基于IEC61850的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)信息建模與運(yùn)行

鄧 衛(wèi)，裴 瑋，沈子奇，趙振興

（中國(guó)科學(xué)院 電工研究所，北京 100190）

0 引言

隨著建設(shè)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和低碳社會(huì)需求的日益強(qiáng)烈，熱電聯(lián)供 CHP（Combined Heat and Power）、光伏、風(fēng)電等分布式能源DER（Distributed Energy Resource）受到廣泛關(guān)注，成為國(guó)內(nèi)外能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。DER在增強(qiáng)供電可靠性、改善電能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)清潔可再生能源規(guī)?；尤氲确矫姘l(fā)揮著重要的作用[1-3]。DER中發(fā)電技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)（如超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、飛輪、蓄電池等）相結(jié)合能夠形成運(yùn)行靈活的綜合供能系統(tǒng)[4-6]，可以進(jìn)一步提高多類型能源利用效率，降低化石能源消耗與二氧化碳排放，促進(jìn)低碳電力與低碳社會(huì)的快速發(fā)展。

在儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用日益廣泛的同時(shí)，由于各設(shè)備制造廠商提供的通信接口與規(guī)約不盡相同，給多類型儲(chǔ)能設(shè)備的系統(tǒng)快速集成與功能靈活擴(kuò)展帶來了一定的障礙，如何有效地組織、管理日益增多的儲(chǔ)能設(shè)備，成為一項(xiàng)具有理論與現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱IEC61850，下同）具備標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)語(yǔ)言、語(yǔ)義、協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)，詳細(xì)定義了水電站、DER以及變電站自動(dòng)化等領(lǐng)域信息交互的公共數(shù)據(jù)類CDC（Common Data Classes）與邏輯節(jié)點(diǎn) LN（Logical Node）類[7-8]，能夠?yàn)閮?chǔ)能設(shè)備提供面向?qū)ο蟮男畔⒔＜夹g(shù)以及靈活的通信架構(gòu)，將有助于儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能。

IEC61850第7-420部分針對(duì)多類型發(fā)電設(shè)備（如CHP、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及燃料電池等）與分散式儲(chǔ)能設(shè)備定義了各自對(duì)應(yīng)的基本LN類與CDC。利用IEC 61850的抽象通信服務(wù)接口ACSI（Abstract Communication Service Interface），DER 可以實(shí)現(xiàn)快速的信息交互[9-10]。目前，圍繞DER的IEC61850相關(guān)研究涉及基于IEC61850和IEC61400-25的風(fēng)力發(fā)電機(jī)通信數(shù)據(jù)模型[11]、基于IEC61850的電動(dòng)汽車LN類擴(kuò)展與建模[12]、基于IEC61850的分層管理及通信架構(gòu)[13-15]等方面。IEC61850第7部分定義了變電站和饋線裝置基本LN類，IEC61850第7-420部分定義了蓄電池（ZBAT）、蓄電池充電器（ZBTC）等基本LN類，提供了蓄電池狀態(tài)、放電曲線、保護(hù)定值設(shè)置、運(yùn)行值測(cè)量等數(shù)據(jù)對(duì)象 DO（Data Object）[16]。 在此基礎(chǔ)上，可以利用ZBAT、ZBTC等基本LN類構(gòu)建不同類型的儲(chǔ)能邏輯設(shè)備LD（Logical Device）。這些LN與LD能夠解決儲(chǔ)能系統(tǒng)各物理設(shè)備自身的建模問題，但較少充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型運(yùn)行方式及從儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的角度出發(fā)進(jìn)行信息建模，規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)其大量物理設(shè)備仍需與相應(yīng)的控制管理中心交互信息，這一方面會(huì)給通信網(wǎng)絡(luò)帶來巨大壓力，影響通信及運(yùn)行控制的可靠性，另一方面也會(huì)影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成效率?；贗EC61850將儲(chǔ)能系統(tǒng)以整體DER的形式進(jìn)行信息建模，可以為其相應(yīng)的運(yùn)行控制與管理提供可靠、快速的通信支撐，為完成不同運(yùn)行狀況下儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理與控制協(xié)調(diào)提供更為高效的信息交互手段，在此基礎(chǔ)上可以快捷實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠集成?，F(xiàn)階段的研究工作較少涉及基于IEC61850的儲(chǔ)能系統(tǒng)整體建模及其實(shí)際的運(yùn)行測(cè)試。

