

设置其中一台PCS为主机,通过直流进线开关和交流进线开关操作,请求并网运行时,首先由能量管理系统与微网稳定协调控制器建立通信链路并交互并网确认信息,由微网稳定协调控制器下发并离网指令到并网控制器,PCS规约转换功能快速响应并网指令。并网过程中,储能系统快速调节进入稳态,保证了电压的稳定性。实验表明,通过配置实现的PCS规约转换方案,能够设置相应的储能系统的并离网状态,可以实现储能系统和电网的无缝切换。

4 结束语

随着分布式能源的不断发展,微电网的不断建设,储能系统作为微网系统的重要环节,对提高电能质量、增加系统稳定性的作用将更加突出,与此对应,作为储能系统的控制设备PCS作用更加重要,这种只需要修改PCS装置模型及其对应的关系映射表,不需要修改程序,就能保证PCS快速连接通信的方案,具有很好的应用前景。

[1] 邓卫.基于IEC61850标准的微电网信息交互 [J].电力自动化,2013.

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[3] 王成山,肖朝霞,王守相.微网综合控制与分析 [J].电力系统自动化,2008,32(7)：98-103.

[4] 吴在军,胡敏强.基于IEC61850标准的变电站自动化系统研究 [J].电网技术,2003,27(10)：61-65.

[5] 李永亮,李刚.IEC61850第2版简介及其在智能电网中的应用展望 [J].电网技术,2010,34(4)：11-16.

[6] 徐金雄,张双平,王帅.微型电网关键技术及研究应用概况 [J].电气开关,2010(3).

[7] 李战鹰.大容量电池储能系统PCS拓扑结构研究 [J].南方电网技术,2010.

[8] IEC 61850.Communication networks and systems in substations [S].

[9] 曹海欧.数字化变电站GOOSE组网方案 [J].电力自动化设备,2011.

Study on Protocol Conversion Scheme Based on Configurable PCS Utility-micro-grid

REN Hongxu,WANG Xideng,ZHANG Ying,BAI Shenyi
(XJ Electric Company Limited,Xuchang,Henan 461000,China)

The efficiency of PCS communication protocol conversion programming language in the low,poor flexibility and is difficult to guarantee the stability of the procedure problems,put forward a transition scheme based on the configuration of the PCS protocol,and the grid to test its application in micro grid energy storage system.Through the analysis of micro grid system,establishing IEC61850 model,topological mapping relation of each module,and gives a feasible PCS conversion scheme,completed the conversion of the mapping of the IEC61850 protocol and private protocol.The experiments prove that the configuration transformation scheme can control the PCS device,to achieve energy storage system and the grid system and the automatic switching function,improve the system of power quality and the level of automation.

micro-Grid；IEC61850；PCS；distributed-energy；utility-grid；configure

TM76

B

1006-7345(2015)01-0059-04

2014-08-18

任红旭 (1984),男,硕士,许继电气股份有限公司,研究方向为数字化变电站通讯技术 (e-mail)renhongxu＠xjgc.com。

王西邓 (1979),男,本科,许继电气股份有限公司,研究方向为数字化变电站通讯技术 (e-mail)wangxideng＠xjgc.com。

张莹 (1984),女,硕士,许继电气股份有限公司,研究方向为数字化变电站通讯技术 (e-mail)zhangying＠xjgc.com。