電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，它的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。而智能電網(wǎng)作為一種新型的技術(shù)，在當(dāng)今信息化社會的驅(qū)使下，成為世界各國競相發(fā)展的一個重點(diǎn)領(lǐng)域。智能電網(wǎng)對于應(yīng)對全球氣候變化，促進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。通過將信息技術(shù)和電力技術(shù)的完美融合，對現(xiàn)有的能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分配，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)資產(chǎn)高效利用和全壽命周期管理，實(shí)現(xiàn)高度智能化的電網(wǎng)調(diào)度，適應(yīng)并促進(jìn)清潔能源發(fā)展。

在能源轉(zhuǎn)型過程中，不僅在技術(shù)層面，電網(wǎng)各方之間也需要進(jìn)行通信：為了應(yīng)對日益增加的分散化趨勢以及電網(wǎng)的波動性，智能電網(wǎng)中能源系統(tǒng)的各組件之間必須實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。電力行業(yè)智能化的第一步：通過現(xiàn)代自動化技術(shù)、整合分布式電力供應(yīng)商、智能配電變電站和虛擬電廠來優(yōu)化配電網(wǎng)控制。這就急需一種公共語言來實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的通訊，此前，世界自動化分布式能源(DER)使用各種“語言”通信。日益國際化的能源市場已經(jīng)導(dǎo)致出現(xiàn)多種通信協(xié)議和接口問題。

IEC60870/61850/61400標(biāo)準(zhǔn)建立了一個用于基礎(chǔ)設(shè)施的自動化全球通信標(biāo)準(zhǔn)，他實(shí)現(xiàn)了各電力設(shè)備廠商通過對設(shè)備的一系列規(guī)范化，使其形成一個規(guī)范的輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接。自從1990年中期以來，德國萬可公司（WAGO）已成功地將這些遠(yuǎn)動控制協(xié)議融入到精選的模塊化控制器中，全部WAGO遠(yuǎn)動控制器都支持IEC60870-5-101/-104、IEC61850和IEC61400-25遠(yuǎn)動控制協(xié)議，PLC程序員可通過編程即可實(shí)現(xiàn)通訊和狀態(tài)監(jiān)控。針對不想編寫PLC程序的用戶，也可以通過配置工具簡化配置協(xié)議。

1.智能電網(wǎng)

近幾年新能源或者可再生能源的發(fā)展一直是非常有活力的，并且分布式能源已經(jīng)變得日益重要，尤其是風(fēng)能和太陽能。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施也必須適應(yīng)這些新的需求。現(xiàn)代智能的電網(wǎng)組織對于控制、負(fù)荷分配、存儲和發(fā)電的發(fā)展有了新的定義。

通過聯(lián)網(wǎng)一些分布式發(fā)電站，甚至是小生產(chǎn)者可以參與能源市場，促進(jìn)市場競爭。分布式能源生產(chǎn)改變能源市場結(jié)構(gòu)，并為社區(qū)和區(qū)域能源公司開拓新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供了機(jī)會。例如：產(chǎn)生和分配電力及熱能，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的增值。

然而，這些發(fā)展也導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)量和通信任務(wù)的增加，智能電網(wǎng)和整個網(wǎng)絡(luò)必須保持穩(wěn)定和無縫操作，這些能夠保證電網(wǎng)運(yùn)行順暢，同時也面臨著新的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括增加的負(fù)荷和通過分布式和/或依賴于天氣的發(fā)電場的大量應(yīng)用，導(dǎo)致發(fā)電量難以預(yù)測。所有這些功能的實(shí)現(xiàn)都要基于一個非常強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。智能電網(wǎng)也就應(yīng)運(yùn)而生（圖1），它是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)，其主要特征包括自愈、激勵和保護(hù)用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運(yùn)行。

2.遠(yuǎn)動控制協(xié)議分類

目前全球通用的遠(yuǎn)動控制協(xié)議如表1所示。

國內(nèi)主流在使用的是IEC60870/104和IEC61850/GOOSE/MMS,國內(nèi)電力繼保兩大巨頭許繼和南瑞也都在積極推動這兩個協(xié)議。WAGO的控制器支持所有的電力控制規(guī)約，今天由于篇幅的關(guān)系，本文主要介紹一下WAGO作為主控制器在變壓器上IEC61850的應(yīng)用。