本文提出一種適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)信息建模與運(yùn)行的解決方案，針對(duì)典型儲(chǔ)能形式——蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng) BESS（Battery Energy Storage System）的通用應(yīng)用需求，擴(kuò)展IEC61850相關(guān)的基本LN類，從BESS整體運(yùn)行的角度出發(fā)構(gòu)建BESS智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electronic Device）信息模型，進(jìn)一步提出基于IEC61850的BESS信息交互實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行實(shí)際的運(yùn)行測(cè)試。

1 IEC61850在BESS中的應(yīng)用

1.1 IEC61850 LN

IEC發(fā)布的變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)——IEC61850提供變電站和饋線裝置統(tǒng)一的信息模型和訪問服務(wù)[17-20]，并隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷滾動(dòng)修訂，其應(yīng)用范圍逐步涵蓋公用電力事業(yè)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的多個(gè)領(lǐng)域。

IEC61850依據(jù)BESS實(shí)際的應(yīng)用功能將各組成物理設(shè)備抽象成虛擬的LD，其具體應(yīng)用功能可以形成對(duì)應(yīng)的LN。LN為交換數(shù)據(jù)功能的最小單元，是由其數(shù)據(jù)和方法定義的對(duì)象。LN由多個(gè)DO組成，DO代表不同類型的特定信息，如狀態(tài)或者測(cè)量值，通常由CDC定義其屬性類型。CDC定義了由1個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)屬性DA（Data Attribute）組成的結(jié)構(gòu)體信息。DA可以定義CDC各項(xiàng)具體數(shù)值的名稱、類型、功能約束 FC（Function Constraint）、觸發(fā)選項(xiàng) TrgOp（Trigger Option）、值/值域以及強(qiáng)制選項(xiàng)等屬性，其中FC指明可應(yīng)用于該DA的服務(wù)，通常包括狀態(tài)信息（ST）、測(cè)量值（模擬值）（MX）、設(shè)點(diǎn)（SP）、描述（DC）等類型；TrgOp指明該DA的觸發(fā)條件，可以為數(shù)據(jù)變化（dchg）、數(shù)據(jù)刷新（dupd）或品質(zhì)變化（qchg）等類型。

1.2 ACSI

IEC61850中的ACSI提供客戶應(yīng)用和遠(yuǎn)方服務(wù)器應(yīng)用之間通信、事件傳輸（發(fā)布者/用戶）以及采樣測(cè)量值傳輸（發(fā)布者/用戶）的抽象接口，其包括基本模型與信息交換服務(wù)模型，前者支持服務(wù)器（server）模型、關(guān)聯(lián)（association）模型、LD 模型、LN 模型、數(shù)據(jù)（data）模型、數(shù)據(jù)集（DataSet）模型、報(bào)告控制塊RCB（Report-Control-Block）模型、設(shè)置組控制塊（setting-group-control-block）模型、面向變電站事件的通用對(duì)象GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）模型、采樣值 SV（Sampled Value）傳輸模型等；后者則提供相應(yīng)的ACSI服務(wù)，以完成各具體模型的通信功能。

BESS運(yùn)行時(shí)，主要交互的信息通常包括以下幾種。

a.告警信息：包括蓄電池組組端電壓超上限報(bào)警、蓄電池組組端電壓超下限報(bào)警、放電電流超上限報(bào)警、溫度越限報(bào)警、內(nèi)阻過高報(bào)警、通信故障等。

b.設(shè)定值：充電截止電壓、內(nèi)阻修正系數(shù)、充電電流上限、充電曲線、輸出功率等。

c.狀態(tài)信息：直流接觸器開關(guān)狀態(tài)、電池組投運(yùn)狀態(tài)、蓄電池組充放電狀態(tài)等。

d.統(tǒng)計(jì)信息：累計(jì)充電電量、累計(jì)放電電量、蓄電池單體電壓均值、可充/放電容量等。

e.測(cè)量值：蓄電池組組端電壓、單體內(nèi)阻、電池荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）、電池溫度、輸出功率、網(wǎng)側(cè)電壓、系統(tǒng)頻率等。

