智能电网中远动控制的 研究与应用

文:万可电子 ( 天津 ) 有限公司2020年第三期

电力系统是国民经济生产生活中不可缺少的重要组成部分,它的安全、稳定、经济运行具有十分重要的意义。而智能电网作为一种新型的技术,在当今信息化社会的驱使下,成为世界各国竞相发展的一个重点领域。智能电网对于应对全球气候变化,促进世界经济社会可持续发展具有重要作用。通过将信息技术和电力技术的完美融合,对现有的能源系统进行优化分配,实现电网资产高效利用和全寿命周期管理,实现高度智能化的电网调度,适应并促进清洁能源发展。

在能源转型过程中,不仅在技术层面,电网各方之间也需要进行通信:为了应对日益增加的分散化趋势以及电网的波动性,智能电网中能源系统的各组件之间必须实现互联。电力行业智能化的第一步:通过现代自动化技术、整合分布式电力供应商、智能配电变电站和虚拟电厂来优化配电网控制。这就急需一种公共语言来实现各设备之间的通讯,此前,世界自动化分布式能源(DER)使用各种“语言”通信。日益国际化的能源市场已经导致出现多种通信协议和接口问题。

IEC60870/61850/61400标准建立了一个用于基础设施的自动化全球通信标准,他实现了各电力设备厂商通过对设备的一系列规范化,使其形成一个规范的输出,实现系统的无缝连接。自从1990年中期以来,德国万可公司(WAGO)已成功地将这些远动控制协议融入到精选的模块化控制器中,全部WAGO远动控制器都支持IEC60870-5-101/-104、IEC61850和IEC61400-25远动控制协议,PLC程序员可通过编程即可实现通讯和状态监控。针对不想编写PLC程序的用户,也可以通过配置工具简化配置协议。

1.智能电网

近几年新能源或者可再生能源的发展一直是非常有活力的,并且分布式能源已经变得日益重要,尤其是风能和太阳能。网络基础设施也必须适应这些新的需求。现代智能的电网组织对于控制、负荷分配、存储和发电的发展有了新的定义。

通过联网一些分布式发电站,甚至是小生产者可以参与能源市场,促进市场竞争。分布式能源生产改变能源市场结构,并为社区和区域能源公司开拓新的业务领域提供了机会。例如:产生和分配电力及热能,创建网络运营商的增值。

然而,这些发展也导致传输数据量和通信任务的增加,智能电网和整个网络必须保持稳定和无缝操作,这些能够保证电网运行顺畅,同时也面临着新的挑战。这些挑战包括增加的负荷和通过分布式和/或依赖于天气的发电场的大量应用,导致发电量难以预测。所有这些功能的实现都要基于一个非常强大的通信网络来实现。智能电网也就应运而生(图1),它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和保护用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

2.远动控制协议分类

目前全球通用的远动控制协议如表1所示。

国内主流在使用的是IEC60870/104和IEC61850/GOOSE/MMS,国内电力继保两大巨头许继和南瑞也都在积极推动这两个协议。WAGO的控制器支持所有的电力控制规约,今天由于篇幅的关系,本文主要介绍一下WAGO作为主控制器在变压器上IEC61850的应用。

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表1 远动控制协议种类

3.WAGO解决方案

3.1 WAGO公司介绍

创建于1951年,总部座落于德国的MIND EN市的WAGO公司,是德国专业从事以独创的笼式弹簧压力技术为特征的电连接器、电子模块和IO系统的跨国公司。其中IO系统就包括支持远动控制协议以及多种工厂自动化常用的总线系统的的PLC,和各种各样的远程IO模块等。德国万可提供的远程控制方案主要是由3部分组成(图2)。第一部分是支持IEC61850/60870的远动控制器,也就是我们常说的PLC,型号是750-8202/025-001。该产品是一款工业级的控制器,可以工作在-20到+60度的恶劣环境,且抗干扰能力强,稳定可靠,完全适用于电力行业。第二部分是IO模块,包括开关量的输入输出和模拟量的输出输出以及一些特殊功能模块,像串口模块等,可以通过这些模块来采集现场信号或者跟现场别的电力仪表通讯。第三部分是终端模块,他的作用是保证整套节点通讯的完整性。我们可以通过在控制器里进行简单的组态配置生成PLC代码,将现场的IO信号通过模块传递到后台监控系统。

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图2 万可远程控制方案结构图

3.2 WAGO方案的优势

● PFC200控制器均采用跨平台实时Linux系统和CODESYS PLC runtime可同时进行PLC语言编程和C/C++编程;

● 具有多种接口并支持多种协议:CANopen,PROFIBUS DP,DeviceNet,MODBUS TCP,IEC60870,IEC61850和DNP3.0,可以进行电力规约和工业通讯的转换;

