基于國際標準的光伏電站監測與孤島保護建模

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）

實現主動配電網是在配電網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量和配電網運行效率，能夠大量接入分布式電源，實現電網自動化、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，配電網滿足分布式可再生能源發電的接入和管理成為日益迫切的問題。2013年浙江富陽市1230戶農戶被作為光伏發電并網的試點，裝機總容量達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提供了自動化保護，對分布式能源發展具有重要意義。然而，由于缺乏統一規范，近年建設光伏電站采用標準不一，給未來電網技術升級和協調控制埋下隱患，也阻礙了電網互動化能力提升。

理想情況下，家庭光伏電站接入配電網后，電網需要光伏電站的監測信息，同時光伏電站也需要來自電網側的控制指令，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，研究大部分在此基礎上改進。但多數研究集中在如何快速、準確檢測出孤島狀態，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，遵循統一的國際標準以支持電網與光伏電站間的信息交換，進而實現主動配電網的互動化功能。IEC61850是電力公用事業網絡的通信標準，其提高了系統的可開發性、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的光伏監測與孤島保護裝置可以支持配電自動化系統和配電管理系統的互操作[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，結合配電自動化業務的現狀與發展，本文研究了基于IEC61850國際標準的光伏電站監測與孤島保護建模。

1 光伏電站監測與孤島保護

若主網因某種原因與用戶斷開，用戶側的光伏電站仍會向鄰近當地負載供電，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，對配電網的保護動作也可能造成難以預料的后果。在單相配電系統中，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運行開關兩側相位不同步，產生電流沖擊，影響電網安全。因此，分布式配電系統需要快速檢測孤島狀態。

針對光伏電站接入配電網可能帶來的影響，《光伏電站并網安全條件及評價規范》[9]中要求分布式光伏發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的連接[10]。分布式光伏發電接入電網系統，應在并網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，要求用戶側配置頻率、電壓控制裝置，以實現對用戶光伏發電系統異常時的控制。

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

圖1 光伏電站接入10kV一次系統

圖2 光伏電站通過380 V用戶配電箱接入一次系統

反孤島控制是支持光伏發電系統安全可靠運行的必備手段。一般情況下，聯網式逆變器應自備防孤島功能，為確保電網可靠運行，外部并網點也應設置防孤島保護裝置，以在孤島效應發生時作為后備保護快速切斷光伏電源。文中針對并網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）實時采集并網點開關狀態、電流和電壓、光伏發電系統的有功和無功功率等信息[11]，當系統檢測到故障時，把監測和故障信息傳到配電數據采集與監控（Distribution SupervisoryControlAndDataAcquisition，DSCADA）系統；DSCADA系統轉換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，斷開電網側、負荷側和并網點的斷路器，完成拉閘操作[12]；

DSCADA系統通知檢修部門進行檢修，檢修完成后發送檢修完成的通知給DSCADA系統，DSCADA系統發送消息給LCM系統，LCM完成電網側和負荷側斷路器的合閘操作。光伏電站監測與孤島保護用例如圖3所示，其時序圖如圖4。

圖3 光伏電站監測與孤島保護用例圖

在光伏電站監測與孤島保護系統中，DSCADA、LCM，MALNT環節遵循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 光伏電站監測與保護時序圖

IED遵循IEC61850標準，配電管理系統（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各自制定目標及側重不同，故其內容及特點等也不一樣，需進行模型協調[14]，協調包括類、關系、屬性等方面，該部分另文處理。

3 光伏電站監測與孤島保護的IEC61850 建模

3.1 基于IEC61850的信息建模

依據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。光伏系統自動運行需具備的功能[15-16]包括操作、監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、光伏發電邏輯設備、交直逆變器邏輯設備、電池系統邏輯設備、物理測量邏輯設備以及光伏保護邏輯設備。配置邏輯節點后，邏輯設備和邏輯節點在光伏發電系統中的分布如圖5。

圖5 光伏發電系統中的邏輯設備和邏輯節點

光伏電站監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）、邏輯節點LN（Logical Node）、數據對象 DO（Device Object）、數據屬性DA（DataAttribute）共5部分組成。其詳細描述如下：

Server是一個功能節點，向其他功能節點提供數據或允許其他功能節點訪問其資源，配置至少一個訪問點，訪問點描述了IED與實際通信網絡的連接關系。

圖6 光伏電站監測與孤島保護信息模型

LD1包含公共數據類邏輯節點LLNO和LPHD，故障錄波RADR、存檔IARC、人機接口IHMI、RDRS、擾動記錄功能節點RDRE；

LD2定義了保護邏輯節點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點MMXU、電流互感器TCTR、電壓互感器TVTR、告警輸出GGIO。

邏輯節點包含相應的數據對象和屬性。其中保護跳閘邏輯節點PTRC的數據對象和屬性如表1。

表1 PTRC的數據和屬性設定

3.2 功能建模

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

TVTR、TCTR等T類傳感器邏輯節點反映各種物理量測。邏輯節點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，與斷路器邏輯節點XCBR聯合使用協作完成開關操作。MMXU是電氣連接點的實際測量值。

高頻、低頻保護邏輯節點PTOF和PTUF，欠電壓和過電壓保護邏輯節點PTUV和PTOV，頻率變化率保護邏輯節點PFRC，逆功率保護邏輯節點PDPR，諧波制動邏輯節點PHAR、相角測量邏輯節點PPAM共8個邏輯節點為保護跳閘邏輯節點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

人機接口邏輯節點IHMI完成站控層和間隔層的監測數據顯示，配置與控制功能，IARC邏輯節點實現長期歷史數據的存檔和查詢。該功能模型涵蓋了光伏電站的主要監測和保護功能。

4 結論

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

文中對基于國際標準的光伏電站監測與孤島保護建模進行研究，首先介紹了光伏電站監測與孤島保護的內容，然后分析了電網與光伏電站的信息交互需求，得到業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。

相關系統的開發部署，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模型協調也需進一步研究和細化。