0 引言

微網(wǎng)是指區(qū)域性的微電網(wǎng),主要由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和區(qū)域性負(fù)荷構(gòu)成,同時(shí)微網(wǎng)還布有很多監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置。目前的微網(wǎng)模型大部分都是微網(wǎng)的電力模型,主要關(guān)注微網(wǎng)內(nèi)部潮流和電能質(zhì)量等問題,并不詳細(xì)涉及微網(wǎng)通信的內(nèi)容^[1]。但是隨著微網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及內(nèi)部設(shè)備的不斷增加,如何做到設(shè)備間更加有效的通信已成為微網(wǎng)發(fā)展必須考慮的問題^[2]。

在這種背景下,本文主要介紹了如何建立適用于IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)的微網(wǎng)通信模型。本文中的通信模型主要分為3種：第1種為體現(xiàn)微網(wǎng)中不同設(shè)備之間信息流流向的信息模型;第2種為表征不同邏輯設(shè)備中邏輯節(jié)點(diǎn)性能的數(shù)據(jù)模型;第3種為承載微網(wǎng)通信業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)模型。

 1 微網(wǎng)信息模型

1.1 建模原則

在面向獨(dú)立對(duì)象的建模過程中,信息模型是指對(duì)定義對(duì)象中信息表達(dá)的一種建模。通過信息模型可以了解對(duì)象中數(shù)據(jù)流動(dòng)的過程,從而進(jìn)一步了解對(duì)象中不同部分之間的相關(guān)性。信息模型是一種抽象的模型,主要表征的是對(duì)象各部分之間數(shù)據(jù)、屬性及動(dòng)作間的相互關(guān)系^[3-4]。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確規(guī)定信息模型的構(gòu)建方法,因此本文選擇通用建模語(yǔ)言（Unified Modeling Language,UML）來(lái)建立微網(wǎng)的信息模型^[5]。

由于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)本身規(guī)定了分層建模的規(guī)則,因此本文的信息模型也需符合如圖1所示的分層模型。

圖1 IEC61850信息分層結(jié)構(gòu)Fig.1 IEC61850 information hierarchical structure

1.2 微網(wǎng)信息模型

圖2為按照圖1給出的信息分層模型所構(gòu)建的微網(wǎng)信息模型,其中虛線部分表示每層所對(duì)應(yīng)的信息模型,方框內(nèi)為信息模型的對(duì)象,箭頭表示信息的繼承關(guān)系。信息模型的數(shù)據(jù)層由各類來(lái)自微網(wǎng)一次設(shè)備采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集構(gòu)成,該層涵蓋了微網(wǎng)中一次設(shè)備的各類數(shù)據(jù),并加以匯總^[6]。邏輯節(jié)點(diǎn)是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)特有的信息表現(xiàn)形式,也是IEC61850信息建模的最基本單元。邏輯節(jié)點(diǎn)含有從微網(wǎng)一次設(shè)備匯總的各類數(shù)據(jù),同時(shí)也可以向微網(wǎng)設(shè)備發(fā)送命令,是微網(wǎng)一次設(shè)備和通信系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的橋梁。由一組具有相似服務(wù)功能的一系列邏輯節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊稱為邏輯設(shè)備,多個(gè)邏輯設(shè)備共同構(gòu)成一臺(tái)微網(wǎng)一次設(shè)備。由于微網(wǎng)一次設(shè)備承擔(dān)的功能不止一種,因此含有的邏輯設(shè)備也不止一個(gè)。每個(gè)邏輯設(shè)備含有的邏輯節(jié)點(diǎn)最基本的特征為同時(shí)投入或退出工作。同時(shí),邏輯設(shè)備也是發(fā)送報(bào)文和提供服務(wù)的最基本單元。提供服務(wù)是建立模型的目的,因此服務(wù)層是信息模型的最高層^[7]。服務(wù)層除了邏輯設(shè)備提供的服務(wù)外,還包含發(fā)送文件和同步時(shí)間等系統(tǒng)服務(wù)。

圖2 微網(wǎng)信息模型Fig.2 Micro-grid information model

 2 微網(wǎng)數(shù)據(jù)模型

2.1 建模原則

微網(wǎng)數(shù)據(jù)模型是基于IEC61850數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展,因此需要滿足IEC61850協(xié)議所規(guī)定的基本建模原則。

1）IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站劃分為過程層、間隔層和變電站層。過程層主要包括智能組件、智能終端元件和合并單元類設(shè)備;間隔層主要包括穩(wěn)控裝置、測(cè)控裝置、繼電保護(hù)裝置和故障錄波裝置等;變電站層設(shè)備則主要包括工程師工作站、操作員站監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)、綜合應(yīng)用服務(wù)器等。微網(wǎng)數(shù)據(jù)建模同樣需要按照設(shè)備功能的不同劃分為3個(gè)層次^[8]。

2）IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定功能復(fù)雜的物理設(shè)備是由多個(gè)功能單一的邏輯設(shè)備構(gòu)成,而邏輯設(shè)備則由邏輯節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,邏輯節(jié)點(diǎn)是承載數(shù)據(jù)的最小單元。因此微網(wǎng)數(shù)據(jù)建模需要將微網(wǎng)設(shè)備劃分為不同的邏輯設(shè)備,然后按照其主要功能選擇對(duì)應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)。