表1 遠(yuǎn)動控制協(xié)議種類

3.WAGO解決方案

3.1 WAGO公司介紹

創(chuàng)建于1951年，總部座落于德國的MIND EN市的WAGO公司，是德國專業(yè)從事以獨(dú)創(chuàng)的籠式彈簧壓力技術(shù)為特征的電連接器、電子模塊和IO系統(tǒng)的跨國公司。其中IO系統(tǒng)就包括支持遠(yuǎn)動控制協(xié)議以及多種工廠自動化常用的總線系統(tǒng)的的PLC，和各種各樣的遠(yuǎn)程IO模塊等。德國萬可提供的遠(yuǎn)程控制方案主要是由3部分組成（圖2）。第一部分是支持IEC61850/60870的遠(yuǎn)動控制器，也就是我們常說的PLC，型號是750-8202/025-001。該產(chǎn)品是一款工業(yè)級的控制器，可以工作在-20到+60度的惡劣環(huán)境，且抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，完全適用于電力行業(yè)。第二部分是IO模塊，包括開關(guān)量的輸入輸出和模擬量的輸出輸出以及一些特殊功能模塊，像串口模塊等，可以通過這些模塊來采集現(xiàn)場信號或者跟現(xiàn)場別的電力儀表通訊。第三部分是終端模塊，他的作用是保證整套節(jié)點(diǎn)通訊的完整性。我們可以通過在控制器里進(jìn)行簡單的組態(tài)配置生成PLC代碼，將現(xiàn)場的IO信號通過模塊傳遞到后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2 萬可遠(yuǎn)程控制方案結(jié)構(gòu)圖

3.2 WAGO方案的優(yōu)勢

● PFC200控制器均采用跨平臺實(shí)時Linux系統(tǒng)和CODESYS PLC runtime可同時進(jìn)行PLC語言編程和C/C++編程；

● 具有多種接口并支持多種協(xié)議：CANopen,PROFIBUS DP,DeviceNet,MODBUS TCP,IEC60870,IEC61850和DNP3.0，可以進(jìn)行電力規(guī)約和工業(yè)通訊的轉(zhuǎn)換；

● 集成VPN功能：可直接通過IPsec或OpenVPN實(shí)現(xiàn)VPN訪問。直接通過SSL/TLS1.2加密在控制器中進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。網(wǎng)絡(luò)安全：加密技術(shù)符合歐洲最為嚴(yán)格的能源和安全規(guī)范——BDEW和BSI標(biāo)準(zhǔn)；

● 并行數(shù)據(jù)訪問：通過MQTT或OPC UA將數(shù)據(jù)傳輸至云端，也可通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)；

● 雙LAN端口：獨(dú)立ETHERNET接口允許創(chuàng)建并行網(wǎng)絡(luò)；

● 基于Web的管理系統(tǒng)可設(shè)置密碼保護(hù)以防止未授權(quán)用戶更改系統(tǒng)設(shè)置；

● 輕松滿足不同電網(wǎng)運(yùn)營商對于有功功率饋入和無功功率的多種要求。根據(jù)特性進(jìn)行cosφ或Q/U控制（無功功率控制）；

● 通過MODBUS TCP/RTU或其他現(xiàn)場總線協(xié)議集成中高壓外部測量系統(tǒng)（電網(wǎng)測量設(shè)備、短路指示器、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)保護(hù)）；

● 通過三相電力測量模塊記錄低壓性能數(shù)據(jù)。

該方案可以通過在控制器里進(jìn)行簡單的組態(tài)配置生成PLC代碼，將現(xiàn)場的IO信號通過模塊傳遞到后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

4.IEC61850配置步驟

4.1 硬件750-8202/025-001

750-1405

750-1504

750-600

軟件Codesys2.3.9.55

IEDScout

DemoWinPP104

4.2 配置過程

打開Codesys新建一個項(xiàng)目選擇目標(biāo)為750-8202/025-001，打開PLC配置界面選擇IEC61850后自動彈出配置器。在這個配置界面我們可以看到三部分，Selection部分是用來選擇設(shè)備的地方；Configuration部分是用來組態(tài)設(shè)備的地方，在這里我們可以看到添加的設(shè)備和對象；Features部分可對選中設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在這里我們可以看到最大可以連接5個Client，這個數(shù)量需要根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)置（圖3）。

