面向有源配电网的公共信息模型扩展

陶 顺，郑嘉炜，陈 萌，肖湘宁

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206)



面向有源配电网的公共信息模型扩展

陶 顺，郑嘉炜，陈 萌，肖湘宁

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206)

0 引 言

能源互联网将由大量分布式发电装置、能量储存装置和各种类型负荷构成的电力网络与石油网络、天然气网络等一次能源网络互联起来，它集中运用了当今先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术，以实现双向的能量交换与信息数据的对等共享。能源互联网的典型特征是开放、互联、对等、分享[1-2]。

有源配电网的发展对构建能源互联网具有重要的意义，而数据在各种设备和应用之间有效的传递是实现有源配电网智能控制、优化运行的基础。随着配电网自动化水平的不断提高，不同配电网管理系统信息交互的困难成为阻碍有源配电网发展的重要因素，原因在于有源配电网不同数据来源的数据特征及精度特性不同导致了不同数据的兼容性问题，同时不同管理系统缺乏统一的接口标准。因此，研究设备信息模型的标准化问题是提高配电自动化水平、促进有源配电网发展的关键。

IEC61970和IEC61968标准的公共信息模型(common information model，CIM)给出了电力系统设备、用户模型及相互关系[3-6]，经过不断的改进，满足了EMS(energy management system,能量管理系统)的信息交换需求，但对于新型的分布式电源、直流微网设备等，现有的模型已不能满足要求，因而需要进一步扩展。

文献[7]对电力系统直流元件进行了模型扩展，但没有涉及直流微网中设备的关系。文献[8]以支路的形式扩展了分布式电源和微电网的模型，但没有考虑分布式电源和控制系统的关系。文献[9]建立了分布式电源和储能系统模型，但模型不够完整，如没有描述分布式电源与储能设备之间的关系。另外，文中并没有被涉及超级电容器储能。文献[10]对配电网设备和分布式电源及储能系统进行了扩展，但分布式发电设备模型中各类之间的关联不够细致。文献[11]从IEC61850与CIM融合的角度扩展分布式电源的发电、控制和励磁模型以及分布式电源电气连接点(ECP)的公共信息模型，但单纯对于CIM来说，励磁模型、电气连接点模型等并不必要，增加了CIM的复杂程度。

对于上述问题，本文对分布式发电和储能设备、电动汽车充电站及直流微网设备的CIM模型进行了扩展，以满足这些设备在EMS中的信息需求。

1 分布式电源

1.1 储能设备

为描述对一些可控设备的控制需求和功能，本文新建了Control(控制)包，用于建立电力系统中所有可控设备的控制系统和控制装置。扩展ControlDevice(控制设备)基类，继承自IdentifiedObject类。一些设备的控制装置包含很多部分，因此控制设备包括各种控制模块(ControlModule)，用于描述更具体的控制单元。

图2 蓄电池储能电站的模型

新建EnergyStorageUnit类描述能量储存单元，派生自GeneratingUnit类，蓄电池储能电站、超级电容器储能电站都是其子类，反映出其可进行能量输入和输出双向调度的特性。

1.2 蓄电池储能模型

本文对已有的蓄电池模型进行扩展，见图1。实线框为扩展的CIM类，虚线框为已有CIM类。蓄电池将化学能转换为电能，可归类到原动机。蓄电池的控制设备是BMS(Battery Management System，蓄电池管理系统)，于是新建BMS类，继承自ControlDevice类。BMS类与是聚集关系，这表示一组蓄电池可以对应多种蓄电池管理系统。变流器将蓄电池的电能输出到交流电网，因此建立Battery类与变流器(RectifierInverter)类的关联关系。蓄电池在不同温度和湿度下有不同的充放电曲线，于是新建BatteryChargingCurve类和BatterydisChargingCurve类，它们与Battery类关联。

图2为蓄电池储能电站的模型。BatteryEnergyStorageUnit(蓄电池储能单元)类从新建的EnergyStorageUnit类继承，包含蓄电池类和变流器类。BESPlant(蓄电池储能电站)类派生自PowerSystemResource类。Charging-disChargingSchedule类派生于RegularIntervalSchedule类，用于蓄电池储能单元的经济调度。

图1 蓄电池扩展的模型

1.3 超级电容器储能模型

超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，属于原动机[12]。扩展Supercapacitor(超级电容器)类，继承于原动机类，超级电容器的固有属性见表1，其模型见图3。扩展超级电容器控制器(SCController)类，用于控制超级电容器的充放电过程，与超级电容器类是聚集关系。超级电容器同样有充放电曲线，于是新建超级电容器充电曲线(SCChargingCurve)类和超级电容器放电曲线(SCdisChargingCurve)类，它们与超级电容器类是聚集关系。

