陶 順，鄭嘉煒，陳 萌，肖湘寧

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

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面向有源配電網(wǎng)的公共信息模型擴展

陶 順，鄭嘉煒，陳 萌，肖湘寧

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

0 引 言

能源互聯(lián)網(wǎng)將由大量分布式發(fā)電裝置、能量儲存裝置和各種類型負(fù)荷構(gòu)成的電力網(wǎng)絡(luò)與石油網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等一次能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，它集中運用了當(dāng)今先進(jìn)的電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù)，以實現(xiàn)雙向的能量交換與信息數(shù)據(jù)的對等共享。能源互聯(lián)網(wǎng)的典型特征是開放、互聯(lián)、對等、分享[1-2]。

有源配電網(wǎng)的發(fā)展對構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)具有重要的意義，而數(shù)據(jù)在各種設(shè)備和應(yīng)用之間有效的傳遞是實現(xiàn)有源配電網(wǎng)智能控制、優(yōu)化運行的基礎(chǔ)。隨著配電網(wǎng)自動化水平的不斷提高，不同配電網(wǎng)管理系統(tǒng)信息交互的困難成為阻礙有源配電網(wǎng)發(fā)展的重要因素，原因在于有源配電網(wǎng)不同數(shù)據(jù)來源的數(shù)據(jù)特征及精度特性不同導(dǎo)致了不同數(shù)據(jù)的兼容性問題，同時不同管理系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究設(shè)備信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化問題是提高配電自動化水平、促進(jìn)有源配電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。

IEC61970和IEC61968標(biāo)準(zhǔn)的公共信息模型(common information model，CIM)給出了電力系統(tǒng)設(shè)備、用戶模型及相互關(guān)系[3-6]，經(jīng)過不斷的改進(jìn)，滿足了EMS(energy management system,能量管理系統(tǒng))的信息交換需求，但對于新型的分布式電源、直流微網(wǎng)設(shè)備等，現(xiàn)有的模型已不能滿足要求，因而需要進(jìn)一步擴展。

文獻(xiàn)[7]對電力系統(tǒng)直流元件進(jìn)行了模型擴展，但沒有涉及直流微網(wǎng)中設(shè)備的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]以支路的形式擴展了分布式電源和微電網(wǎng)的模型，但沒有考慮分布式電源和控制系統(tǒng)的關(guān)系。文獻(xiàn)[9]建立了分布式電源和儲能系統(tǒng)模型，但模型不夠完整，如沒有描述分布式電源與儲能設(shè)備之間的關(guān)系。另外，文中并沒有被涉及超級電容器儲能。文獻(xiàn)[10]對配電網(wǎng)設(shè)備和分布式電源及儲能系統(tǒng)進(jìn)行了擴展，但分布式發(fā)電設(shè)備模型中各類之間的關(guān)聯(lián)不夠細(xì)致。文獻(xiàn)[11]從IEC61850與CIM融合的角度擴展分布式電源的發(fā)電、控制和勵磁模型以及分布式電源電氣連接點(ECP)的公共信息模型，但單純對于CIM來說，勵磁模型、電氣連接點模型等并不必要，增加了CIM的復(fù)雜程度。

對于上述問題，本文對分布式發(fā)電和儲能設(shè)備、電動汽車充電站及直流微網(wǎng)設(shè)備的CIM模型進(jìn)行了擴展，以滿足這些設(shè)備在EMS中的信息需求。

1 分布式電源

1.1 儲能設(shè)備

為描述對一些可控設(shè)備的控制需求和功能，本文新建了Control(控制)包，用于建立電力系統(tǒng)中所有可控設(shè)備的控制系統(tǒng)和控制裝置。擴展ControlDevice(控制設(shè)備)基類，繼承自IdentifiedObject類。一些設(shè)備的控制裝置包含很多部分，因此控制設(shè)備包括各種控制模塊(ControlModule)，用于描述更具體的控制單元。

圖2 蓄電池儲能電站的模型

新建EnergyStorageUnit類描述能量儲存單元，派生自GeneratingUnit類，蓄電池儲能電站、超級電容器儲能電站都是其子類，反映出其可進(jìn)行能量輸入和輸出雙向調(diào)度的特性。

