微網(wǎng)通信建模
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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)信息模型可以了解對(duì)象中數(shù)據(jù)流動(dòng)的過(guò)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(méi)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 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 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(guò)程層、間隔層和變電站層。過(guò)程層主要包括智能組件、智能終端元件和合并單元類(lèi)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(lèi)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(lèi)別要求,節(jié)點(diǎn)的一般屬性需要從已有節(jié)點(diǎn)類(lèi)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(méi)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(chē)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(kāi)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(lèi)邏輯節(jié)點(diǎn)GAPC見(jiàn)
表1 擴(kuò)展負(fù)載類(lèi)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(guò)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(kāi)故障電流,因此選擇開(kāi)關(guān)類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)邏輯節(jié)點(diǎn)和調(diào)速類(lèi)邏輯節(jié)點(diǎn)中的一系列邏輯節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)
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(lèi)
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(lèi)歸類(lèi)為以下幾種。
1)控制類(lèi)業(yè)務(wù)。該類(lèi)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(lèi)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(méi)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(lèi)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(lèi)業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)主要是指利用測(cè)量類(lèi)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(lèi)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(lèi)業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)是對(duì)于邏輯設(shè)備中ING等類(lèi)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(lèi)業(yè)務(wù)一般使用MMS報(bào)文,信息量中等,且沒(méi)有周期性,一般符合參數(shù)為50的泊松
分布。
5)文件類(lèi)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(lèi)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 IEC61850報(bào)文映射方式Fig.8 IEC61850 message mapping mode
1)控制類(lèi)和狀態(tài)類(lèi)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)Nc)、生成時(shí)間標(biāo)記(1 Bytes)、允許生存時(shí)間(1 Bytes),總共14+16Nc Bytes。因此,此類(lèi)GOOSE報(bào)文的總長(zhǎng)度應(yīng)該是56+16Nc Bytes。
2)測(cè)量類(lèi)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)Nm)、SmpSynch同步采樣標(biāo)記(1 Bytes)總共43+32Nm

責(zé)任編輯:售電衡衡
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