鞠 炜，郝正航

(贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025)

0 引 言

传统配电网中存在着一、二次设备间互操作性差、信息难以实时共享等问题，系统可扩展性差、二次电缆回路安全隐患较多[1]。为保障电网经济、安全、稳定地运行，国际电工委员会(Intennational Electrotechnical Commission, IEC), 第57技术委员会公布了IEC 61850《变电站通信网络和系统》系列标准(IEC 61850标准)，旨在对变电站内不同设备提供的开放的信息交换与互操作功能进行规范[2]。随着微电网、配电网自动化、电动汽车、风力发电和分布式电源研究的深入[3]，IEC 61850系列标准已开始涉及新能源自动化领域[4]。大量分布式电源与微电网系统的接入[5]，为传统配电网带来了更复杂多样的结构形式与运行模式，为保证配电网的可靠运行，工程投运前需对系统进行模型仿真与工况分析，电力电子设备的接入与系统规模的增长也对系统级实时仿真提出了更高的要求。同时，现有仿真平台也存在着通信与模型不符合IEC 61850标准的问题，无法与其他IEC 61850设备进行相应数据的正常收发与功能交互。本文就在此背景下，对城市柔性配电网实时仿真进行了一系列IEC 61850标准化的研究。

1 柔性配电网模型与实时仿真平台

实时仿真的研究对象为某实验室建立的城市柔性配电网示范工程，系统主要由10 kV交流配电网、±10 kV直流配电中心、380 V交流微电网和±375 V直流微电网构成，各部分均受专用控制器监控和调节。如图1所示，10 kV中压馈线经3个1MVA的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)MMC1、MMC2、MMC3柔性互联，±10 kV直流母线与±375 V直流微网系统经500 kW的双主动全桥(Dual Active Bridge, DAB)直流变压器连接，直流微网系统主要包含混合储能电池、光伏系统、直流充电桩、电力电子设备等。500 kVA的MMC4经过隔离变压器与380V交流微电网系统相连，交流微电网系统则主要包含混合储能电池、交流充电桩、风机发电系统、电力电子设备等。不同的遥控与遥调组合方式使得系统涵盖了交流微网孤岛运行模式、直流微网孤岛运行模式、交流微网并网模式、直流微网并网模式、风机发电模式、光伏发电模式等多种电网运行模式，极具研究价值。

面对城市柔性配电网系统这样一个庞大且复杂的综合性系统，需要配套的实时仿真平台用以分析和验证各种传统及创新方案。使用电气信息实时仿真实验平台(UREP)提供的元件模型库按一定逻辑关系搭建城市柔性配电网仿真系统模型，再将控制策略载入模型或通过I/O连接外界控制器进行控制，待模型编译后将其下载到仿真器中运行，此时仿真器就相当于一个实际运行的柔性配电网，可以此开展各种试验性研究。可以直接使用LabVIEW工具软件作为仿真监控平台，完成图形监视、在线调参、录波等功能。图2所示为柔性配电网模型在仿真平台中通过LabVIEW监控平台呈现的监控界面。

图1 示范工程系统架构

图2 仿真平台中示范工程的监控界面

2 建模方案

IEC 61850是变电站自动化系统通信网络的国际通用标准[6]，为实现系统模型、设备模型及仿真平台中的仿真器实现IEC 61850标准化，本文设计了基于IEC 61850的柔性配电网实时仿真建模方案。

2.1 IEC 61850建模

IEC 61850标准采用了面向对象的建模方法，将变电站设备和各智能电子设备(Intelligent Electronic Device, IED)作为对象，通过分布于IED对象中逻辑设备(Logical Device)的逻辑节点(Logical Node)进行交互从而完成其系统功能[7]。IEC 61850标准将IED对象的信息模型自上而下地分为5个层级，分别是：服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性[8]，各层级均从名字类继承了所需的对象名和对象引用的属性，使得任何用户都可以通过抽象通信服务接口(Abstract Commuhication Service Interface, ACSI)与服务器进行通信实现数据的访问[9]。