表1 超级电容器类的固有属性

图3 超级电容器模型

建立超级电容器储能电站的方法与蓄电池储能电站类似，这里不再详述。

1.4 风电站

风电是利用最广泛的分布式电源，风电站是利用自然风能发电的设备聚集。本文将详细分析风电站特点并建立模型，其他类型分布式电源不详述。

图4显示了风力发电模型。扩展类WindPlant继承自PowerSystemResource类，描述风电场。风电站的发电机可以是同步电机或异步电机，因此风电机组类与同步电机类和异步电机类聚集。风力机是风电机组的关键设备，新建WindTurbine(风力机)类，聚集于风电机组。风电站通过变流器并网，风力发电机组类与变流器类也是聚集关系。考虑到电网在负荷低谷期可能会弃风的情况，在风电站中配备储能设备用于储存发出的风电，可以在负荷高峰期放电保证供电需求，减少风电的浪费，提高经济效益。扩展WindPlant类与EnergyStorageUnit类的聚集关系。扩展WindGeneratingForecastCurve类描述风力发电年发电量预测曲线。WindSpeedVSPowerForecastCurve类描述风速和风力发电功率预测曲线，其通过预测风速和风力发电输出功率来估算风力发电量，从而制定合理的运行计划和扩建规划，获得最大的经济效益。这两个曲线类均继承于Curve类，与WindPlant类是聚集关系。风力发电机组需要对发出的电能进行控制以满足并网要求，扩展以下风力发电机组的属性：机组出端电压、功率因数下限。同时风力发电机组可按不同发电控制模式，增加风力发电机组的属性windUnitControlMode(风力发电机组控制模式)，在Production(生产)包中扩展枚举类WindUnitControlMode(风力发电机组控制模式)，其可能值有ApparentPowerControl(视在功率控制)、ActivePowerControl(有功功率控制)。风力发电机组类扩展的属性见表2。

图5是风力机模型。表3为风力机类的属性。风力机将风能转化为转子的机械能，属于原动机。发电机再将风力机提供的机械能转化为电能，因此建立风力机类与同步电机类和异步电机类的关联关系。同时扩展风力机的曲线类WindTurbineUtilizationFactorCurve类、WindTuthineLeafSpeedRateCurve类和WindTurbinePowerCurve类，描述风力机的运行特性。

图4 风电站模型

光伏电站的模型扩展方法与风电站类似。

图5 风力机模型

父类名类型说明windUnitControlMode(WindUnitControlMode)风力发电机组控制模式outputVoltage(Voltage)机组出端电压minPowerFactor(PowerFactor)功率因数下限

表3 风力机类的属性

2 电动汽车充电站

随着人们环保意识的提高及技术的进步，混合动力汽车和纯电动汽车越来越广泛地出现在日常生活中。因此，电动汽车充电基础设施建设也逐渐受到有关部门重视。作为配电网的重要组成部分，电动汽车充电站要受到配电网管理系统的调度和管理，为此本文在现有CIM的基础上对电动汽车充电站及其附属设备进行建模，见图6。

图6 电动汽车充电站的模型

新建EVChargingPlant(电动汽车充电站)类，继承于PowerSystemResource类。电动汽车充电站的主要设备是充电桩和非车载充电机，扩展ChargingPlie(电动汽车充电桩)类和ChargingMachine(非车载充电机)类，与电动汽车充电站类聚集。为了使电动汽车充电保证不受停电的影响，充电站还配备了能量储存单元及用于将储存的直流电能转换为交流电的变流器，建立EVChargingStation类与能量储存单元类的聚集关系。为了高效地利用充电设备，节约客户的时间，电动汽车充电站可能包含电动汽车充电计划。扩展EVStationChargingSchedule(电动汽车充电计划)类来描述这一功能，它继承自RegularIntervalSchedule类，与EVChargingStation类是聚集关系。

电动汽车充电桩的模型见图7，电动汽车充电桩类属性见表4。充电桩的种类有交流充电桩、直流充电桩和一体式充电桩等[13-14]。在CIM的Wire包中增加枚举类ChargingPileType(充电桩类型)，可能值为ACChargingPile(交流充电桩)、DCChargingPile(直流充电桩)和HybridChargingPile(一体式充电桩)。交流充电桩主要是为固定安装在电动汽车上的车载充电机提供交流电源[10]，而直流充电桩主要为电动汽车动力电池提供小功率直流电源。此外，充电桩有快充和慢充两种充电模式，因此在Wire包中增加枚举类ChargingMode(充电模式)，可能值为Quick(快充)和Slow(慢充)。充电桩由桩体、电能表及控制设备等组成，因此将充电桩类归于设备容器类，同时新建WattHourMeter(电能表)类、ChargingPileController(充电桩控制器)类。充电桩控制器有以下作用：①电气保护功能，当系统发生故障时，快速切断充电电源，保证用户的人身安全；②记录充电桩的登录、控制和运行、退出等重要操作，还要允许对充电桩的运行记录进行查询和统计；③与电池管理系统(BMS)进行实时信息交互，监控动力电池的电压、电流和温度等状态参数、预测电池的容量(state of charging,SOC)，调整充电控制方法，维护电池的存储能力和寿命。因此建立充电桩控制器类与BMS类的关联关系。新建ElectricalVehicle(电动汽车)类、EVBatteryUnit(电动汽车动力电池组)类。进而建立电动汽车类与ChargingPlie类、EVBatteryUnit类与ChargingPlie类的关联关系。扩展ChargingPileCurve(充电桩充电曲线)类与充电桩类关联，用于检测充电状态。