1.2 蓄電池儲能模型

本文對已有的蓄電池模型進(jìn)行擴展，見圖1。實線框為擴展的CIM類，虛線框為已有CIM類。蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，可歸類到原動機。蓄電池的控制設(shè)備是BMS(Battery Management System，蓄電池管理系統(tǒng))，于是新建BMS類，繼承自ControlDevice類。BMS類與是聚集關(guān)系，這表示一組蓄電池可以對應(yīng)多種蓄電池管理系統(tǒng)。變流器將蓄電池的電能輸出到交流電網(wǎng)，因此建立Battery類與變流器(RectifierInverter)類的關(guān)聯(lián)關(guān)系。蓄電池在不同溫度和濕度下有不同的充放電曲線，于是新建BatteryChargingCurve類和BatterydisChargingCurve類，它們與Battery類關(guān)聯(lián)。

圖2為蓄電池儲能電站的模型。BatteryEnergyStorageUnit(蓄電池儲能單元)類從新建的EnergyStorageUnit類繼承，包含蓄電池類和變流器類。BESPlant(蓄電池儲能電站)類派生自PowerSystemResource類。Charging-disChargingSchedule類派生于RegularIntervalSchedule類，用于蓄電池儲能單元的經(jīng)濟調(diào)度。

圖1 蓄電池擴展的模型

1.3 超級電容器儲能模型

超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，屬于原動機[12]。擴展Supercapacitor(超級電容器)類，繼承于原動機類，超級電容器的固有屬性見表1，其模型見圖3。擴展超級電容器控制器(SCController)類，用于控制超級電容器的充放電過程，與超級電容器類是聚集關(guān)系。超級電容器同樣有充放電曲線，于是新建超級電容器充電曲線(SCChargingCurve)類和超級電容器放電曲線(SCdisChargingCurve)類，它們與超級電容器類是聚集關(guān)系。

表1 超級電容器類的固有屬性

圖3 超級電容器模型

建立超級電容器儲能電站的方法與蓄電池儲能電站類似，這里不再詳述。

1.4 風(fēng)電站

風(fēng)電是利用最廣泛的分布式電源，風(fēng)電站是利用自然風(fēng)能發(fā)電的設(shè)備聚集。本文將詳細(xì)分析風(fēng)電站特點并建立模型，其他類型分布式電源不詳述。

圖4顯示了風(fēng)力發(fā)電模型。擴展類WindPlant繼承自PowerSystemResource類，描述風(fēng)電場。風(fēng)電站的發(fā)電機可以是同步電機或異步電機，因此風(fēng)電機組類與同步電機類和異步電機類聚集。風(fēng)力機是風(fēng)電機組的關(guān)鍵設(shè)備，新建WindTurbine(風(fēng)力機)類，聚集于風(fēng)電機組。風(fēng)電站通過變流器并網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電機組類與變流器類也是聚集關(guān)系。考慮到電網(wǎng)在負(fù)荷低谷期可能會棄風(fēng)的情況，在風(fēng)電站中配備儲能設(shè)備用于儲存發(fā)出的風(fēng)電，可以在負(fù)荷高峰期放電保證供電需求，減少風(fēng)電的浪費，提高經(jīng)濟效益。擴展WindPlant類與EnergyStorageUnit類的聚集關(guān)系。擴展WindGeneratingForecastCurve類描述風(fēng)力發(fā)電年發(fā)電量預(yù)測曲線。WindSpeedVSPowerForecastCurve類描述風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測曲線，其通過預(yù)測風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電輸出功率來估算風(fēng)力發(fā)電量，從而制定合理的運行計劃和擴建規(guī)劃，獲得最大的經(jīng)濟效益。這兩個曲線類均繼承于Curve類，與WindPlant類是聚集關(guān)系。風(fēng)力發(fā)電機組需要對發(fā)出的電能進(jìn)行控制以滿足并網(wǎng)要求，擴展以下風(fēng)力發(fā)電機組的屬性：機組出端電壓、功率因數(shù)下限。同時風(fēng)力發(fā)電機組可按不同發(fā)電控制模式，增加風(fēng)力發(fā)電機組的屬性windUnitControlMode(風(fēng)力發(fā)電機組控制模式)，在Production(生產(chǎn))包中擴展枚舉類WindUnitControlMode(風(fēng)力發(fā)電機組控制模式)，其可能值有ApparentPowerControl(視在功率控制)、ActivePowerControl(有功功率控制)。風(fēng)力發(fā)電機組類擴展的屬性見表2。

