基于國際標準的光伏電站監(jiān)測與孤島保護建模

顧建煒，李 佳，李子旭，張鐵峰

（1.杭州供電公司浙江杭州310009；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003）

實現(xiàn)主動配電網(wǎng)是在配電網(wǎng)中廣泛接入分布式電源并使其高度滲透的重要手段[1-2]，其主要目標為提高供電的質(zhì)量和配電網(wǎng)運行效率，能夠大量接入分布式電源，實現(xiàn)電網(wǎng)自動化、信息化和互動化，并使其具備自愈能力[3]。大力推進分布式能源建設的進度，配電網(wǎng)滿足分布式可再生能源發(fā)電的接入和管理成為日益迫切的問題。2013年浙江富陽市1230戶農(nóng)戶被作為光伏發(fā)電并網(wǎng)的試點，裝機總?cè)萘窟_2460 kVA，首批“反孤島裝置”也在富陽正式投入使用[4]，該裝置的使用為低壓光伏電站接入配電網(wǎng)提供了自動化保護，對分布式能源發(fā)展具有重要意義。然而，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)范，近年建設光伏電站采用標準不一，給未來電網(wǎng)技術升級和協(xié)調(diào)控制埋下隱患，也阻礙了電網(wǎng)互動化能力提升。

理想情況下，家庭光伏電站接入配電網(wǎng)后，電網(wǎng)需要光伏電站的監(jiān)測信息，同時光伏電站也需要來自電網(wǎng)側(cè)的控制指令，二者需要雙向互動。因此，需要安全自動裝置保障電網(wǎng)的可靠運行并確保維修工人的安全，此安全自動裝置也稱為“孤島監(jiān)測與保護裝置”。在我國，對孤島保護裝置的研究不少，裝置的防孤島保護功能基本依靠光伏逆變器實現(xiàn)，研究大部分在此基礎上改進。但多數(shù)研究集中在如何快速、準確檢測出孤島狀態(tài)，并未考慮諸多配電終端設備間信息的互操作需求。孤島保護裝置應當具備互操作性，遵循統(tǒng)一的國際標準以支持電網(wǎng)與光伏電站間的信息交換，進而實現(xiàn)主動配電網(wǎng)的互動化功能。IEC61850是電力公用事業(yè)網(wǎng)絡的通信標準，其提高了系統(tǒng)的可開發(fā)性、通用性和可擴展性，能夠支持來自不同廠家甚至不同設備間的互操作。因此，基于IEC61850的光伏監(jiān)測與孤島保護裝置可以支持配電自動化系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)的互操作[5]。

國際上，IEC61850標準在配電領域的應用已有開展，并進行了相關的實驗驗證[6]。在我國起步較晚，IEC61850在配電領域的應用遠不及在變電站領域成熟，成果也局限于理論方面[7]。目前，一些配電終端設備實現(xiàn)了基于IEC61850的建模，但光伏電站孤島檢測的建模研究還很少涉及。

利用IEC 61850的建模思想和建模方法，結合配電自動化業(yè)務的現(xiàn)狀與發(fā)展，本文研究了基于IEC61850國際標準的光伏電站監(jiān)測與孤島保護建模。

1 光伏電站監(jiān)測與孤島保護

若主網(wǎng)因某種原因與用戶斷開，用戶側(cè)的光伏電站仍會向鄰近當?shù)刎撦d供電，形成孤島效應。孤島效應失控將對線路工作人員和連接設備造成嚴重危害，對配電網(wǎng)的保護動作也可能造成難以預料的后果。在單相配電系統(tǒng)中，孤島運行的光伏電站會造成三相不平衡供電，危及電氣設備和用電安全[8]。故障排除后孤島會導致電網(wǎng)運行開關兩側(cè)相位不同步，產(chǎn)生電流沖擊，影響電網(wǎng)安全。因此，分布式配電系統(tǒng)需要快速檢測孤島狀態(tài)。

針對光伏電站接入配電網(wǎng)可能帶來的影響，《光伏電站并網(wǎng)安全條件及評價規(guī)范》[9]中要求分布式光伏發(fā)電逆變器具備快速檢測孤島的能力，且檢測到孤島后快速斷開與電網(wǎng)的連接[10]。分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)系統(tǒng)，應在并網(wǎng)點配置自動檢測裝置，該裝置完成頻率、電壓異常緊急控制功能，如異常可自動跳開連接并網(wǎng)點的斷路器。我國當前試運行光伏電站為有計劃性孤島，要求用戶側(cè)配置頻率、電壓控制裝置，以實現(xiàn)對用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)異常時的控制。