在IEC 61850标准的指导下[10]，把内置城市柔性配电网模型的实时仿真平台作为一个IED对象进行整体建模，与实际工程多组测控与保护装置对应多个逻辑设备建模流程不同的是，由于实时仿真平台对外进行数据交换的特殊性，只需将用于模型仿真并与外界进行数据交换的仿真器作为一个逻辑设备进行建模，通过面向对象的方法将城市配电网柔性互联系统的具体功能按照“四遥”功能分解，形成AO_MMXU、DO_XCBR、DI_CSWI、AI_MMXU 4个主要功能逻辑节点。其中：AO_MMXU包含可及时刷新与显示各类模拟量变化的遥测量；DO_XCBR包含可刷新与显示各断路器开关状态的遥信量；DI_CSWI包含可控制各断路器分合的遥控量；AI_MMXU包含可调节控制与模拟量的遥调量，并设计成描述整个设备的数据对象属性。“遥测、遥调”所涉及的模拟量，包括电网中的各种电流、电压值、设备状态值、设备温度值、有功值、无功值、风机风速、光伏光照值等；而“遥控、遥信”所涉及的开关量，包括对断路器和隔离开关的分合控制与状态信息等，主要逻辑节点和数据对象描述如表1所示。

表1 主要逻辑节点和数据对象说明表

2.2 通信协议转换

由于柔性配电网系统复杂、规模庞大，系统模型在仿真平台中运行过程耗时较长，但仿真器与外部数据交互却需要满足时效要求，因此本文选择了可以实现双向收发且具快速处理速度的用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP)替代传统的传输控制协议/互联网协议(Transmission Control/Internet Protocol, TCP/IP)作为仿真平台对外传输协议。UDP作为开放式系统互联(Open System Interconnection, OSI)参考模型中一种无连接的传输层协议[11]，主要用于不要求按一定顺序到达的传输中，可作为IP协议与上层协议的接口。UDP提供的无连接传输服务，适用于单次传输少量数据的场景，在此符合仿真器中对数据的收发量要求。

为实现模型实时仿真的IEC 61850标准化，就必须将UDP格式的数据转换为符合IEC 61850标准的数据，通过对数据的再次封装与对象映射，将传统协议转换为IEC 61850协议[12]。表2、表3就是本文设计的UDP向IEC 61850标准转换的部分模拟量、开关量UDP数据包说明表。

表2 部分模拟量数据说明表

表3 部分开关量数据说明表

2.3 MMS服务器软件实现

制造报文规范(Manufacture Massage Specification, MMS)是由国际电工委员会工业自动化技术委员会TC 184工作小组和国际标准化组织共同制定和发展的位于OSI 7层参考模型的应用层的国际标准规范，通过对实际设备进行面向对象建模的方法，实现网络环境下不同制造商设备之间的互操作[13]。IEC 61850标准将MMS引入到电力系统自动化领域，并将 IEC 61850标准的核心服务——ACSI服务直接映射到MMS标准上，以规范不同厂商设备之间的通信问题[14]。因此，对于协议转换与映射问题，本文设计了如图3所示的一种服务器软件解决方案。

图3 IEC 61850服务器软件解决方案图

仿真器中的一系列电网模型数据以UDP包格式通过私有协议向外发出，实时存储于Windows平台上的服务器数据库中，服务器软件根据上述数据对象说明表进行相应的信息建模，自动生成IED能力描述文件(IED Capability Description, ICD)文件于内存中，随后建立与IEC 61850节点之间的对象映射，进而建立ACSI到MMS的模型与服务映射。待MMS服务器建立连接后，根据ICD文件的映射启动MMS服务，在收到仿真器传来的数据后，找到相应的IEC 61850映射节点，修改到相应的数据对象属性中，就可以完成协议的标准化转换。此时仿真器与IEC 61850服务器软件共同形成IEC 61850服务器主体，可收到作为调度中心的客户端的请求和命令，上送至支持IEC 61850标准的通用客户端进行“遥测、遥信”量的读取。另一方面，当其他IEC 61850装置或客户端与该装置通信时，服务器软件能将IEC 61850格式的数据或服务转化为UDP格式，存入数据库或转化为相应的控制信息并执行，实现对仿真器及内部模型的“遥控、遥调”功能，至此则可以实现仿真平台中柔性配电网系统的“四遥”功能，服务器软件可执行文件部分内容如图4所示。

3 功能验证

IEDScout软件是一款集IEC 61850标准测试、变电站自动化系统研究等多功能于一体的IEC 61850测试工具。任何符合IEC 61850标准的IED，都可以通过IEDScout软件进行导入，在获取IED所有相关信息的同时，也能随时查看IED的各种配置信息和通信情况。作为IEC 61850的客户端工具，IEDScout软件可以和符合IEC 61850标准的IED进行通信与交互操作[15]。

图4 IEC 61850服务器软件图

3.1 通信与模型验证

首先配置IP地址，建立IEDScout与IEC 61850服务器软件的连接，设置IP和端口号后搜索IED。连接完成后，会出现模型的相关配置信息，依次展开服务器数据模型结构，可看到包含的所有逻辑设备和其下包含的所有逻辑节点如图5所示，层层展开后与之前建立的模型对比，在确认模型文件获取完整性的基础上若还能实现“遥测、遥控/遥信、遥调”功能，就可证明本文在服务器软件中建立的模型是正确的、符合IEC 61850标准的。

