【摘 要】随着分布式能源(DER)的不断推广应用，配电系统将由传统单一电能分配的角色转变为集电能收集、电能传输、电能存储和电能分配于一体的新型电力交换系统。DER技术的发展在给配网系统运行带来机遇的同时也面临着挑战，为了确保配网的安全稳定运行，应该越来越多地关注将DER的监控、运行、管理纳入到现有的配网体系[1]。这意味着需要一个国际标准为DER设备和系统定义统一的通信和控制接口。标准、相关的指南和统一的流程将简化DER的部署实施，降低安装成本，推动DER的市场运作，简化维护工作，提高电力系统运行的可靠性和效率。作为响应，国际电工委员会制定了IEC61850-7-420分布式能源系统的通信标准。本文重点介绍了该标准，并对主流的分布式电源建模进行了分析研究。
1 引言
分布式发电是功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内、模块式的、分布在负荷附近的清洁环保发电设施，能够经济、高效、可靠地发电。它具有的发电方式灵活、不过度依赖电网运行状况、大量使用清洁能源等特点，非常符合目前节能减排、绿色能源、可持续发展的理念，受到越来越多的研究和应用。同时不可忽视的是，分布式发电的接入对现有电网的运行控制也产生了深远的影响，为确保含分布式能源下电网运行的稳定性，安全性，可靠性，需要整合DER的保护，自动化和控制系统，实现信息的共享，满足DER设备间、设备与系统间、系统与系统间的互操作性。
IEC 61850标准是目前电力事业领域中主流的通信协议，最初应用在变电站自动化系统(SAS)领域，将不同类型的设备有效地集成到系统中。很明显，通过基于IEC 61850标准的建模导则，可以支持将分布式发电信息整合到现有的变电站综合自动化系统中。
本文首先简单介绍了IEC 61850标准，重点关注标准的内容规范及技术特征。然后分析了分布式能源及其不同的建模需求，提出分布式能源的建模模型，为便于理解，对模型中的逻辑节点类和数据类进行划分。建模中首先考虑使用既有的逻辑节点，并对分布式发电域中特定的逻辑节点进行说明。文章最后讨论了对目前变电站配置语言的扩展需求。
2 IEC 61850标准简介
IEC 61850对变电站自动化系统制定了全面和系统的规范，标准共分为10个部分[2]，如下图所示：
图1 IEC 61850标准的内容
技术层面上，IEC 61850大致给出了5类规范[3]，即通信服务、通信语义、通信实现、配置描述语言和一致性测试规范。
① 通信服务规范。IEC 61850-5对SAS的自动化功能作出了基本通信要求;IEC 61850-7-2定义了规范各种功能服务的抽象通信服务接口(Abstract Communication Service Interface，ACSI)，作为设备之间信息交互方式与过程的约定。
② 通信语义规范。IEC 61850-7-3定义了具备SAS/SCADA基本语义的公共数据类(Common Data Class，CDC);IEC 61850-7-1/4定义了表征基本自动化功能的逻辑节点(Logical Node，LN)及兼容逻辑节点类(Compatible Logical Node Class，CPLNC，即逻辑节点在不同功能对象中的继承)，由CDC细化来的兼容数据类(Compatible Data Class，CPDC)在CPLNC实例(Instance)中生成的数据对象(Data Object，DO)和数据属性(Data Attribute，DA)，构成了设备之间交互信息的语义约定。
③ 通信实现规范。IEC 61850-8-x/9-x定义了ACSI向具体的通信网络及协议映射的方法，即特殊通信服务映射(Specific Communication Service Mapping，SCSM)。其中IEC 61850-8-1定义了向MMS的映射，IEC 61850-9-1定义了向串行单向多路点对点传输网络的映射，IEC 61850-9-2定义了向基于IEC 8802-3的过程总线的映射。
④ 配置描述语言规范。IEC 61850-6定义了描述SAS和设备配置、功能信息及相对关系的变电站配置描述语言(Substation Configuration description Language，SCL)。
⑤ 一致性测试规范。为验证系统和设备的一致性，IEC 61850-10作出了系统和设备一致性测试的方法、等级、环境和设备要求等规定。