3）IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邏輯節(jié)點(diǎn)類型如果不能滿足設(shè)備核心功能,則可以按照一定規(guī)則進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。擴(kuò)展規(guī)則為：邏輯節(jié)點(diǎn)名稱的首字母需要符合相關(guān)類別要求,節(jié)點(diǎn)的一般屬性需要從已有節(jié)點(diǎn)類繼承,并在其中加入核心數(shù)據(jù)^[9]。

2.2 負(fù)荷支路邏輯節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展

IEC61850并沒有滿足負(fù)載支路核心功能的邏輯節(jié)點(diǎn),因此需要對(duì)邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)功能擴(kuò)展^[10]。一般情況下,負(fù)載支路的可中斷負(fù)荷為電動(dòng)汽車等,負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的核心功能應(yīng)包含以下3種：

1）測(cè)量負(fù)載的有功和無(wú)功潮流數(shù)據(jù)并上傳至SCADA系統(tǒng),從而監(jiān)測(cè)負(fù)載的具體運(yùn)行狀態(tài);

2）控制負(fù)載設(shè)備上保護(hù)斷路器的開閉,在支路故障時(shí)起到保護(hù)設(shè)備的作用;

3）設(shè)定可中斷負(fù)荷的運(yùn)行模式,對(duì)負(fù)荷進(jìn)行控制。

基于擴(kuò)展原則和負(fù)荷核心功能,擴(kuò)展負(fù)荷類邏輯節(jié)點(diǎn)GAPC見表1所列。該邏輯節(jié)點(diǎn)繼承公共類邏輯節(jié)點(diǎn)的所有必備數(shù)據(jù)。

表1 擴(kuò)展負(fù)載類邏輯節(jié)點(diǎn)GAPCTab.1 Extend load class logical node GAPC

2.3 各支路數(shù)據(jù)模型

微網(wǎng)各支路都包含的一次設(shè)備有斷路器、電壓互感器、電流互感器和核心支路設(shè)備,同時(shí)包含的過程層交換機(jī)有本地保護(hù)交換機(jī)、本地監(jiān)測(cè)交換機(jī)和本地控制交換機(jī)^[11]。其中,斷路器的主要功能是保護(hù)支路,需要能夠斷開故障電流,因此選擇開關(guān)類邏輯節(jié)點(diǎn)中的斷路器邏輯節(jié)點(diǎn)（XCBR）。電流互感器和電壓互感器主要用于測(cè)量,因此選擇互感器類邏輯節(jié)點(diǎn)中的電流互感器（TCTR）和電壓互感器（TVTR）節(jié)點(diǎn)。核心支路設(shè)備,無(wú)論是燃煤發(fā)電機(jī)、光伏電站、風(fēng)電站,都需要有對(duì)電壓、電流、功率等電氣量的采樣測(cè)量和對(duì)電力連接點(diǎn)的建模,因此需要選擇測(cè)量類邏輯節(jié)點(diǎn)中的測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)（MMXU）和分布式電廠電力連接點(diǎn)類邏輯節(jié)點(diǎn)中的一系列節(jié)點(diǎn)^[12-13]。簡(jiǎn)單燃煤支路需要?jiǎng)?lì)磁類邏輯節(jié)點(diǎn)和調(diào)速類邏輯節(jié)點(diǎn)中的一系列邏輯節(jié)點(diǎn)（見圖3）。光伏電廠需要光伏發(fā)電類邏輯節(jié)點(diǎn)中的一系列節(jié)點(diǎn)（見圖4）。風(fēng)電場(chǎng)支路需要風(fēng)力發(fā)電設(shè)備類邏輯節(jié)點(diǎn)中的一系列節(jié)點(diǎn)（見圖5）。儲(chǔ)能支路需要儲(chǔ)能系統(tǒng)類邏輯節(jié)點(diǎn)中的一系列節(jié)點(diǎn)（見圖6）。擁有換流器的支路,如光伏支路和風(fēng)電場(chǎng)支路,則需要分布式發(fā)電系統(tǒng)中換流器類邏輯節(jié)點(diǎn)中的一系列節(jié)點(diǎn)。負(fù)載支路根據(jù)擴(kuò)展的GAPC負(fù)載邏輯節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)建如圖7所示的數(shù)據(jù)模型。

圖3 簡(jiǎn)單燃煤支路數(shù)據(jù)模型Fig.3 Simple coal-burning branch data

圖4 光伏支路數(shù)據(jù)模型Fig.4 PV branch data model

圖5 風(fēng)電支路數(shù)據(jù)模型Fig.5 Wind power branch data model

圖6 儲(chǔ)能支路數(shù)據(jù)模型Fig.6 Energy storage branch data model

圖7 負(fù)載支路數(shù)據(jù)模型Fig.7 Load branch data model

 3 通信業(yè)務(wù)分析

3.1 業(yè)務(wù)種類

通信方面的業(yè)務(wù)是指設(shè)備按照既定的方式為整個(gè)系統(tǒng)提供服務(wù)。根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn),將微網(wǎng)的業(yè)務(wù)種類歸類為以下幾種。