圖5是風(fēng)力機模型。表3為風(fēng)力機類的屬性。風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機械能，屬于原動機。發(fā)電機再將風(fēng)力機提供的機械能轉(zhuǎn)化為電能，因此建立風(fēng)力機類與同步電機類和異步電機類的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時擴展風(fēng)力機的曲線類WindTurbineUtilizationFactorCurve類、WindTuthineLeafSpeedRateCurve類和WindTurbinePowerCurve類，描述風(fēng)力機的運行特性。

圖4 風(fēng)電站模型

光伏電站的模型擴展方法與風(fēng)電站類似。

圖5 風(fēng)力機模型

父類名類型說明windUnitControlMode(WindUnitControlMode)風(fēng)力發(fā)電機組控制模式outputVoltage(Voltage)機組出端電壓minPowerFactor(PowerFactor)功率因數(shù)下限

表3 風(fēng)力機類的屬性

2 電動汽車充電站

隨著人們環(huán)保意識的提高及技術(shù)的進(jìn)步，混合動力汽車和純電動汽車越來越廣泛地出現(xiàn)在日常生活中。因此，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也逐漸受到有關(guān)部門重視。作為配電網(wǎng)的重要組成部分，電動汽車充電站要受到配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的調(diào)度和管理，為此本文在現(xiàn)有CIM的基礎(chǔ)上對電動汽車充電站及其附屬設(shè)備進(jìn)行建模，見圖6。

圖6 電動汽車充電站的模型

新建EVChargingPlant(電動汽車充電站)類，繼承于PowerSystemResource類。電動汽車充電站的主要設(shè)備是充電樁和非車載充電機，擴展ChargingPlie(電動汽車充電樁)類和ChargingMachine(非車載充電機)類，與電動汽車充電站類聚集。為了使電動汽車充電保證不受停電的影響，充電站還配備了能量儲存單元及用于將儲存的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電的變流器，建立EVChargingStation類與能量儲存單元類的聚集關(guān)系。為了高效地利用充電設(shè)備，節(jié)約客戶的時間，電動汽車充電站可能包含電動汽車充電計劃。擴展EVStationChargingSchedule(電動汽車充電計劃)類來描述這一功能，它繼承自RegularIntervalSchedule類，與EVChargingStation類是聚集關(guān)系。

電動汽車充電樁的模型見圖7，電動汽車充電樁類屬性見表4。充電樁的種類有交流充電樁、直流充電樁和一體式充電樁等[13-14]。在CIM的Wire包中增加枚舉類ChargingPileType(充電樁類型)，可能值為ACChargingPile(交流充電樁)、DCChargingPile(直流充電樁)和HybridChargingPile(一體式充電樁)。交流充電樁主要是為固定安裝在電動汽車上的車載充電機提供交流電源[10]，而直流充電樁主要為電動汽車動力電池提供小功率直流電源。此外，充電樁有快充和慢充兩種充電模式，因此在Wire包中增加枚舉類ChargingMode(充電模式)，可能值為Quick(快充)和Slow(慢充)。充電樁由樁體、電能表及控制設(shè)備等組成，因此將充電樁類歸于設(shè)備容器類，同時新建WattHourMeter(電能表)類、ChargingPileController(充電樁控制器)類。充電樁控制器有以下作用：①電氣保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，快速切斷充電電源，保證用戶的人身安全；②記錄充電樁的登錄、控制和運行、退出等重要操作，還要允許對充電樁的運行記錄進(jìn)行查詢和統(tǒng)計；③與電池管理系統(tǒng)(BMS)進(jìn)行實時信息交互，監(jiān)控動力電池的電壓、電流和溫度等狀態(tài)參數(shù)、預(yù)測電池的容量(state of charging,SOC)，調(diào)整充電控制方法，維護(hù)電池的存儲能力和壽命。因此建立充電樁控制器類與BMS類的關(guān)聯(lián)關(guān)系。新建ElectricalVehicle(電動汽車)類、EVBatteryUnit(電動汽車動力電池組)類。進(jìn)而建立電動汽車類與ChargingPlie類、EVBatteryUnit類與ChargingPlie類的關(guān)聯(lián)關(guān)系。擴展ChargingPileCurve(充電樁充電曲線)類與充電樁類關(guān)聯(lián)，用于檢測充電狀態(tài)。