IEC 61850是迄今为止最为完善的变电站通信网络与系统的标准，与以往的变电站通信标准相比，它具有如下突出的技术特征[4]：①功能分层;②面向对象的信息模型;③功能与通信解耦;④变电站配置语言;⑤面向对象的数据自描述。由于IEC 61850具有的这些开放的技术特征，其不仅在变电站自动化领域得到了广泛的应用，目前标准的第2版已经将应用领域扩展到变电站之外，其内容如图2所示。涵盖了电力公用事业自动化的各个方面，涉及水电厂、分布式能源、变电站之间、变电站和控制中心之间的通信，对目前智能电网的研究与建设将发挥重要的推动作用。
图2 IEC 61850标准第二版的内容结构
对于包括分布式电源的复杂配电网系统来说，其信息建模必须基于对问题域特性的深入了解，以及对IEC 61850标准所定义建模准则的理解。需要强调的是我们建立的模型仅仅关注DER系统对外所展示的通信层面，而系统的动态模型，暂态特性等指标不在我们研究的范围之内。
3 分布式能源的建模
从前面标准的介绍可知，国际电工委员会成立了WG17工作组，研究标准在分布式能源领域的应用，扩展了IEC 61850-7-4部分的公共兼容逻辑节点类和数据类，目的就是利用既有的逻辑节点和数据实现DER系统的有效建模;而对于分布式能源所独有的数据信息，工作组制定了IEC 61850-7-420部分，以满足特定分布式能源信息建模的需要[5]。系统的总体模型如图3所示[6]，可作为DER系统建模的模板：
图3 通用的DER系统
标准研究了柴油发电机组、太阳能电池发电、燃料电池和热电联产四种方式的分布式能源，对于风力发电，已经有专门的IEC 61400-25标准进行描述，该标准也是基于IEC 61850标准，与之相兼容。
从上图可知，通用DER系统应包括以下方面：
1.管理DER单元与所接入电力系统间(包括当地的电力系统，开关、断路器和保护单元)的互联互通;
2.作为电能的生产者监视和控制DER单元;
3.监测和控制单个的发电机，励磁系统和逆变器/转换器;
4.监视和控制能量转换系统，如往复式发动机(如柴油发动机)，燃料电池，光伏发电系统，热电联产系统和电力系统
5.监测和控制的辅助系统，如计量表，燃油系统，电池组和电池;
6.监视设备的物理特性，例如温度，压力，热，振动，流量，排放和气象信息等。
标准从整体角度对DER系统建模，从系统的内部参数开始，如柴油发电机的燃料类型，太阳能电池板的电池测试结果，燃料电池中氢的浓度，到与电网连接的类型和参数，以及微电网操作命令和控制单元，全面而详细地描述了所有DER系统中涉及通信的特征变量，可以满足最严格的通信需求。为了更好地理解标准中关于DER系统的建模，我们将新的逻辑节点类和数据类分为四组：DER单元控制器，内部参数，电网连接单元和DER的运营控制单元。
A、DER单元控制器
见图3的顶部，DER单元控制器这一逻辑设备由四个逻辑节点DRCT，DRCS，DRCC、FSEQ构成，它定义了DER物理设备的运行特性，与发电机或原动机的类型无关。这些逻辑节点提供了DER控制单元特性中的信息、状态以及对其采取的监控动作。
DRCT代表一个控制器，控制连接在它上面的单一或一组DER。在参数配置中，需要输入接入DER的数目，类型和最大输出功率。
DRCS提供控制器的状态信息，如电气连接状态，操作模式(自动或手动控制模式)，控制模式(本地或远程)等，通过改变这些参数，从而决定控制DER电气接入电网的方式是远程控制还是本地控制，操作是自动运行还是手动控制。无论是哪种情况，都要修改更新该逻辑节点中对应的状态信息。
DRCC列出了对DER监控所执行的动作信息列表。如设置DER工作的有功无功频偏，改变运行或停止前的时间延迟，控制DER的启动或停运等。而逻辑节点FSEQ则提供DER启动或关闭期间的动作序列信息。
B、内部参数
这些参数表示分布式发电的内部运行状态。如燃料，存储系统，电池，励磁机，发电机单元，逆变器的运行特性，通过对这些参数信息的物理测量可以监视分布式发电的运行情况。
根据不同的DER类型，定义的逻辑节点见图3的左上角。具体来说：往复式发动机的逻辑节点为DCIP，燃料电池的逻辑节点为DFCL、DSTK、DSTK，光伏电池的逻辑节点为DPVM，DPVA，DPVC，热电联产的逻辑节点为DCHC，DCTS和DCHB。这些逻辑节点为分布式能源所特有。
对于相同类型的DER拥有多个逻辑节点，其原因是对该类型DER的不同方面进行控制和建模。例如，DFCL逻辑节点针对燃料电池单元控制器的特征建模，DSTK逻辑节点代表燃料电池堆信息，而DPFM则对燃料处理模块建模。柴油发电机仅有一个逻辑节点DCIP，包括所有与柴油发电机相关的测量和控制信息。然而，对于柴油发电系统而言，还需要一些辅助的单元，这些辅助单元标准中也给出了相应的逻辑节点定义，如发电系统中励磁单元的逻辑节点DREX，DEXC和DSFC，发电机单元的逻辑节点DGEN，DRAT和DCST。对于燃料电池系统而言，建模则无需考虑这些辅助单元。