表4 电动汽车充电桩类的固有属性

图7 电动汽车充电桩的模型

3 直流微网

相比交流微网来说，直流微网具有自身显著的优势，因而受到了越来越多的关注。直流微网控制简单，不需要检测电压的相位和频率，仅通过直流母线电压控制即可实现微网的功率平衡[15]。适合分布式电源和负载的接入。同时，直流微网所需的电力电子变流器更少，因而能量转化效率更高、可靠性更强、投资成本更小。另外，直流电在传输过程中不需要考虑配电线路的涡流损耗和线路吸收的无功能量，线路损耗得到降低。基于上述优点，直流微网在有源配电网中具有广阔的应用前景。

现有CIM模型不能对直流微网进行完整描述，因此，本文在其基础上进行扩展，给出直流微网的CIM模型，如图8。

图8 直流微网模型

直流微网的典型结构主要包括分布式发电单元、储能单元、负荷单元、变流器和保护设备(如直流断路器)等。分布式发电单元、储能单元和负荷单元通过变流器接入直流母线，因此可建立变流器类与风电机组类、光伏发电机组类、能量储存单元类和负荷类的关联关系(如图8)。分布式发电单元和储能单元的模型本文已做扩展，这里主要讨论变流设备模型。直流微网中可能包含的变流器种类多种多样，主要有AC/DC、DC/DC和DC/AC。目前，CIM中还没有DC/DC变换器模型。因此扩展变流器类的属性convertorType来描述变流器的类型，在Wire包中扩展枚举类ConvertorType(变流器类型)，可能值为Rectifier(整流器)、Inverter(逆变器)和Chopper(斩波器)。

在直流微网中，直流电压是反映系统内功率平衡的唯一指标。目前，直流微网中常用的控制方式有主从控制和下垂控制。下垂控制利用虚拟阻抗对电压参考进行调整，实现均流的效果，提高输出电压的动态特性。它是一种本地控制方式，与主从控制相比，对通信依赖性较小，可靠性更高，因而被广泛采用[15]。基于此，扩展ConvertorControl(变流器控制)类来描述变流器控制单元，其与变流器类是聚集关系。表5是基于下垂控制的变流器控制类属性，表中还包括变流器的限流属性。

表5 变流器控制类的固有属性

直流断路器是直流微网安全高效运行的关键设备[16]。在原有CIM模型基础上新建直流断路器(DCBreaker)类，添加typeName等固有属性，见表6。直流断路器类继承于断路器(Breaker)类，与直流导线类关联。同时，在Wire包中扩展枚举类DCBreakerType(直流断路器类型)，可能值有solidstateBreaker(固态直流断路器)、hybridBreaker(混合式直流断路器)、vacuumBreaker(真空断路器)等。

表6 直流断路器类的固有属性

4 结束语

能源互联网发展的目标是实现更为广泛意义上的“横向多能源互补，纵向源网荷储协调”。能源互联网在电力系统应用上的主题是面向电力用户的配电网，数据在各种设备之间有效的双向传递是其基本要求。有源配电网的发展对构建能源互联网具有重要的意义。由于有源配电网不同数据来源的数据特征及精度特性不同以及各种管理系统缺乏统一的接口标准，电力系统中不同设备数据交互共享效果差，建立完善的数据模型能在信息流层面促进数据互联和对等分享，对能源互联网建设具有重要的意义。因此完善公共信息模型是提高配电自动化水平、促进有源配电网发展的关键。本文根据配电网能量管理系统的需求出发，分析分布式发电设备、储能设备、电动汽车充电站的特点，在Enterprise Architect软件环境下，根据CIM扩展导则，扩展了这几类设备的信息模型，同时对快速兴起的直流微网设备建立完整的模型。本文的工作对于配电网能量管理系统的设计具有一定的指导意义。

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(责任编辑：杨秋霞)

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标准的公共信息模型(CIM)给出了电力系统设备、用户模型及其相互关系，有效促进了管理系统间数据交互，提高了调度自动化水平。但随着有源配电网中新设备的出现，现有CIM已不能对其进行完整描述。为此本文提出了一种CIM扩展方法，在EnterPrise Architect软件环境下，根据CIM扩展的导则，对有源配电网中的分布式发电、储能设备和电动汽车充电站等新兴设备的模型进行了完整的描述。此外，与交流微网相比，直流微网具有显著的优势而受到越来越多的关注，因此本文建立了直流微网CIM模型，以满足有源配电网管理系统的信息需求。

有源配电网;公共信息模型;分布式发电;直流微网;电动汽车充电站

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

国家电网公司资助项目(SGRI-DL-71-15-006)

2015-12-11

陶 顺(1972—)，女，副教授，研究方向为智能配电网、电能质量，E-mail:taoshun@ncepu.edu.cn；

郑嘉炜(1993—)，男，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电，E-mail:971607669@qq.com；

陈 萌(1991—)，男，博士研究生，主要研究方向为新能源发电与微电网，E-mail:chen_free@126.com；

肖湘宁(1953—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为新能源电网、电力系统电能质量等，E-mail:xxn@ncepu.edu.cn。