0 引言

微網是指區域性的微電網,主要由分布式電源、儲能系統和區域性負荷構成,同時微網還布有很多監測和保護裝置。目前的微網模型大部分都是微網的電力模型,主要關注微網內部潮流和電能質量等問題,并不詳細涉及微網通信的內容^[1]。但是隨著微網系統規模的擴大以及內部設備的不斷增加,如何做到設備間更加有效的通信已成為微網發展必須考慮的問題^[2]。

在這種背景下,本文主要介紹了如何建立適用于IEC61850系列標準的微網通信模型。本文中的通信模型主要分為3種：第1種為體現微網中不同設備之間信息流流向的信息模型;第2種為表征不同邏輯設備中邏輯節點性能的數據模型;第3種為承載微網通信業務的業務模型。

 1 微網信息模型

1.1 建模原則

在面向獨立對象的建模過程中,信息模型是指對定義對象中信息表達的一種建模。通過信息模型可以了解對象中數據流動的過程,從而進一步了解對象中不同部分之間的相關性。信息模型是一種抽象的模型,主要表征的是對象各部分之間數據、屬性及動作間的相互關系^[3-4]。IEC61850標準并沒有明確規定信息模型的構建方法,因此本文選擇通用建模語言（Unified Modeling Language,UML）來建立微網的信息模型^[5]。

由于IEC61850標準本身規定了分層建模的規則,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信息分層結構Fig.1 IEC61850 information hierarchical structure

1.2 微網信息模型

圖2為按照圖1給出的信息分層模型所構建的微網信息模型,其中虛線部分表示每層所對應的信息模型,方框內為信息模型的對象,箭頭表示信息的繼承關系。信息模型的數據層由各類來自微網一次設備采集數據的數據集構成,該層涵蓋了微網中一次設備的各類數據,并加以匯總^[6]。邏輯節點是IEC61850標準特有的信息表現形式,也是IEC61850信息建模的最基本單元。邏輯節點含有從微網一次設備匯總的各類數據,同時也可以向微網設備發送命令,是微網一次設備和通信系統之間進行信息交換的橋梁。由一組具有相似服務功能的一系列邏輯節點構成的一個相對獨立的模塊稱為邏輯設備,多個邏輯設備共同構成一臺微網一次設備。由于微網一次設備承擔的功能不止一種,因此含有的邏輯設備也不止一個。每個邏輯設備含有的邏輯節點最基本的特征為同時投入或退出工作。同時,邏輯設備也是發送報文和提供服務的最基本單元。提供服務是建立模型的目的,因此服務層是信息模型的最高層^[7]。服務層除了邏輯設備提供的服務外,還包含發送文件和同步時間等系統服務。

圖2 微網信息模型Fig.2 Micro-grid information model

 2 微網數據模型

2.1 建模原則

微網數據模型是基于IEC61850數據模型的擴展,因此需要滿足IEC61850協議所規定的基本建模原則。

1）IEC61850標準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備;間隔層主要包括穩控裝置、測控裝置、繼電保護裝置和故障錄波裝置等;變電站層設備則主要包括工程師工作站、操作員站監控主機、數據服務器、數據通信網關、綜合應用服務器等。微網數據建模同樣需要按照設備功能的不同劃分為3個層次^[8]。

2）IEC61850標準規定功能復雜的物理設備是由多個功能單一的邏輯設備構成,而邏輯設備則由邏輯節點構成,邏輯節點是承載數據的最小單元。因此微網數據建模需要將微網設備劃分為不同的邏輯設備,然后按照其主要功能選擇對應的邏輯節點。

3）IEC61850標準規定的邏輯節點類型如果不能滿足設備核心功能,則可以按照一定規則進行邏輯節點的擴展。擴展規則為：邏輯節點名稱的首字母需要符合相關類別要求,節點的一般屬性需要從已有節點類繼承,并在其中加入核心數據^[9]。

2.2 負荷支路邏輯節點擴展

IEC61850并沒有滿足負載支路核心功能的邏輯節點,因此需要對邏輯節點進行相關功能擴展^[10]。一般情況下,負載支路的可中斷負荷為電動汽車等,負荷節點的核心功能應包含以下3種：

1）測量負載的有功和無功潮流數據并上傳至SCADA系統,從而監測負載的具體運行狀態;

2）控制負載設備上保護斷路器的開閉,在支路故障時起到保護設備的作用;