燃料电池和柴油发电系统均需要考虑燃料输送系统这一辅助单元，见图3，标准中定义了MFUL和DFLV两种逻辑节点。很明显光伏发电系统无需对此建模。
图3物理测量框中集合了所有反映DER运行的物理量方面的逻辑节点。包括温度节点STMP，压力节点MPRS，热量节点MHET，流量节点MFLW，振动节点SVBR，排放节点MENV，气象条件节点MMET。这些测量信息可能属于燃料单元，发电机系统，辅助加热系统，冷却系统，润滑系统，其对于DER设备的安全、高效运行来说是关键的指标。
C、电网连接单元
对于DER接入电网而言，标准中根据不同类型的DER定义了相应的逻辑节点。每个接入电网的DER都需要用到断路器(XCBR)和开关控制器(CSWI)，这两个逻辑节点在IEC 61850-7-4标准中定义。IEC61850-7-420标准中新增了保险丝的节点模型——XFUS，它可以看成一次性的断路器。
为保持输出与电网同步，7-420新增同步器逻辑节点RSYN。众所周知，燃料电池和太阳能电池板产生的直流输出。以XSWI或CSWI建模的直流开关输出到转换器，该转换器在将直流输出转换为交流电压的同时进行同步。标准中用逻辑节点ZRCT和ZINV来对转换器建模。
ZRCT用于描述将发电机交流输入转换为中间直流输出的整流器。其属性包括通信类型，隔离方式，电压调节方式，转换冷却方式，交流系统和滤波类型等。
ZINV用于描述将直流输入转换为交流输出的逆变器。其属性包括开关类型，冷却方式，通信类型，隔离方式和开关频率等。
D、DER运营控制单元
在DER的电气连接点(ECP)上，有一些逻辑设备处理网络运营相关问题，譬如法律信息(所有权，权力，义务和权限)，DER的技术特性(DER装置的类型，连接类型，经营模式，评分)，控制权限许可和其他的管理信息。针对这些信息，标准定义了DCRP、DOPR、DOPA、DOPM、DPST、DCCT、DSCC、DSCH等逻辑节点用以描述，见图3的右上角。DER供应商可以根据需求选择实现或部分实现对这些信息的支持。
4 DER系统的配置语言
变电站配置语言(SCL)是IEC 61850标准的重要部分，可以使用专门开发或商用的配置工具实现系统的建模，提高建模效率。通过对SCL的扩展，同样可以在DER系统中使用。在这种情况下，变电站配置语言可被称为系统配置语言(SCL)。它与现有的SCL类似，经扩展后可以使用CIM模型中的元素。这部分的工作需要DER领域的专家共同参与制定。
5 结束语
本文研究分析了分布式能源的信息建模，基于IEC 61850标准，建立了通用的DER信息模型模板，针对不同的分布式电源，只要对模型模板进行裁剪，就可以满足特定分布式能源建模的需求。随着分布式能源的不断推广应用，遵循统一的通信与控制接口，可以方便地实现DER设备、系统与电力系统的互联互通。
参考文献
1.T. S. Basso and R. DeBlasio, "IEEE 1547 series of standards: interconnection issues," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 19, pp. 1159-1162, 2004.
2.A. Apostolov and B. Muschlitz, "Object modeling of measuring functions in IEC 61850 based IEDs," in Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2003 IEEE PES , 2003, pp. 471-476 vol.2.
3.窦晓波.基于IEC 61850的新型数字化变电站通信网络的研究与实践 东南大学博士学位论文 2006.9
4.谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC 61850介绍[J].电网技术，2001，25(9)：8-9
5.I. T. WG17, "Introduction to IEC 61850-7-420: Distributed Energy Resources (DER) Object Modeling," White Paper, vol. Ver 2., July 31, 2004年。
6.IEC 61850 Part 7-420 DER L ogical Nodes (FDIS) - Communications Systems for Distributed Energy Resources (DER), January 2008