表4 電動汽車充電樁類的固有屬性

圖7 電動汽車充電樁的模型

3 直流微網(wǎng)

相比交流微網(wǎng)來說，直流微網(wǎng)具有自身顯著的優(yōu)勢，因而受到了越來越多的關(guān)注。直流微網(wǎng)控制簡單，不需要檢測電壓的相位和頻率，僅通過直流母線電壓控制即可實現(xiàn)微網(wǎng)的功率平衡[15]。適合分布式電源和負(fù)載的接入。同時，直流微網(wǎng)所需的電力電子變流器更少，因而能量轉(zhuǎn)化效率更高、可靠性更強、投資成本更小。另外，直流電在傳輸過程中不需要考慮配電線路的渦流損耗和線路吸收的無功能量，線路損耗得到降低?；谏鲜鰞?yōu)點，直流微網(wǎng)在有源配電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有CIM模型不能對直流微網(wǎng)進(jìn)行完整描述，因此，本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)行擴展，給出直流微網(wǎng)的CIM模型，如圖8。

圖8 直流微網(wǎng)模型

直流微網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)主要包括分布式發(fā)電單元、儲能單元、負(fù)荷單元、變流器和保護(hù)設(shè)備(如直流斷路器)等。分布式發(fā)電單元、儲能單元和負(fù)荷單元通過變流器接入直流母線，因此可建立變流器類與風(fēng)電機組類、光伏發(fā)電機組類、能量儲存單元類和負(fù)荷類的關(guān)聯(lián)關(guān)系(如圖8)。分布式發(fā)電單元和儲能單元的模型本文已做擴展，這里主要討論變流設(shè)備模型。直流微網(wǎng)中可能包含的變流器種類多種多樣，主要有AC/DC、DC/DC和DC/AC。目前，CIM中還沒有DC/DC變換器模型。因此擴展變流器類的屬性convertorType來描述變流器的類型，在Wire包中擴展枚舉類ConvertorType(變流器類型)，可能值為Rectifier(整流器)、Inverter(逆變器)和Chopper(斬波器)。

在直流微網(wǎng)中，直流電壓是反映系統(tǒng)內(nèi)功率平衡的唯一指標(biāo)。目前，直流微網(wǎng)中常用的控制方式有主從控制和下垂控制。下垂控制利用虛擬阻抗對電壓參考進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)均流的效果，提高輸出電壓的動態(tài)特性。它是一種本地控制方式，與主從控制相比，對通信依賴性較小，可靠性更高，因而被廣泛采用[15]。基于此，擴展ConvertorControl(變流器控制)類來描述變流器控制單元，其與變流器類是聚集關(guān)系。表5是基于下垂控制的變流器控制類屬性，表中還包括變流器的限流屬性。

表5 變流器控制類的固有屬性

直流斷路器是直流微網(wǎng)安全高效運行的關(guān)鍵設(shè)備[16]。在原有CIM模型基礎(chǔ)上新建直流斷路器(DCBreaker)類，添加typeName等固有屬性，見表6。直流斷路器類繼承于斷路器(Breaker)類，與直流導(dǎo)線類關(guān)聯(lián)。同時，在Wire包中擴展枚舉類DCBreakerType(直流斷路器類型)，可能值有solidstateBreaker(固態(tài)直流斷路器)、hybridBreaker(混合式直流斷路器)、vacuumBreaker(真空斷路器)等。