f.控制指令：斷路器閉合、電池組投運(yùn)、啟動(dòng)電池組測(cè)試等。

g.計(jì)劃安排：蓄電池充電計(jì)劃曲線、蓄電池放電計(jì)劃曲線、交流側(cè)輸出功率調(diào)度計(jì)劃等。

圍繞上述BESS交互信息，IEC61850可以提供對(duì)應(yīng)的ACSI服務(wù)，如表1所示。表中“√”表示其所在行對(duì)應(yīng)的ACSI服務(wù)項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)其所在列對(duì)應(yīng)的信息交互功能。

表1 BESS信息交互及相應(yīng)的ACSI服務(wù)Table 1 BESS information exchange and corresponding ACSI service

1.3 信息交互體系

依據(jù)IEC61850提供的通信體系，BESS運(yùn)行時(shí)可采用設(shè)備層、間隔層以及系統(tǒng)層的信息交互分層結(jié)構(gòu)。圍繞該分層結(jié)構(gòu)，相應(yīng)形成的通信網(wǎng)絡(luò)包括設(shè)備層與間隔層通信網(wǎng)絡(luò)以及間隔層與系統(tǒng)層通信網(wǎng)絡(luò)。

a.設(shè)備層與間隔層通信網(wǎng)絡(luò)。支持IEC61850 GOOSE、SV通信規(guī)約的物理設(shè)備可以直接與間隔層IED進(jìn)行信息交互，以GOOSE報(bào)文傳輸BESS物理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息、開關(guān)量控制信息等，以SV報(bào)文傳輸BESS物理設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)SV。當(dāng)物理設(shè)備不支持IEC61850時(shí)，可以通過其RS-485、控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）等通信接口與間隔層IED交互相關(guān)信息。

b.間隔層與系統(tǒng)層通信網(wǎng)絡(luò)。IEC61850第8-1部分通過特殊通信服務(wù)映射SCSM（Specific Communication Service Mapping）實(shí)現(xiàn)ACSI的對(duì)象和服務(wù)到制造報(bào)文規(guī)范MMS（Manufacturing Message Specification）的映射，并利用局域網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。間隔層IED可以采用MMS報(bào)文向系統(tǒng)層傳輸BESS運(yùn)行過程中的各類型測(cè)量值與狀態(tài)信息，并接收系統(tǒng)層下達(dá)的設(shè)定值與控制指令，經(jīng)過解析后傳輸至相應(yīng)的BESS物理設(shè)備。

2 基于IEC61850的BESS LN

2.1 BESS典型應(yīng)用

BESS通常由儲(chǔ)能器件（如鉛酸蓄電池組）、控制設(shè)備（如蓄電池充電器、直流變換器）與其他輔助設(shè)備（如直流開關(guān)、斷路器）構(gòu)成，通過電氣連接點(diǎn)ECP（Electrical Connection Point）接入電網(wǎng)。 BESS 可以運(yùn)行在有功/無功功率（PQ）控制方式，按照功率調(diào)節(jié)指令參與系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度與能量?jī)?yōu)化；BESS也可以運(yùn)行在恒壓恒頻（V/f）控制方式，作為電壓源提供一定時(shí)間的系統(tǒng)電壓與頻率支撐，保證重要負(fù)荷的不間斷電力供應(yīng)。當(dāng)多個(gè)BESS并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可以采用PQ控制方式，也可以運(yùn)行在無互聯(lián)通信線的下垂控制方式，按照有功功率－頻率（P-f）下垂特性、無功功率－電壓（Q-U）下垂特性自動(dòng)均分負(fù)荷功率，實(shí)現(xiàn)多個(gè)BESS之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

當(dāng)BESS輸出功率時(shí)，其蓄電池充電器為直流變換器提供穩(wěn)定的直流電壓支撐。直流變換器運(yùn)行在逆變工作狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況以V/f控制方式、PQ控制方式或下垂控制方式運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 BESS放電狀態(tài)下的典型控制方式Fig.1 Typical control modes of BESS in discharging condition