图5 展开后的IED模型图

3.2 “遥测”功能验证

首先验证“遥测”功能，“遥测”的数据对象包含于逻辑设备AO_MMXU中，展开AO_MMXU中的各项，将其中需要观测数据变化的遥测量拖拽至右侧的监控模块中，每当收到数据值变化更新时监控模块中的各数据单元字体会变成黄色闪烁一次，将刷新间隔调至200ms，观察到各数据一直刷新跳变如图6所示，说明成功收到“遥测”数据，且收包刷新频率符合要求。

图6 “遥测”功能验证图

3.3 “遥控/遥信”功能验证

“遥控”的数据对象包含于逻辑节点DI_CSWI中，通过展开逻辑设备DI_CSWI项，对相应的遥控量进行“写入”操作。“遥信”的数据对象包含于逻辑节点DO_XCBR中，通过展开DO_XCBR项，对相应的遥信量进行“读取”操作。由于实时仿真与实际工程略有不同，仿真一开始尽可能需要满足各断路器闭合的情况，设计断路器的状态为闭合时对应的数值为1，断开时对应的数值为0，而控制断路器执行分闸操作写入的数值为1，控制断路器执行合闸操作写入的数值为0。图7为380VAC断路器7和MMC4交流微网断路器8的遥信状态，可以看到断路器7、8的状态DO_XCBR.Brk7_Stat、DO_XCBR.Brk8_Stat，数值均显示为1，断路器处于闭合状态。对断路器7、8进行分闸操作，即对DI_CSWI.Brk7、DI_CSWI.Brk8进行1的写入。写入后数据变化如图8所示，DI_CSWI.Brk7、DI_CSWI.Brk8的数值由0变为1，表明分闸操作成功执行；DO_XCBR.Brk7_Stat、DO_XCBR.Brk7_Stat的数值由1变为0，表明断路器状态由闭合变为断开；同时在图9所示的LabVIEW界面中看到断路器成功断开，两个断路器的状态颜色由绿(闭合)变红(断开)，380VAC断路器和MMC4交流微网断路器成功分闸，“遥控/遥信”功能实现。同时，交流微网系统以孤岛模式运行，在运行不久后作为平衡节点的铅炭电池元件向外发出功率给直流充电桩充电，自身的电量由初始设定的58%降为57%，在验证IEC 61850建模和MMS服务器软件“遥控/遥信”功能实现的同时也验证了仿真平台中模型的正确。

图7 断路器7、8遥信图

图8 断路器7、8遥控图

图9 LabVIEW交流微网孤岛运行图

3.4 “遥调”功能验证

在上述的交流微网孤岛运行情况下进一步验证“遥调”功能，“遥调”的数据对象包含于逻辑节点AI_MMXU中，通过展开逻辑节点AI_MMXU项，对相应的遥调量进行“写入”操作。给风机风速输入值写入“15”,如图10所示，与此同时LabVIEW中可以看到风速值变为“15”风机向外发出功率，作为平衡节点的铅炭电池此时功率为正，表示多余功率流向电池内部，电池开始充电，“遥调”功能实现。

图10 风机风速遥调图

调节风速后对碳酸铁锂电池功率值进行调节，对“遥调”功能进一步验证，写入“-50 000”使得碳酸铁锂电池吸收50 kVA的功率，新的遥调值的写入不会影响到之前写入的遥调和遥控值，同时在LabVIEW中可以看到碳酸铁锂电池以50 kVA吸收功率，给电池充电，如图11所示，在一段时间后，电池容量由58%变为60%，而一直在充电的吸收功率更高的铅炭电池电量也由先前的57%变为62%，“遥调”功能得到验证，由此可见服务器软件在大型仿真系统下可以稳定、正确、持续地运行，也进一步验证了仿真器中模型的正确性，“四遥”功能的实现为后续的研究提供参考。

图11 LabVIEW碳酸铁锂电池功率遥调图

4 结 语

本文对城市柔性配电网系统组成与实时仿真平台进行了简要介绍，在IEC 61850标准的指导下进行IED整体建模和“四遥”功能分解建模，选择UDP作为数据传输协议并向IEC 61850标准进行规约转换，设计MMS服务器软件实现方案，解决所建对象与服务映射至IEC 61850的问题。基于IEDScout软件进行模型与功能验证，完成柔性配电网的“四遥”功能验证，为后续的工程研究提供参考，对柔性配电网实时仿真和IEC 61850标准的研究有一定的参考价值。