一种基于IEC 61850-7-420标准的分布式发电设备建模实现方法

摘要

一种基于IEC 61850-7-420标准的分布式发电设备建模实现方法，包括分布式发电设备模型的提取、构建、下载及识别等过程。本发明提供的建模实现方法，可以对分布式发电设备进行灵活快速建模，解决其通信和控制接口标准化的技术问题，推动其与系统之间信息交互的规范化和标准化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统元件建模实现方法，特别涉及基于IEC 61850-7-420标准的分布式发电设备建模实现方法。 

背景技术

近年来，随着能源危机的日益突出，清洁可再生能源领域受到广泛关注，未来将会有越来越多的分布式发电(Distributed Energy Resource，DER)接入电网。目前，DER及其他系统元件(如监测、保护装置等)的生产厂家多数自定义设备的通信规约，且通信接口类型各异，这将使得系统在信息集成、运行控制以及调度管理等方面受到极大的制约。在国际上，电力部门、运营商和分布式发电制造商意识到需要一个统一的国际标准来解决DER通信和控制接口标准化的问题，因此IEC 61850开始将DER纳入标准体系，并进行了一些IEC61850-7-420在DER中应用的前期工作。随着DER在我国的迅速发展，需要制定DER等电力系统元件的统一系统模型及相应的标准化信息接口，以实现各元件在电力系统中的即插即用、能量管理等重要功能，降低系统集成的难度、工作量及成本。 

目前，电力系统元件建模工作中已出现对IEC 61850的研究，大多围绕变电站系统远动、保护装置的建模及协议转化工作。中国专利CN 101706773A提出采用XML信息重组实现变电站快速自动建模，应用于采用IEC 61850通信的数字化变电站及传统变电站内的间隔层智能电子装置(Intelligent Electronic Devices，IED)建模，但须提前约定SAddr信息格式，通用性较差。中国专利CN101035099A提出一种实现103协议向IEC 61850标准转换的通用网关设计方法，完成对变电站间隔层产品的协议转换。上述研究尚未涉及DER设备建模，为了方便快捷地对DER设备进行建模，降低系统的集成难度，本发明提出了一种基于IEC61850-7-420标准的DER设备建模实现方法，以推动DER通信和控制接口的标准化应用。 

发明内容

本发明目的是为了实现DER设备的逻辑建模，推动DER通信和控制接口的标准化应用，避免未来大量DER接入电网后给电力系统自动化和信息集成带来巨大的难度、工作量及成本。 

本发明为一种基于IEC 61850-7-420标准的DER设备建模实现方法，所述的建模实现方法包括对DER设备进行模型提取、模型构建、下载及识别。 

具体实现过程分为以下几个步骤： 

1)对DER设备进行模型提取，按照所述DER设备各组成部件的实际功能，将DER设备 划分为系统信息模型、接入点(ECP)模型、控制器模型、发电模型、励磁系统模型、转速/频率调节系统模型、电力电子变换器模型以及辅助模型等部分，并提取所述各个模型包含的逻辑节点(Logical Nodes，LN)，LN遵循IEC 61850-7-420标准的规定。 

2)基于DER设备提取的各LN进行模型构建，具体的构建步骤为： 

a)建立元模型文件，设计数据属性(Data Attribute，DA)、公共数据类(Common DataClasses，CDC)、数据对象(Data Object，DO)、LN等结构体，对应各成员项的设计遵循但不限于IEC 61850标准对DA、CDC、DO以及LN的规定。LN结构体通过成员项关联单个或多个DO，DO结构体通过成员项关联CDC，CDC结构体通过成员项关联单个或多个DA，DA结构体提供成员项以存储模型的内存数据映射地址； 