當(dāng)蓄電池組充電時(shí)，受蓄電池物理特性的影響，不同SOC下BESS的充電方式不盡相同：蓄電池組電壓較低時(shí)通常采用恒電流控制方式以較大的限值電流進(jìn)行充電；當(dāng)蓄電池組SOC較高時(shí)，可轉(zhuǎn)入浮充或涓流充電即恒電壓控制方式；恒功率控制方式可以根據(jù)蓄電池組SOC的變化自動(dòng)調(diào)整充電電流，優(yōu)化蓄電池組的充電過程。直流變換器運(yùn)行在整流工作狀態(tài)，將ECP三相交流電壓變換為直流電壓，作為蓄電池充電器的輸入。蓄電池充電器根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況以恒功率控制方式、恒電流控制方式或恒電壓控制方式運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 BESS充電狀態(tài)下的典型控制方式Fig.2 Typical control modes of BESS in charging condition

2.2 BESS LN

依據(jù)BESS各組成物理設(shè)備的實(shí)際功能并結(jié)合IEC61850第7-420部分規(guī)定，BESS可以劃分為多個(gè)LD，如ECP、蓄電池系統(tǒng)、直流開關(guān)、直流變換器、斷路器、儲(chǔ)能控制器等。圖3描述了基于IEC61850的BESS LN構(gòu)成。

圖3 BESS LN的構(gòu)成Fig.3 Conceptual organization of BESS LNs

基于IEC61850的BESS LN擴(kuò)展類及LD中，采用DER控制器特性（DRCT）類描述BESS類型、電氣特性等信息；采用DER控制器狀態(tài)（DRCS）類描述BESS手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行方式、本地/遠(yuǎn)程控制方式等信息；采用DER監(jiān)視控制（DRCC）類描述BESS所具備的監(jiān)視控制功能。

直流開關(guān)連接直流變換器與蓄電池系統(tǒng)的功率主電路，其建?？刹捎瞄_關(guān)控制器（CSWI）類或隔離開關(guān)（XSWI）類；斷路器完成 BESS、電網(wǎng)、其他 DER及負(fù)荷之間的連接，其建?？刹捎脭嗦菲鳎╔CBR）類或CSWI類；BESS直流變換器建?？刹捎谜髌鳎╖RCT）類來描述直流變換器整流工作特性，或采用逆變器（ZINV）類來描述直流變換器逆變工作特性；蓄電池系統(tǒng)建?？刹捎肸BAT類以及ZBTC類分別描述蓄電池組特性、蓄電池充電器工作特性。

對(duì)保護(hù)、測(cè)量等二次設(shè)備進(jìn)行建模時(shí)，保護(hù)功能建?？刹捎玫椭茴l率（PTUF）類、高周頻率（PTOF）類等LN；測(cè)量功能建?？刹捎糜?jì)量（MMTR）類描述BESS統(tǒng)計(jì)或歷史數(shù)據(jù)信息，采用測(cè)量（MMXU）類描述BESS電流、電壓以及功率等電力運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用直流測(cè)量（MMDC）類、溫度測(cè)量（STMP）類、熱量測(cè)量（MHET）類等LN完成BESS不同類型的測(cè)量功能。

ECP模型用來描述BESS的公共屬性，如所有權(quán)、合同義務(wù)、額定容量、電氣連接類型（單相或三相）、操作權(quán)限以及能量/輔助服務(wù)計(jì)劃等。

IEC61850第7-420部分定義DRCT類來描述1種DER或同類型DER設(shè)備集合采用單個(gè)控制器時(shí)的控制特性與能力。DRCT類將部分關(guān)鍵參數(shù)作為強(qiáng)制M（Mandatory）DO，可以采用CDC為整數(shù)狀態(tài)定值（ING）的DO-DERNum來設(shè)定接入的BESS數(shù)量，采用CDC為ING的DO-DERtyp來設(shè)定接入的BESS類型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合BESS的實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)一步擴(kuò)展DRCT類的相關(guān)DO，增加DERtyp類型項(xiàng)，當(dāng)DRCT.DERtyp=6時(shí)表明接入的DER為BESS類型。DRCT擴(kuò)展類的具體結(jié)構(gòu)如表2所示。表中，T表示瞬態(tài)DO；O表示LN定義的DO是可選的；ASG為模擬定值；LLN0代表LD的公共數(shù)據(jù)。