表6 直流斷路器類的固有屬性

4 結(jié)束語

能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)是實現(xiàn)更為廣泛意義上的“橫向多能源互補，縱向源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)”。能源互聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)應(yīng)用上的主題是面向電力用戶的配電網(wǎng)，數(shù)據(jù)在各種設(shè)備之間有效的雙向傳遞是其基本要求。有源配電網(wǎng)的發(fā)展對構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)具有重要的意義。由于有源配電網(wǎng)不同數(shù)據(jù)來源的數(shù)據(jù)特征及精度特性不同以及各種管理系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，電力系統(tǒng)中不同設(shè)備數(shù)據(jù)交互共享效果差，建立完善的數(shù)據(jù)模型能在信息流層面促進(jìn)數(shù)據(jù)互聯(lián)和對等分享，對能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具有重要的意義。因此完善公共信息模型是提高配電自動化水平、促進(jìn)有源配電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。本文根據(jù)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的需求出發(fā)，分析分布式發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、電動汽車充電站的特點，在Enterprise Architect軟件環(huán)境下，根據(jù)CIM擴展導(dǎo)則，擴展了這幾類設(shè)備的信息模型，同時對快速興起的直流微網(wǎng)設(shè)備建立完整的模型。本文的工作對于配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯：楊秋霞)

Extension of Common Information Model Oriented to Active Distribution Network

TAO Shun,ZHENG Jiawei,CHEN Meng,XIAO Xiangning

(State Key Laboratory for Alternate Electric Power System with Renewable Energy Resources(North China Electric Power University),Beijing 102206,China)

IEC61970和IEC61968標(biāo)準(zhǔn)的公共信息模型(CIM)給出了電力系統(tǒng)設(shè)備、用戶模型及其相互關(guān)系，有效促進(jìn)了管理系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互，提高了調(diào)度自動化水平。但隨著有源配電網(wǎng)中新設(shè)備的出現(xiàn)，現(xiàn)有CIM已不能對其進(jìn)行完整描述。為此本文提出了一種CIM擴展方法，在EnterPrise Architect軟件環(huán)境下，根據(jù)CIM擴展的導(dǎo)則，對有源配電網(wǎng)中的分布式發(fā)電、儲能設(shè)備和電動汽車充電站等新興設(shè)備的模型進(jìn)行了完整的描述。此外，與交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)具有顯著的優(yōu)勢而受到越來越多的關(guān)注，因此本文建立了直流微網(wǎng)CIM模型，以滿足有源配電網(wǎng)管理系統(tǒng)的信息需求。

有源配電網(wǎng);公共信息模型;分布式發(fā)電;直流微網(wǎng);電動汽車充電站

The common information model (CIM) for IEC61970 and IEC61968 standards provides the models of devices, customer and their relationship, which promotes the data exchange among management systems effectively, and improves dispatching automation. However, current CIM cannot describe new devices appearing in active distribution network effectively. So, an extension method of CIM is proposed in this paper. With the help of EnterPrise Architect software, the models of distributed generation, energy storage equipment and electrical vehicle charging plant in active distribution network are extended according to CIM extension principles. Besides, direct current micro-grid is paid more and more attention due to its advantages compared with alternate current micro-grid. Therefore, the CIM models of direct current micro-grid are built, which meets the demand of message in active distribution network management system.

active distribution network; common information model(CIM); distributed generation; direct current micro-grid; electric vehicle charging plant

1007-2322(2016)06-0074-07

A

TM734

國家電網(wǎng)公司資助項目(SGRI-DL-71-15-006)

2015-12-11

陶 順(1972—)，女，副教授，研究方向為智能配電網(wǎng)、電能質(zhì)量，E-mail:taoshun@ncepu.edu.cn；

鄭嘉煒(1993—)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電，E-mail:971607669@qq.com；

陳 萌(1991—)，男，博士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電與微電網(wǎng)，E-mail:chen_free@126.com；

肖湘寧(1953—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為新能源電網(wǎng)、電力系統(tǒng)電能質(zhì)量等，E-mail:xxn@ncepu.edu.cn。