b)基于IEC 61850标准发布的XML Schema规定，利用XML语言将LN结构体实例化，确定其关联的所有DO信息； 

c)将DO关联的CDC结构体实例化，确定其关联的DA信息； 

d)将CDC关联的所有DA结构体实例化； 

e)重复步骤c)-步骤d)建立模型所需的所有CDC； 

f)重复步骤b)-步骤e)建立模型所需的所有LN； 

g)利用XML语言增加DER模型的系统信息及通信服务，形成完整XML模型文件。 

3)基于DER设备的XML模型文件生成IED初始化文件、数据集与报告控制块文件、控制变量文件以及DO内存数据库映射文件等目标文件，下载至DER设备相应的IED。 

4)IED识别DER模型，包括以下步骤： 

a)解析IED初始化文件，完成相关的初始化工作，按照DO内存数据库映射文件构建DO完整的树型结构驻留内存。 

b)通过功能约束提取LN中的遥测DO、遥信DO、遥调DO以及遥控DO，并由自身通信模块实现IED多种通信应用接口的正常工作。 

c)IED数据采集处理模块工作，采集DER设备的运行数据，依据内存数据映射地址写入对应遥测、遥信DO，并依据数据集与报告控制块文件的配置内容，触发DO数据交互。 

d)IED响应命令中断，获取命令类型与控制点序号，并依据控制变量文件的配置内容，对受控点序号对应遥调、遥控DO所关联的IED控制模块进行操作，实现对DER设备的管理控制。 

本发明具有以下特点： 

(1)建立DER设备的模型文件，对DA、CDC、DO以及LN的编辑简单快捷，缩短研发周期。 

(2)可预置多种DER设备模型，方便建模操作以及模型修改，可移植性强。 

(3)本发明在实现DER设备建模的同时，也能够对其他电力系统元件进行快捷建模，通用性和扩展性强，应用领域广泛。 

附图说明

图1是本发明的DER设备建模流程图； 

图2是本发明的DER模型提取-LN分类图； 

图3是本发明的DER模型构建示意图； 

图4是本发明的DER及其IED应用结构图； 

图5是本发明的DER设备建模及实现示意图； 

图6是本发明的DER模型识别示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。 

图1描述了本发明的DER设备建模流程，按照实现顺序依次分为模型提取、模型构建、下载及识别： 

1)模型提取：针对DER设备组成部件的实际功能进行模型提取，形成所需的LN。 

2)模型构建：基于提取的各LN进行模型构建，形成DER设备的XML模型文件。 

3)模型下载：基于XML模型文件生成目标文件，下载至DER设备相应的IED。 

4)模型识别：IED解析目标文件，实现对DER设备模型的自动识别。DER设备工作时，IED解析DER设备的采集数据，建立与管理中心/其他IED的信息通讯，并对接收到的控制信息进行解析，实现对DER设备的管理控制。 

图2描述了本发明的DER模型提取LN分类情况。LN分类依据DER设备的功能进行划分，遵循IEC 61850-7-420标准的规定，通常包括系统信息模型、DER ECP模型、DER控制器模型、DER发电模型、DER励磁系统模型、转速/频率调节系统模型、电力电子变换器模型以及辅助模型等部分，其中系统信息模型LN包括物理装置LPHD，公用逻辑节点以及逻辑节点零LLN0；辅助模型包括常见的辅助设备(或系统)对应的逻辑模型，如燃料系统、蓄电池、时序、物理/电气测量、保护、控制以及开关设备等，这些辅助模型是DER设备模型重要的组成部分。DER设备模型的典型LN分类如表1所示。 

基于各部分LN可以构建完整的DER设备模型，典型模型包括CHP模型、Photovoltaicsystem模型、Fuel cell模型以及Reciprocating engine模型等，可将这些模型保存于相应的预设模型文件，以方便调用或编辑修改。 

表1典型LN分类 

图3描述了本发明的DER模型构建过程。对DER设备进行模型构建基于所提取的LN，具体的构建步骤为： 

a)建立元模型文件，设计DA、CDC、DO、LN等结构体。对应各成员项的设计遵循IEC 61850标准对DA、CDC、DO以及LN的规定，LN结构体通过成员项关联单个或多个DO，DO结构体通过成员项关联CDC，CDC结构体通过成员项关联单个或多个DA，DA结构体提供成员项以存储模型的内存数据映射地址。DA的功能约束项主要为状态信息ST、测量值MX、控制CO、设点SP、取代SV、配置CF、描述DC、扩充定义EX、缓存报告BR、非缓存报告RP、记录LG、设置组SG、可编辑的设置组SE、Goose控制GO等；DO的触发条件项主要为数据属性值变化dchg、品质属性值变化qchg、数据属性值更新dupd、完整性周期IntgPd与总召唤GI等。 

b)基于IEC 61850标准发布的XML Schema规定，利用XML语言将LN结构体实例化，确定其关联的所有DO信息。建模过程采用的XML(Extensible Markup Language)语言(即 可扩展标记语言)，它是目前处理结构化文档信息的有力工具，以下为LN CSWI实例的XML描述： 

<LNodeType id＝″CSWI″lnClass＝″CSWI″> 

          <DO name＝″Mod″type＝″INC″/> 

          <DO name＝″Beh″type＝″INS″/> 

          <DO name＝″Health″type＝″INS″/> 

          <DO name＝″Loc″type＝″SPS″/> 

          <DO name＝″Pos″type＝″DPC″/> 

          <DO name＝″GrpAl″type＝″SPS″/> 

                 ... 