圖1，圖2為兩種典型分布式光伏接入電網(wǎng)的示意圖。圖1為接入10 kV用戶的一次系統(tǒng)接線示意。圖2為接入380 V用戶配電箱一次系統(tǒng)的接線示意。該方式適合自發(fā)自用、余量上網(wǎng)（接入用戶電網(wǎng)）的用戶低壓電站。

圖1 光伏電站接入10kV一次系統(tǒng)

圖2 光伏電站通過380 V用戶配電箱接入一次系統(tǒng)

反孤島控制是支持光伏發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運行的必備手段。一般情況下，聯(lián)網(wǎng)式逆變器應自備防孤島功能，為確保電網(wǎng)可靠運行，外部并網(wǎng)點也應設置防孤島保護裝置，以在孤島效應發(fā)生時作為后備保護快速切斷光伏電源。文中針對并網(wǎng)點另設防孤島保護裝置的情況研究。

2 信息交互需求分析

基于IEC61850的光伏電站監(jiān)測與孤島保護工作流程描述為：遵循IEC61850的智能電子設備（Intelligent Electronic Equipment，IED）實時采集并網(wǎng)點開關狀態(tài)、電流和電壓、光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功和無功功率等信息[11]，當系統(tǒng)檢測到故障時，把監(jiān)測和故障信息傳到配電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（Distribution SupervisoryControlAndDataAcquisition，DSCADA）系統(tǒng)；DSCADA系統(tǒng)轉(zhuǎn)換IEC61850消息為CIM（Common Information Model）消息，并將其傳至負荷控制和管理（Load Control And Management，LCM）系統(tǒng)，斷開電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)和并網(wǎng)點的斷路器，完成拉閘操作[12]；

DSCADA系統(tǒng)通知檢修部門進行檢修，檢修完成后發(fā)送檢修完成的通知給DSCADA系統(tǒng)，DSCADA系統(tǒng)發(fā)送消息給LCM系統(tǒng)，LCM完成電網(wǎng)側(cè)和負荷側(cè)斷路器的合閘操作。光伏電站監(jiān)測與孤島保護用例如圖3所示，其時序圖如圖4。

圖3 光伏電站監(jiān)測與孤島保護用例圖

在光伏電站監(jiān)測與孤島保護系統(tǒng)中，DSCADA、LCM，MALNT環(huán)節(jié)遵循CIM標準，涉及CIM包的量測、故障、停電和保護包等。相關實體可參照CIM標準構建類圖。

圖4 光伏電站監(jiān)測與保護時序圖

IED遵循IEC61850標準，配電管理系統(tǒng)（DSCADA、LCM和MALNT）遵循CIM標準，信息交互涉及CIM與IEC61850兩個信息模型[13]。因IEC61850和CIM各自制定目標及側(cè)重不同，故其內(nèi)容及特點等也不一樣，需進行模型協(xié)調(diào)[14]，協(xié)調(diào)包括類、關系、屬性等方面，該部分另文處理。

3 光伏電站監(jiān)測與孤島保護的IEC61850 建模

3.1 基于IEC61850的信息建模

依據(jù)IEC61850-7-420標準，分布式能源通過電氣連接點（Electrical Connection Point，ECP）并入電網(wǎng)。光伏系統(tǒng)自動運行需具備的功能[15-16]包括操作、監(jiān)視斷路器和隔離設備，在故障情況下保護電力設備與人身安全、測量和計算、監(jiān)視逆變器、使陣列輸出最大功率、孤島運行、儲能與氣象測量。全部功能可分解為7個邏輯設備：光伏電氣連接點邏輯設備、光伏單元控制器邏輯設備、光伏發(fā)電邏輯設備、交直逆變器邏輯設備、電池系統(tǒng)邏輯設備、物理測量邏輯設備以及光伏保護邏輯設備。配置邏輯節(jié)點后，邏輯設備和邏輯節(jié)點在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的分布如圖5。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的邏輯設備和邏輯節(jié)點