表2 DRCT擴(kuò)展類Table 2 Extended DRCT classes

IEC61850第7-420部分定義DRCC類來完成DER運(yùn)行目標(biāo)值設(shè)定、控制方式切換、運(yùn)行啟動(dòng)/停止操作等通用功能。DRCC類的DO（M）中，可以采用CDC 為可控單點(diǎn)（SPC）的 DERStr、DERStop 分別控制BESS的投運(yùn)、停運(yùn)。結(jié)合2.1節(jié)分析結(jié)果，進(jìn)一步擴(kuò)展DRCC類的部分DO，增加CDC為可控枚舉（ENC）的ModeSet來設(shè)定BESS不同的控制方式：當(dāng)DRCC.ModeSet=1、DRCC.ModeSet=4 時(shí)，BESS 分別轉(zhuǎn)入PQ控制、充放電恒功率控制方式，并由DRCC.OutWSet、DRCC.OutVarSet分別確定有功、無功功率目標(biāo)設(shè)定值；當(dāng)DRCC.ModeSet=2、DRCC.ModeSet=6時(shí)，BESS分別轉(zhuǎn)入V/f、充放電恒電壓控制方式，并由DRCC.OutVSet、DRCC.OutHzSet分別提供電壓、頻率目標(biāo)設(shè)定值?；诖?，增加CDC為曲線設(shè)定（CSG）的DO-PfDroopSet、DO-QVDroopSet，在 DRCC.ModeSet=3即BESS轉(zhuǎn)下垂控制方式時(shí)，分別由DRCC.PfDroopSet、DRCC.QVDroopSet確定P-f下垂特性、Q-U下垂特性設(shè)定值；增加CDC為可控模擬設(shè)點(diǎn)信息（APC）的DO-OutASet，在 DRCC.ModeSet=5即 BESS轉(zhuǎn)入充放電恒電流控制方式時(shí)，由DRCC.OutASet提供電流目標(biāo)設(shè)定值。DRCC擴(kuò)展類的具體結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 DRCC擴(kuò)展類Table 3 Extended DRCC classes

3 基于IEC61850的BESS信息交互

3.1 IED信息模型

依據(jù)BESS各組成物理設(shè)備的實(shí)際功能，擴(kuò)展IEC61850相關(guān)LN類，在此基礎(chǔ)上利用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言 XML（eXtensible Mark-up Language）并且結(jié)合IEC61850頒布的XML語(yǔ)法規(guī)則，對(duì)BESS各LN類進(jìn)行實(shí)例化，確定所有關(guān)聯(lián)的DO以及DA數(shù)據(jù)信息。圖4給出了BESS部分LN類實(shí)例的XML描述，代碼如下。

BESS LNs通過一定的配置流程可以生成BESS IED信息模型所需的配置IED描述CID（Configured IED Description）文件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)BESS IED信息模型的自動(dòng)識(shí)別。CID文件配置流程如圖5所示，具體流程如下：

圖4 BESS部分LN類實(shí)例Fig.4 Instances of partial BESS LNs

圖5 CID文件配置流程Fig.5 Flowchart of CID file configuration

a.應(yīng)用BESS制造廠商所提供的IED配置工具，將擴(kuò)展的BESS LNs轉(zhuǎn)換為符合工程實(shí)施規(guī)范的IED 能力描述ICD（IED Capability Description）文件；

b.結(jié)合系統(tǒng)規(guī)范描述SSD（System Specification Description）文件和ICD文件，進(jìn)一步應(yīng)用系統(tǒng)集成商所提供的系統(tǒng)配置工具形成系統(tǒng)配置描述SCD（System Configuration Description）文件；

c.在步驟b的基礎(chǔ)上應(yīng)用IED配置工具將SCD文件轉(zhuǎn)化為CID文件（CID文件記錄BESS所有LNs的域名位置、數(shù)據(jù)類型等信息，并定義需要進(jìn)行信息交互的具體DataSet內(nèi)容及其RCB觸發(fā)方式與通信服務(wù)屬性），并下載至BESS對(duì)應(yīng)的IED。

