微网通信建模

0 引言

微网是指区域性的微电网,主要由分布式电源、储能系统和区域性负荷构成,同时微网还布有很多监测和保护装置。目前的微网模型大部分都是微网的电力模型,主要关注微网内部潮流和电能质量等问题,并不详细涉及微网通信的内容^[1]。但是随着微网系统规模的扩大以及内部设备的不断增加,如何做到设备间更加有效的通信已成为微网发展必须考虑的问题^[2]。

在这种背景下,本文主要介绍了如何建立适用于IEC61850系列标准的微网通信模型。本文中的通信模型主要分为3种：第1种为体现微网中不同设备之间信息流流向的信息模型;第2种为表征不同逻辑设备中逻辑节点性能的数据模型;第3种为承载微网通信业务的业务模型。

 1 微网信息模型

1.1 建模原则

在面向独立对象的建模过程中,信息模型是指对定义对象中信息表达的一种建模。通过信息模型可以了解对象中数据流动的过程,从而进一步了解对象中不同部分之间的相关性。信息模型是一种抽象的模型,主要表征的是对象各部分之间数据、属性及动作间的相互关系^[3-4]。IEC61850标准并没有明确规定信息模型的构建方法,因此本文选择通用建模语言（Unified Modeling Language,UML）来建立微网的信息模型^[5]。

由于IEC61850标准本身规定了分层建模的规则,因此本文的信息模型也需符合如图1所示的分层模型。

图1 IEC61850信息分层结构Fig.1 IEC61850 information hierarchical structure

1.2 微网信息模型

图2为按照图1给出的信息分层模型所构建的微网信息模型,其中虚线部分表示每层所对应的信息模型,方框内为信息模型的对象,箭头表示信息的继承关系。信息模型的数据层由各类来自微网一次设备采集数据的数据集构成,该层涵盖了微网中一次设备的各类数据,并加以汇总^[6]。逻辑节点是IEC61850标准特有的信息表现形式,也是IEC61850信息建模的最基本单元。逻辑节点含有从微网一次设备汇总的各类数据,同时也可以向微网设备发送命令,是微网一次设备和通信系统之间进行信息交换的桥梁。由一组具有相似服务功能的一系列逻辑节点构成的一个相对独立的模块称为逻辑设备,多个逻辑设备共同构成一台微网一次设备。由于微网一次设备承担的功能不止一种,因此含有的逻辑设备也不止一个。每个逻辑设备含有的逻辑节点最基本的特征为同时投入或退出工作。同时,逻辑设备也是发送报文和提供服务的最基本单元。提供服务是建立模型的目的,因此服务层是信息模型的最高层^[7]。服务层除了逻辑设备提供的服务外,还包含发送文件和同步时间等系统服务。

图2 微网信息模型Fig.2 Micro-grid information model

 2 微网数据模型

2.1 建模原则

微网数据模型是基于IEC61850数据模型的扩展,因此需要满足IEC61850协议所规定的基本建模原则。

1）IEC61850标准将变电站划分为过程层、间隔层和变电站层。过程层主要包括智能组件、智能终端元件和合并单元类设备;间隔层主要包括稳控装置、测控装置、继电保护装置和故障录波装置等;变电站层设备则主要包括工程师工作站、操作员站监控主机、数据服务器、数据通信网关、综合应用服务器等。微网数据建模同样需要按照设备功能的不同划分为3个层次^[8]。

2）IEC61850标准规定功能复杂的物理设备是由多个功能单一的逻辑设备构成,而逻辑设备则由逻辑节点构成,逻辑节点是承载数据的最小单元。因此微网数据建模需要将微网设备划分为不同的逻辑设备,然后按照其主要功能选择对应的逻辑节点。

3）IEC61850标准规定的逻辑节点类型如果不能满足设备核心功能,则可以按照一定规则进行逻辑节点的扩展。扩展规则为：逻辑节点名称的首字母需要符合相关类别要求,节点的一般属性需要从已有节点类继承,并在其中加入核心数据^[9]。

2.2 负荷支路逻辑节点扩展

IEC61850并没有满足负载支路核心功能的逻辑节点,因此需要对逻辑节点进行相关功能扩展^[10]。一般情况下,负载支路的可中断负荷为电动汽车等,负荷节点的核心功能应包含以下3种：

1）测量负载的有功和无功潮流数据并上传至SCADA系统,从而监测负载的具体运行状态;

2）控制负载设备上保护断路器的开闭,在支路故障时起到保护设备的作用;