3）設定可中斷負荷的運行模式,對負荷進行控制。

基于擴展原則和負荷核心功能,擴展負荷類邏輯節點GAPC見表1所列。該邏輯節點繼承公共類邏輯節點的所有必備數據。

表1 擴展負載類邏輯節點GAPCTab.1 Extend load class logical node GAPC

2.3 各支路數據模型

微網各支路都包含的一次設備有斷路器、電壓互感器、電流互感器和核心支路設備,同時包含的過程層交換機有本地保護交換機、本地監測交換機和本地控制交換機^[11]。其中,斷路器的主要功能是保護支路,需要能夠斷開故障電流,因此選擇開關類邏輯節點中的斷路器邏輯節點（XCBR）。電流互感器和電壓互感器主要用于測量,因此選擇互感器類邏輯節點中的電流互感器（TCTR）和電壓互感器（TVTR）節點。核心支路設備,無論是燃煤發電機、光伏電站、風電站,都需要有對電壓、電流、功率等電氣量的采樣測量和對電力連接點的建模,因此需要選擇測量類邏輯節點中的測量邏輯節點（MMXU）和分布式電廠電力連接點類邏輯節點中的一系列節點^[12-13]。簡單燃煤支路需要勵磁類邏輯節點和調速類邏輯節點中的一系列邏輯節點（見圖3）。光伏電廠需要光伏發電類邏輯節點中的一系列節點（見圖4）。風電場支路需要風力發電設備類邏輯節點中的一系列節點（見圖5）。儲能支路需要儲能系統類邏輯節點中的一系列節點（見圖6）。擁有換流器的支路,如光伏支路和風電場支路,則需要分布式發電系統中換流器類邏輯節點中的一系列節點。負載支路根據擴展的GAPC負載邏輯節點可以構建如圖7所示的數據模型。

圖3 簡單燃煤支路數據模型Fig.3 Simple coal-burning branch data

圖4 光伏支路數據模型Fig.4 PV branch data model

圖5 風電支路數據模型Fig.5 Wind power branch data model

圖6 儲能支路數據模型Fig.6 Energy storage branch data model

圖7 負載支路數據模型Fig.7 Load branch data model

 3 通信業務分析

3.1 業務種類

通信方面的業務是指設備按照既定的方式為整個系統提供服務。根據IEC61850標準,將微網的業務種類歸類為以下幾種。

1）控制類業務。該類業務主要是對設備進行控制,在系統發生故障時進行設備保護,目的是保證設備的正常運行,避免設備被損壞^[14]。該類業務的報文一般是GOOSE報文,信息量一般較小,通常為
1個指令,且沒有發送周期,呈現參數為500的泊松分布,屬于突發性報文。

2）狀態類業務。該業務主要是指各設備在狀態受控改變后向管理系統發送1條信息,從而使管理系統了解所有設備實時的運行狀態。一般情況下設備收到控制GOOSE報文后會改變運行狀態,當運行狀態完成改變后就會立刻反饋一個狀態GOOSE報文。因此,該報文的周期應該和控制GOOSE報文周期一致。

3）測量類業務。該業務主要是指利用測量類設備對微網系統每支路的電壓、電流、功率等電氣量進行測量并上傳的服務。該類業務的報文一般是SV報文,信息量較小,一般周期為2 ms。

4）定值類業務。該業務是對于邏輯設備中ING等類型的數據進行設定運行模式操作的業務,目的是使設備工作在合理的模式之下,保證系統的最優運行。該類業務一般使用MMS報文,信息量中等,且沒有周期性,一般符合參數為50的泊松
分布。

5）文件類業務。該業務主要提供系統文件傳輸服務,所用的文件類MMS報文信息量極大,通常不能一次性發送,需要分成數個數據塊分時傳輸,最后在目的服務器上組合成原始文件。

3.2 業務報文長度計算

每一種通信業務都有自己發送的報文,報文一般分為兩個部分,一是承載映射的附加信息,另一為承載內容的核心信息。根據IEC61850標準規定的報文映射方式和發送信息內容可計算出每種業務所需要發送的報文長度^[15]。IEC61850報文映射方式如圖8所示。

圖8 IEC61850報文映射方式Fig.8 IEC61850 message mapping mode

1）控制類和狀態類業務。這兩種業務都發送GOOSE報文,且報文格式相同,報文發送周期也相同,因此合并計算。按照GOOSE報文的映射規
定^[16],其附加信息應該有以太網報文頭（22 Bytes）、優先級標志（4 Bytes）、以太網PDU（8 Bytes）、循環冗余校驗（4 Bytes）、ASN.1協議頭標記（2 Bytes）和塊數據（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）、核心數據（16 Bytes×邏輯節點控制信息數N_c）、生成時間標記（1 Bytes）、允許生存時間（1 Bytes）,總共14+16N_c Bytes。因此,此類GOOSE報文的總長度應該是56+16N_c Bytes。

2）測量類業務。該業務主要發送SV報文^[17],按照該報文的映射規定,其附加信息應有以太網報文頭（22 Bytes）、優先級標志（4 Bytes）、以太網PDU（8 Bytes）、循環冗余校驗（4 Bytes）、ASN.1協議頭標記（2 Bytes）、塊數據（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）、通用數據集（32 Bytes×采樣點數N_m）、SmpSynch同步采樣標記（1 Bytes）總共43+32N_m