3.2 信息交互

BESS運(yùn)行時(shí)其交互信息主要圍繞狀態(tài)信息、測(cè)量值以及控制指令等類型，BESS IED工作時(shí)載入信息模型CID文件，并提取其中的狀態(tài)信息DO、測(cè)量值DO以及控制DO的相關(guān)配置（狀態(tài)信息DO主要記錄BESS的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量值DO主要記錄BESS的運(yùn)行數(shù)據(jù)，控制DO主要調(diào)整BESS的運(yùn)行調(diào)節(jié)值與控制方式）。當(dāng)IED啟動(dòng)ACSI服務(wù)后，將BESS實(shí)際運(yùn)行工況的SV定期更新至DataSet對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信息DO與測(cè)量值DO，并依據(jù)RCB觸發(fā)方式與通信服務(wù)屬性觸發(fā)相應(yīng)報(bào)告；當(dāng)BESS接收到設(shè)置、控制請(qǐng)求時(shí)，DRCC.ModeSet響應(yīng)并解析獲取具體的BESS控制方式指令，DRCC.OutWSet、DRCC.OutVarSet等響應(yīng)并解析獲取具體的BESS運(yùn)行調(diào)節(jié)設(shè)定值，并更新對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)物理設(shè)備的設(shè)定與控制信息。圖6描述了基于ACSI的BESS信息交互實(shí)現(xiàn)流程（IHMI為人機(jī)接口），在完成可靠、快速信息交互的基礎(chǔ)上，BESS可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)一步完成相應(yīng)的運(yùn)行控制與管理。

圖6 信息交互示意圖Fig.6 Schematic diagram of information exchange

4 示范測(cè)試

采用如圖7所示的DER示范系統(tǒng)作為BESS測(cè)試研究平臺(tái)，該示范系統(tǒng)包含動(dòng)力負(fù)荷（峰值功率為23 kV·A）、照明負(fù)荷（峰值功率為 18 kV·A）、光伏發(fā)電陣列（額定容量為19 kWp）以及BESS（采用閥控鉛酸蓄電池組，其逆變器額定容量為50 kV·A），各電流為斷路器對(duì)應(yīng)的額定電流。示范系統(tǒng)中，BESS與其他各組成單元均配置IED并載入對(duì)應(yīng)的信息模型CID文件，各IED通過以太網(wǎng)與示范系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)EMS（Energy Management System）進(jìn)行通信互聯(lián)。

圖8描述了BESS采用PQ控制方式時(shí)的示范系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)曲線，該時(shí)段內(nèi)EMS的運(yùn)行目標(biāo)為控制示范系統(tǒng)與配電網(wǎng)公共連接點(diǎn)（PCC）無交互功率，即當(dāng)示范系統(tǒng)出現(xiàn)光伏發(fā)電輸出功率波動(dòng)、負(fù)荷變化等情況時(shí)，EMS將動(dòng)態(tài)調(diào)整BESS的輸出功率以維持PCC交互功率恒定為0。由圖8可知，BESS IED信息模型能夠準(zhǔn)確解析EMS下達(dá)的控制方式指令與運(yùn)行調(diào)節(jié)設(shè)定值：當(dāng)接收到EMS下達(dá)的PQ控制方式指令時(shí)，其信息模型中的控制DO-DRCC.ModeSet設(shè)定為1，信息模型中的控制DO-DRCC.OutWSet、DO-DRCC.OutVarSet響應(yīng) EMS 下達(dá)的功率設(shè)定值并進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，進(jìn)而調(diào)整BESS直流變換器的有功/無功功率設(shè)定值，以緩沖光伏發(fā)電出力變化、負(fù)荷投切等狀況引起的示范系統(tǒng)功率波動(dòng)，維持其PCC交互功率恒定。

圖7 DER示范系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of DER demonstration system

圖8 BESS采用PQ控制方式時(shí)，示范系統(tǒng)各單元功率Fig.8 Power curve of demonstration system in PQ control mode for different units