</LNodeType> 

c)将DO关联的CDC结构体实例化，确定其关联的DA信息； 

d)将CDC关联的所有DA结构体实例化。以下为CDC INC实例描述： 

<DOType id＝″INC″cdc＝″INC″> 

          <DA name＝″SBO″fc＝″CO″bType＝″VisString64″/> 

          <DA name＝″Oper″fc＝″CO″bType＝″Struct″type＝″INCOperate″/> 

          <DA name＝″Cancel″fc＝″CO″bType＝″Struct″type＝″INCCancel″/> 

          <DA name＝″origin″fc＝″ST″bType＝″Struct″type＝″Originator″/> 

                 ... 

</DOType> 

e)重复步骤c)-步骤d)建立模型所需的所有CDC； 

f)重复步骤b)-步骤e)建立模型所需的所有LN； 

g)利用XML语言增加DER设备模型的系统信息及通信服务，形成完整的XML模型文件。 

图4描述了本发明的DER及其IED应用结构。每个DER设备配备对应的IED，以实现其模型的自动识别，以及通信和控制接口的标准化应用，降低DER设备向系统集成的难度。IED应当具备数据采集处理模块、中央处理器、通讯模块、控制模块等，当DER设备接入系统时，IED采集DER设备的电气量运行数据、状态与配置信息以及保护信息，并负责数据解析、建立与管理中心及其他IED之间的信息交互等，并将保护动作、DER控制等指令传输至DER设备，实现对DER设备的管理控制。在实际应用中，根据功能需求的不同IED可配置人机交互模块、数据存储模块等扩展部件。 

图5描述了本发明的DER设备建模及实现情况。以光伏系统为例，按照图1所示的建模 方法，其建模及实现过程如下： 

1)模型提取：将光伏系统设备按照功能进行划分，可以分为光伏电池、光伏控制器、逆变器、滤波电路、断路器以及接入点，依据IEC 61850-7-420标准分别提取为DER发电模型、DER控制器模型、电力电子变换器模型、辅助模型以及DER ECP模型，结合DER设备的具体应用选取各部分模型中合适的LN。 

2)模型构建：获取设备的LN后，建立元模型文件，并基于IEC 61850标准发布的XMLSchema规定，利用XML语言将所有LN及其关联的DO、CDC、DA实例化，以构建DER设备的完整XML模型文件。 

3)模型下载：基于DER设备XML模型文件生成目标文件，并下载至相应的IED。其中，IED初始化文件指明该DER模型文件名称、IED装置名称以及接入点等信息；数据集与报告控制块文件指明所有数据集名称、下属DO内容以及数据集触发条件等；控制变量文件存放XML模型文件中约束条件为可控状态的DO，指明其域名位置以及受控点序号；DO内存数据库映射文件指明LN所有DO的域名位置、类型以及内存数据库地址等。 

4)模型识别：IED工作，完成对DER设备的模型识别，其过程如图6所示。IED设备工作时解析相关的目标文件，完成初始化工作，按照DO内存数据库映射文件构建DO完整的树型结构驻留内存，并通过功能约束提取DER LN中的遥测DO、遥信DO、遥调(设)DO、遥控DO等。 

其中遥测DO主要负责采集DER的功率、电压、电流以及频率等电气量数据；遥信DO主要负责监控DER的运行状况及保护装置状态；遥调(设)DO主要负责设定DER的控制参数及运行数据；遥控DO主要负责设定DER的保护及运行模式。各DO功能视实际需求可以灵活配置及扩充。 

由IED设备通信模块实现多种通信应用接口的正常工作。IED设备数据采集处理模块工作时，将相关采集数据依据内存数据映射地址写入对应DO(通常为遥测DO与遥信DO)，并按照数据集与报告控制块文件的配置内容，以约定的触发方式触发数据集指定的DO数据；IED设备响应命令中断时，获取控制类型(通常为遥调DO与遥控DO)以及受控点序号，并按照控制变量文件的配置内容，对受控点序号对应DO所关联的控制模块进行操作。