光伏電站監(jiān)測與孤島保護功能可合并建模為一個具備3個邏輯設備的IED，如圖6。3個邏輯設備分別是LD1（一般）、LD2（保護）、LD3（量測），圖中僅展示了部分邏輯節(jié)點。

圖6展示了IED完整的模型結構，它主要由服務器（Server）、邏輯設備LD（Logical Device）、邏輯節(jié)點LN（Logical Node）、數(shù)據(jù)對象 DO（Device Object）、數(shù)據(jù)屬性DA（DataAttribute）共5部分組成。其詳細描述如下：

Server是一個功能節(jié)點，向其他功能節(jié)點提供數(shù)據(jù)或允許其他功能節(jié)點訪問其資源，配置至少一個訪問點，訪問點描述了IED與實際通信網(wǎng)絡的連接關系。

圖6 光伏電站監(jiān)測與孤島保護信息模型

LD1包含公共數(shù)據(jù)類邏輯節(jié)點LLNO和LPHD，故障錄波RADR、存檔IARC、人機接口IHMI、RDRS、擾動記錄功能節(jié)點RDRE；

LD2定義了保護邏輯節(jié)點PTRC（包括動作、啟動和跳閘輸出）、斷路器XCBR、開關控制CSWI、頻率變化保護PFRC和逆功率保護PDPR、欠/過電壓保護PTUV/PTPV、高/低頻保護 PTOF/PTUF、諧波制動PHAR、相角測量PPAM、PTOV、PTUF；

LD3包括量測功能邏輯節(jié)點MMXU、電流互感器TCTR、電壓互感器TVTR、告警輸出GGIO。

邏輯節(jié)點包含相應的數(shù)據(jù)對象和屬性。其中保護跳閘邏輯節(jié)點PTRC的數(shù)據(jù)對象和屬性如表1。

表1 PTRC的數(shù)據(jù)和屬性設定

3.2 功能建模

光伏電站監(jiān)測與孤島保護模型中的邏輯節(jié)點相互配合完成裝置功能，其功能模型如圖7。

TVTR、TCTR等T類傳感器邏輯節(jié)點反映各種物理量測。邏輯節(jié)點LLN0和LPHD用來定義物理裝置的一些基本屬性。

CSWI為開關的控制器，部署在間隔層，與斷路器邏輯節(jié)點XCBR聯(lián)合使用協(xié)作完成開關操作。MMXU是電氣連接點的實際測量值。

高頻、低頻保護邏輯節(jié)點PTOF和PTUF，欠電壓和過電壓保護邏輯節(jié)點PTUV和PTOV，頻率變化率保護邏輯節(jié)點PFRC，逆功率保護邏輯節(jié)點PDPR，諧波制動邏輯節(jié)點PHAR、相角測量邏輯節(jié)點PPAM共8個邏輯節(jié)點為保護跳閘邏輯節(jié)點PTRC提供信息，即PTRC輸出若干組合保護的跳閘，以上8種保護任一項超保護限值都可作用于PTRC跳閘，以達到保護目的。

圖7 功能模型

人機接口邏輯節(jié)點IHMI完成站控層和間隔層的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，配置與控制功能，IARC邏輯節(jié)點實現(xiàn)長期歷史數(shù)據(jù)的存檔和查詢。該功能模型涵蓋了光伏電站的主要監(jiān)測和保護功能。

4 結論

光伏電站監(jiān)測與孤島保護是保障主動配電網(wǎng)可靠運行和維修人員人身安全的關鍵裝置，與電網(wǎng)企業(yè)和用戶切身利益密切相關。該裝置理應納入電網(wǎng)的一體化管理，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)大量接入電網(wǎng)，裝置與電網(wǎng)系統(tǒng)間的信息交互將更為緊密和頻繁。各系統(tǒng)遵循相關國際標準進行建模和開發(fā)是實現(xiàn)互操作性的必要條件。

文中對基于國際標準的光伏電站監(jiān)測與孤島保護建模進行研究，首先介紹了光伏電站監(jiān)測與孤島保護的內(nèi)容，然后分析了電網(wǎng)與光伏電站的信息交互需求，得到業(yè)務的用例圖和時序圖，完成了基于IEC61850的信息和功能模型構建。

相關系統(tǒng)的開發(fā)部署，所建模型的實踐應用與完善將是下一步工作，信息交互涉及的CIM和IEC61850模型協(xié)調(diào)也需進一步研究和細化。