1）控制類業(yè)務(wù)。該類業(yè)務(wù)主要是對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制,在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行設(shè)備保護(hù),目的是保證設(shè)備的正常運(yùn)行,避免設(shè)備被損壞^[14]。該類業(yè)務(wù)的報(bào)文一般是GOOSE報(bào)文,信息量一般較小,通常為
1個(gè)指令,且沒有發(fā)送周期,呈現(xiàn)參數(shù)為500的泊松分布,屬于突發(fā)性報(bào)文。

2）狀態(tài)類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)主要是指各設(shè)備在狀態(tài)受控改變后向管理系統(tǒng)發(fā)送1條信息,從而使管理系統(tǒng)了解所有設(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。一般情況下設(shè)備收到控制GOOSE報(bào)文后會(huì)改變運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)完成改變后就會(huì)立刻反饋一個(gè)狀態(tài)GOOSE報(bào)文。因此,該報(bào)文的周期應(yīng)該和控制GOOSE報(bào)文周期一致。

3）測(cè)量類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)主要是指利用測(cè)量類設(shè)備對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)每支路的電壓、電流、功率等電氣量進(jìn)行測(cè)量并上傳的服務(wù)。該類業(yè)務(wù)的報(bào)文一般是SV報(bào)文,信息量較小,一般周期為2 ms。

4）定值類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)是對(duì)于邏輯設(shè)備中ING等類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定運(yùn)行模式操作的業(yè)務(wù),目的是使設(shè)備工作在合理的模式之下,保證系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行。該類業(yè)務(wù)一般使用MMS報(bào)文,信息量中等,且沒有周期性,一般符合參數(shù)為50的泊松
分布。

5）文件類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)主要提供系統(tǒng)文件傳輸服務(wù),所用的文件類MMS報(bào)文信息量極大,通常不能一次性發(fā)送,需要分成數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)塊分時(shí)傳輸,最后在目的服務(wù)器上組合成原始文件。

3.2 業(yè)務(wù)報(bào)文長(zhǎng)度計(jì)算

每一種通信業(yè)務(wù)都有自己發(fā)送的報(bào)文,報(bào)文一般分為兩個(gè)部分,一是承載映射的附加信息,另一為承載內(nèi)容的核心信息。根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的報(bào)文映射方式和發(fā)送信息內(nèi)容可計(jì)算出每種業(yè)務(wù)所需要發(fā)送的報(bào)文長(zhǎng)度^[15]。IEC61850報(bào)文映射方式如圖8所示。

圖8 IEC61850報(bào)文映射方式Fig.8 IEC61850 message mapping mode

1）控制類和狀態(tài)類業(yè)務(wù)。這兩種業(yè)務(wù)都發(fā)送GOOSE報(bào)文,且報(bào)文格式相同,報(bào)文發(fā)送周期也相同,因此合并計(jì)算。按照GOOSE報(bào)文的映射規(guī)
定^[16],其附加信息應(yīng)該有以太網(wǎng)報(bào)文頭（22 Bytes）、優(yōu)先級(jí)標(biāo)志（4 Bytes）、以太網(wǎng)PDU（8 Bytes）、循環(huán)冗余校驗(yàn)（4 Bytes）、ASN.1協(xié)議頭標(biāo)記（2 Bytes）和塊數(shù)據(jù)（2 Bytes）,總共42 Bytes;核心信息則有GO ID地址（4 Bytes）、DstAddress目的地址
（4 Bytes）、ConfRev配置版本（2 Bytes）、重新配置要求NdsCom（2 Bytes）、核心數(shù)據(jù)（16 Bytes×邏輯節(jié)點(diǎn)控制信息數(shù)N_c）、生成時(shí)間標(biāo)記（1 Bytes）、允許生存時(shí)間（1 Bytes）,總共14+16N_c Bytes。因此,此類GOOSE報(bào)文的總長(zhǎng)度應(yīng)該是56+16N_c Bytes。

2）測(cè)量類業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)主要發(fā)送SV報(bào)文^[17],按照該報(bào)文的映射規(guī)定,其附加信息應(yīng)有以太網(wǎng)報(bào)文頭（22 Bytes）、優(yōu)先級(jí)標(biāo)志（4 Bytes）、以太網(wǎng)PDU（8 Bytes）、循環(huán)冗余校驗(yàn)（4 Bytes）、ASN.1協(xié)議頭標(biāo)記（2 Bytes）、塊數(shù)據(jù)（2 Bytes）,總共42 Bytes;核心ASDU編碼有SV ID地址（4 Bytes）、DstAddress目的地址（4 Bytes）、Dataset路徑（30 Bytes）、采樣序列（2 Bytes）、ConfRev配置版本（2 Bytes）、通用數(shù)據(jù)集（32 Bytes×采樣點(diǎn)數(shù)N_m）、SmpSynch同步采樣標(biāo)記（1 Bytes）總共43+32N_m