3）设定可中断负荷的运行模式,对负荷进行控制。

基于扩展原则和负荷核心功能,扩展负荷类逻辑节点GAPC见表1所列。该逻辑节点继承公共类逻辑节点的所有必备数据。

表1 扩展负载类逻辑节点GAPCTab.1 Extend load class logical node GAPC

2.3 各支路数据模型

微网各支路都包含的一次设备有断路器、电压互感器、电流互感器和核心支路设备,同时包含的过程层交换机有本地保护交换机、本地监测交换机和本地控制交换机^[11]。其中,断路器的主要功能是保护支路,需要能够断开故障电流,因此选择开关类逻辑节点中的断路器逻辑节点（XCBR）。电流互感器和电压互感器主要用于测量,因此选择互感器类逻辑节点中的电流互感器（TCTR）和电压互感器（TVTR）节点。核心支路设备,无论是燃煤发电机、光伏电站、风电站,都需要有对电压、电流、功率等电气量的采样测量和对电力连接点的建模,因此需要选择测量类逻辑节点中的测量逻辑节点（MMXU）和分布式电厂电力连接点类逻辑节点中的一系列节点^[12-13]。简单燃煤支路需要励磁类逻辑节点和调速类逻辑节点中的一系列逻辑节点（见图3）。光伏电厂需要光伏发电类逻辑节点中的一系列节点（见图4）。风电场支路需要风力发电设备类逻辑节点中的一系列节点（见图5）。储能支路需要储能系统类逻辑节点中的一系列节点（见图6）。拥有换流器的支路,如光伏支路和风电场支路,则需要分布式发电系统中换流器类逻辑节点中的一系列节点。负载支路根据扩展的GAPC负载逻辑节点可以构建如图7所示的数据模型。

图3 简单燃煤支路数据模型Fig.3 Simple coal-burning branch data

图4 光伏支路数据模型Fig.4 PV branch data model

图5 风电支路数据模型Fig.5 Wind power branch data model

图6 储能支路数据模型Fig.6 Energy storage branch data model

图7 负载支路数据模型Fig.7 Load branch data model

 3 通信业务分析

3.1 业务种类

通信方面的业务是指设备按照既定的方式为整个系统提供服务。根据IEC61850标准,将微网的业务种类归类为以下几种。

1）控制类业务。该类业务主要是对设备进行控制,在系统发生故障时进行设备保护,目的是保证设备的正常运行,避免设备被损坏^[14]。该类业务的报文一般是GOOSE报文,信息量一般较小,通常为
1个指令,且没有发送周期,呈现参数为500的泊松分布,属于突发性报文。

2）状态类业务。该业务主要是指各设备在状态受控改变后向管理系统发送1条信息,从而使管理系统了解所有设备实时的运行状态。一般情况下设备收到控制GOOSE报文后会改变运行状态,当运行状态完成改变后就会立刻反馈一个状态GOOSE报文。因此,该报文的周期应该和控制GOOSE报文周期一致。

3）测量类业务。该业务主要是指利用测量类设备对微网系统每支路的电压、电流、功率等电气量进行测量并上传的服务。该类业务的报文一般是SV报文,信息量较小,一般周期为2 ms。

4）定值类业务。该业务是对于逻辑设备中ING等类型的数据进行设定运行模式操作的业务,目的是使设备工作在合理的模式之下,保证系统的最优运行。该类业务一般使用MMS报文,信息量中等,且没有周期性,一般符合参数为50的泊松
分布。

5）文件类业务。该业务主要提供系统文件传输服务,所用的文件类MMS报文信息量极大,通常不能一次性发送,需要分成数个数据块分时传输,最后在目的服务器上组合成原始文件。

3.2 业务报文长度计算

每一种通信业务都有自己发送的报文,报文一般分为两个部分,一是承载映射的附加信息,另一为承载内容的核心信息。根据IEC61850标准规定的报文映射方式和发送信息内容可计算出每种业务所需要发送的报文长度^[15]。IEC61850报文映射方式如图8所示。

图8 IEC61850报文映射方式Fig.8 IEC61850 message mapping mode

1）控制类和状态类业务。这两种业务都发送GOOSE报文,且报文格式相同,报文发送周期也相同,因此合并计算。按照GOOSE报文的映射规
定^[16],其附加信息应该有以太网报文头（22 Bytes）、优先级标志（4 Bytes）、以太网PDU（8 Bytes）、循环冗余校验（4 Bytes）、ASN.1协议头标记（2 Bytes）和块数据（2 Bytes）,总共42 Bytes;核心信息则有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）、核心数据（16 Bytes×逻辑节点控制信息数N_c）、生成时间标记（1 Bytes）、允许生存时间（1 Bytes）,总共14+16N_c Bytes。因此,此类GOOSE报文的总长度应该是56+16N_c Bytes。

2）测量类业务。该业务主要发送SV报文^[17],按照该报文的映射规定,其附加信息应有以太网报文头（22 Bytes）、优先级标志（4 Bytes）、以太网PDU（8 Bytes）、循环冗余校验（4 Bytes）、ASN.1协议头标记（2 Bytes）、块数据（2 Bytes）,总共42 Bytes;核心ASDU编码有SV ID地址（4 Bytes）、DstAddress目的地址（4 Bytes）、Dataset路径（30 Bytes）、采样序列（2 Bytes）、ConfRev配置版本（2 Bytes）、通用数据集（32 Bytes×采样点数N_m）、SmpSynch同步采样标记（1 Bytes）总共43+32N_m