當(dāng)示范系統(tǒng)接受EMS調(diào)度轉(zhuǎn)入離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，BESS將采用V/f控制方式為示范系統(tǒng)提供一定時(shí)間的電壓與頻率支撐。圖9描述了BESS采用V/f控制方式時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，當(dāng)BESS IED接收到EMS下達(dá)的V/f控制方式指令時(shí)，其信息模型中的控制DODRCC.ModeSet設(shè)定為2，信息模型中的控制DODRCC.OutHzSet、DO-DRCC.OutVSet分別響應(yīng) EMS 下達(dá)的系統(tǒng)頻率、電壓幅值設(shè)定值，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，以調(diào)整BESS直流變換器的輸出電壓。圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BESS能夠快速響應(yīng)EMS的控制指令，在2個(gè)工頻周期內(nèi)建立示范系統(tǒng)電壓（頻率50.0 Hz，有效值224.1 V）并提供穩(wěn)定支撐。

圖9 BESS采用V/f控制方式時(shí)的電壓波形Fig.9 Voltage waveform of demonstration system in V/f control mode

圖10描述了BESS采用充放電恒功率控制方式時(shí)的示范系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)曲線，其中EMS在09∶58∶00前的時(shí)段對(duì)BESS進(jìn)行4 kW恒功率充電，在09∶58∶00時(shí)下達(dá)9 kW恒功率充電指令。由圖10可知，BESS IED信息模型能夠準(zhǔn)確解析EMS控制指令：當(dāng)接收到EMS下達(dá)的充放電恒功率控制方式指令時(shí)，其信息模型中的控制DO-DRCC.ModeSet設(shè)定為4，信息模型中的控制DO-DRCC.OutWSet響應(yīng)EMS下達(dá)的充放電恒功率設(shè)定值并進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，進(jìn)而控制BESS蓄電池充電器的功率輸出、完成對(duì)BESS的充放電恒功率控制。

圖10 BESS采用充放電恒功率控制方式時(shí)，示范系統(tǒng)各單元功率Fig.10 Power curve of demonstration system in constant power control mode for different units

上述示范系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，BESS IED能夠準(zhǔn)確、可靠地與EMS進(jìn)行信息交互，一方面，BESS IED信息模型中的控制DO能夠快速響應(yīng)EMS控制指令，并動(dòng)態(tài)更新BESS不同控制方式下對(duì)應(yīng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)值，完成相應(yīng)的運(yùn)行目標(biāo)；另一方面，BESS IED信息模型中的狀態(tài)信息DO與測(cè)量值DO能夠依據(jù)預(yù)設(shè)的RCB觸發(fā)方式與通信服務(wù)屬性，將BESS實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行數(shù)據(jù)完整地向EMS進(jìn)行反饋。EMS獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠反映BESS的真實(shí)工況，為BESS性能測(cè)試、控制方式調(diào)整以及綜合決策分析提供可靠的信息源。

5 結(jié)論

IEC61850提供標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)語(yǔ)言、通信服務(wù)與體系結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)多類型儲(chǔ)能設(shè)備的信息建模及標(biāo)準(zhǔn)化信息交互提供了新的解決方案。IEC61850第7部分定義了變電站和饋線裝置基本LN類，IEC61850第7-420部分定義了分散式儲(chǔ)能設(shè)備的基本LN類。本文針對(duì)BESS的應(yīng)用需求擴(kuò)展了相關(guān)LN類，并充分考慮BESS的典型運(yùn)行方式，從BESS整體的角度出發(fā)構(gòu)建了基于IEC61850的BESS IED信息模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了BESS信息交互的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，BESS IED信息模型能夠完成BESS與系統(tǒng)EMS之間快速、準(zhǔn)確的信息交互，為完成不同狀況下BESS整體的運(yùn)行控制與管理提供可靠、高效的信息交互手段，進(jìn)而更為快捷地實(shí)現(xiàn)多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠集成。本文構(gòu)建的BESS IED信息模型可以靈活擴(kuò)展，能夠快速完成BESS新增運(yùn)行方式、控制功能完善等功能，為多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的“即插即用”提供有效的技術(shù)手段與解決方案。