圖3 配置界面圖

選中Server標(biāo)簽，通過+將左面的LD(LogicalDevice)添加到WAGO61850Server下面，Sever的Name和LD的Name都可以根據(jù)客戶要求來修改（圖4）。

圖4 Server標(biāo)簽界面圖

選中Device通過+將左邊的LN（LogicalNode）添加到Device下面（圖5）。在這里我們可以根據(jù)需要添加不同的LN，在這里我們一般選用GGIO（Generic ProcessI/O）。

圖5 LN（LogicalNode）界面

選中GGIO1通過+將左面的數(shù)據(jù)對象添加到GGIO1下面（圖6）。這里面我們常用的是模擬量AnIn和開關(guān)量Ind。

圖6 GGIO1界面圖

給模擬量和開關(guān)量定義變量名，方便以后調(diào)用（圖7）。

圖7 定義變量名

分別選中LLN0下面的GOOSE和DataSet01文件夾，再通過+添加一個GOOSE包（Gooseblock01）和一個數(shù)據(jù)包（DataSet01）GOOSE包，需要設(shè)置TargetMAC和AppID以及GOOSEID，這三個參數(shù)根據(jù)后臺來設(shè)置（圖8）。然后在DataSet處選擇關(guān)聯(lián)之前加入的數(shù)據(jù)包。

圖8 在后臺設(shè)置TargetMAC和AppID以及GOOSEID三個參數(shù)

選中新加入的數(shù)據(jù)包通過+將左面之前添加好的開關(guān)量和模擬量加到DataSet01下，Server配置完成（圖9）。這里要說明的是：Server是要把數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺的，要想實(shí)現(xiàn)從后臺接受數(shù)據(jù)，則要在Subscriber里配置。

圖9 Server配置完成

Subscriber配置步驟跟Server基本差不多，也是要重復(fù)前面幾步，這里面要注意的是，TargetMAC和AppID需要根據(jù)后臺來設(shè)置，一般跟Server是不一樣的，點(diǎn)擊“保存”生成一個ICD文件，這個文件要導(dǎo)入Subscriber中去（圖10）。

圖10 Subscriber配置界面圖

打開Subscriber標(biāo)簽點(diǎn)擊“Import”（圖11），選中之前保存到icd文件，導(dǎo)入成功后，會在窗口里看到建好的變量，起好變量名字然后點(diǎn)“OK”保存編譯，沒有錯誤的話會自動生成代碼。設(shè)置好通訊參數(shù)后將程序下載到PLC運(yùn)行程序。

圖11 Subscriber變量窗口

4.3 通訊測試

安裝IEDScout模擬后臺進(jìn)行通訊測試（圖12）。打開軟件后點(diǎn)擊DiscoverIED，輸入控制器的IP地址點(diǎn)擊Discover。

圖12 IEDScout模擬后臺界面

軟件會自動發(fā)現(xiàn)61850服務(wù)器，點(diǎn)擊Online-read，可以看到Codesys發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀上來了（圖13）。

圖13 數(shù)據(jù)發(fā)送界面

發(fā)送數(shù)據(jù)在Simulator測試，點(diǎn)擊Setvalues輸入值以后，點(diǎn)擊“Start”去掉test模式，就可以看到Codesys中已經(jīng)接受到數(shù)據(jù)（圖14）。

圖14 數(shù)據(jù)接收界面

MMS測試方法跟GOOSE差不多，不同的是不需要配置GOOSE，而是在Reports里添加一個報告包（圖15）。ReportID自動生成，Name可以自己起。關(guān)聯(lián)好數(shù)據(jù)包，如果需要緩存上傳，則勾選Buffered。跟GOOSE一樣Server是控制器發(fā)給后臺，后臺發(fā)給控制器在Client里配置。測試通訊部分可參考GOOSE。

圖15 MMS測試界面圖

5.結(jié)束語

智能電網(wǎng)作為一種新興技術(shù)目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛推廣，它的出現(xiàn)必將是給我國的電力系統(tǒng)帶來革命性的改變。WAGO推出的遠(yuǎn)動控制器可以提供完整的電力解決方案，能夠給國家電網(wǎng)帶來更多的可能性和選擇。