● 集成VPN功能:可直接通过IPsec或OpenVPN实现VPN访问。直接通过SSL/TLS1.2加密在控制器中进行数据编码。网络安全:加密技术符合欧洲最为严格的能源和安全规范——BDEW和BSI标准;

● 并行数据访问:通过MQTT或OPC UA将数据传输至云端,也可通过无线方式传输数据;

● 双LAN端口:独立ETHERNET接口允许创建并行网络;

● 基于Web的管理系统可设置密码保护以防止未授权用户更改系统设置;

● 轻松满足不同电网运营商对于有功功率馈入和无功功率的多种要求。根据特性进行cosφ或Q/U控制(无功功率控制);

● 通过MODBUS TCP/RTU或其他现场总线协议集成中高压外部测量系统(电网测量设备、短路指示器、网络和系统保护);

● 通过三相电力测量模块记录低压性能数据。

该方案可以通过在控制器里进行简单的组态配置生成PLC代码,将现场的IO信号通过模块传递到后台监控系统。

4.IEC61850配置步骤

4.1 硬件750-8202/025-001

750-1405

750-1504

750-600

软件Codesys2.3.9.55

IEDScout

DemoWinPP104

4.2 配置过程

打开Codesys新建一个项目选择目标为750-8202/025-001,打开PLC配置界面选择IEC61850后自动弹出配置器。在这个配置界面我们可以看到三部分,Selection部分是用来选择设备的地方;Configuration部分是用来组态设备的地方,在这里我们可以看到添加的设备和对象;Features部分可对选中设备的参数进行调整,在这里我们可以看到最大可以连接5个Client,这个数量需要根据实际情况来设置(图3)。

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图3 配置界面图

选中Server标签,通过+将左面的LD(LogicalDevice)添加到WAGO61850Server下面,Sever的Name和LD的Name都可以根据客户要求来修改(图4)。

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图4 Server标签界面图

选中Device通过+将左边的LN(LogicalNode)添加到Device下面(图5)。在这里我们可以根据需要添加不同的LN,在这里我们一般选用GGIO(Generic ProcessI/O)。

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图5 LN(LogicalNode)界面

选中GGIO1通过+将左面的数据对象添加到GGIO1下面(图6)。这里面我们常用的是模拟量AnIn和开关量Ind。

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图6 GGIO1界面图

给模拟量和开关量定义变量名,方便以后调用(图7)。

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图7 定义变量名

分别选中LLN0下面的GOOSE和DataSet01文件夹,再通过+添加一个GOOSE包(Gooseblock01)和一个数据包(DataSet01)GOOSE包,需要设置TargetMAC和AppID以及GOOSEID,这三个参数根据后台来设置(图8)。然后在DataSet处选择关联之前加入的数据包。

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图8 在后台设置TargetMAC和AppID以及GOOSEID三个参数

选中新加入的数据包通过+将左面之前添加好的开关量和模拟量加到DataSet01下,Server配置完成(图9)。这里要说明的是:Server是要把数据发送给后台的,要想实现从后台接受数据,则要在Subscriber里配置。

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图9 Server配置完成

Subscriber配置步骤跟Server基本差不多,也是要重复前面几步,这里面要注意的是,TargetMAC和AppID需要根据后台来设置,一般跟Server是不一样的,点击“保存”生成一个ICD文件,这个文件要导入Subscriber中去(图10)。

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图10 Subscriber配置界面图

打开Subscriber标签点击“Import”(图11),选中之前保存到icd文件,导入成功后,会在窗口里看到建好的变量,起好变量名字然后点“OK”保存编译,没有错误的话会自动生成代码。设置好通讯参数后将程序下载到PLC运行程序。

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图11 Subscriber变量窗口

4.3 通讯测试

安装IEDScout模拟后台进行通讯测试(图12)。打开软件后点击DiscoverIED,输入控制器的IP地址点击Discover。

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图12 IEDScout模拟后台界面

软件会自动发现61850服务器,点击Online-read,可以看到Codesys发送的数据已经读上来了(图13)。

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图13 数据发送界面

发送数据在Simulator测试,点击Setvalues输入值以后,点击“Start”去掉test模式,就可以看到Codesys中已经接受到数据(图14)。

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图14 数据接收界面

MMS测试方法跟GOOSE差不多,不同的是不需要配置GOOSE,而是在Reports里添加一个报告包(图15)。ReportID自动生成,Name可以自己起。关联好数据包,如果需要缓存上传,则勾选Buffered。跟GOOSE一样Server是控制器发给后台,后台发给控制器在Client里配置。测试通讯部分可参考GOOSE。

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图15 MMS测试界面图

5.结束语

智能电网作为一种新兴技术目前已经在全球范围内广泛推广,它的出现必将是给我国的电力系统带来革命性的改变。WAGO推出的远动控制器可以提供完整的电力解决方案,能够给国家电网带来更多的可能性和选择。

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