隨著(zhù)風(fēng)電入網(wǎng)規模的增大，電力部門(mén)需對其進(jìn)行有效的智能監視和控制。為了實(shí)現風(fēng)電與電網(wǎng)管理系統之間的數據共享和交換，需要建立一個(gè)標準的、開(kāi)放的信息模型。
本文從滿(mǎn)足電網(wǎng)生產(chǎn)、配電運行等業(yè)務(wù)對風(fēng)電運行監視的需求出發(fā)，基于IEC 61968/70標準提出了一種分布式能源的通用擴展方法，對原有公共信息模型（common information model, CIM）進(jìn)行擴展，建立了風(fēng)力發(fā)電系統及其信息交互的CIM擴展模型。該模型應用于配電網(wǎng)大數據分析應用平臺中，實(shí)現了數據來(lái)源的惟一性、數據格式的統一性和良好的共享性，能夠有效管理和集成風(fēng)力發(fā)電遙測量、狀態(tài)信息、故障處理信息。
分布式風(fēng)電大規模并網(wǎng)是解決目前電力供應緊張以及環(huán)境污染問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。但是已并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電多處于各自獨立管理狀態(tài)，配電網(wǎng)與分布式電源系統之間尚未進(jìn)行有效地信息交換，不利于電網(wǎng)統籌管理和故障快速隔離。
同時(shí)，分布式發(fā)電接入設備控制系統由各生產(chǎn)廠(chǎng)家自行開(kāi)發(fā)，其信息采集處理和控制的策略簡(jiǎn)單且不通用，需要建立一個(gè)標準的、開(kāi)放的配電網(wǎng)信息模型，提供通用的數據接口，以規范各管理系統的信息管理。
IEC 61968和IEC 61970標準分別描述了配電管理系統和能量管理系統（energy management system, EMS）的應用程序接口，共同定義了一種電力系統可擴展的公共信息模型（common information model, CIM）[1-4]。
CIM包含了豐富的電力系統模型，并能按照規則進(jìn)行必要的擴展，但其中缺少分布式風(fēng)電的模型，影響了風(fēng)電系統與電網(wǎng)管理系統之間的數據共享和交換。因此，在CIM中對風(fēng)電系統進(jìn)行充分的擴展描述是大量風(fēng)電接入電網(wǎng)后迫切需要解決的問(wèn)題[5]。
此外，如何合理地在能量管理系統、數據采集與監控系統（supervisory control and data acquisition, SCADA）和生產(chǎn)管理系統等系統中實(shí)現不同系統間風(fēng)電模型和信息的傳遞，反映風(fēng)電系統運行和管理的情況，不僅是實(shí)現智能電網(wǎng)信息集成的重要環(huán)節，也是理論研究和工程實(shí)踐中亟待解決的問(wèn)題之一。因此，還需要提出一種分布式能源的信息交互方法[6-8]。
目前國內外對分布式風(fēng)電的CIM做了一些初步擴展，文獻[9]采用面向對象的設計方法，對風(fēng)力發(fā)電系統CIM進(jìn)行了簡(jiǎn)單擴展，但沒(méi)有包含風(fēng)力發(fā)電預測類(lèi)和風(fēng)力發(fā)電運行計劃類(lèi)，配網(wǎng)調度時(shí)缺乏相應發(fā)電依據。文獻[10]建立了一套火力發(fā)電廠(chǎng)資源信息模型。文獻[11]利用CIM與XML技術(shù)，實(shí)現變電站一次設備接線(xiàn)圖形數據的共享應用。上述工作對風(fēng)電系統及其信息交互的CIM模型擴展具有一定的參考價(jià)值。
但總體而言，目前對分布式發(fā)電系統CIM建模的研究主要集中在能源設備本身，而對其信息交互的擴展建模研究較少。本文提出了一種面向對象的分布式能源CIM通用建模方法，建立了風(fēng)力發(fā)電系統的CIM擴展模型，并針對電網(wǎng)對風(fēng)電并網(wǎng)后的運行管理需求，建立了基于IEC16968/70標準的電力企業(yè)信息集成總線(xiàn)的風(fēng)電信息交互模型，實(shí)現了風(fēng)力發(fā)電系統與其他系統的信息交互。
1 CIM擴展方法
IEC 61968/61970系列標準規定了CIM的基本擴展規則，在對分布式能源進(jìn)行擴展時(shí)，可遵循如下的擴展步驟[12]：
1）對待擴展的電力系統設備、資產(chǎn)等資源進(jìn)行抽象分析，提取出分布式能源抽象類(lèi)的屬性及屬性值類(lèi)型。
2）將提取出的抽象類(lèi)與IEC 61968和IEC 61970系列標準制定的電力系統公共信息模型進(jìn)行差異化分析。
3）若設備或資源可以與標準CIM中已有的類(lèi)對應，則不需建立新類(lèi)，只需與IEC標準CIM中已有類(lèi)建立映射關(guān)系即可；若根據應用場(chǎng)景需要增加屬性及屬性值，則在該類(lèi)中增加相應的屬性及屬性值。
4）若設備或資源不能與標準CIM中已有類(lèi)相對應，則需從標準CIM中已有類(lèi)派生出新類(lèi)，根據其功能確定所在的包，通過(guò)分析擴展其相應的屬性；若擴展的新類(lèi)與已有類(lèi)或者其他新類(lèi)相關(guān)，則根據實(shí)際情況建立相應的映射關(guān)系。
上述步驟對應的具體擴展流程如圖1所示。
圖1 CIM擴展步驟
隨著(zhù)大型風(fēng)電場(chǎng)的建設，風(fēng)電場(chǎng)的監控由原來(lái)每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)獨立分散的監控轉變?yōu)殡娋W(wǎng)調度中心、發(fā)電集團、風(fēng)電場(chǎng)等多方參與的綜合集中監控，風(fēng)電場(chǎng)的運行管理更為復雜，從客觀(guān)上提出了信息集成與瞬時(shí)交互的需求。風(fēng)力發(fā)電由風(fēng)機系統、發(fā)電系統、并網(wǎng)系統、氣象系統等多個(gè)功能系統組成，針對這樣的系統結構，本文按照CIM擴展原則對其進(jìn)行抽象分析，將所需監控的信息歸納為風(fēng)電系統本體信息和交互信息兩大類(lèi)。
風(fēng)電系統的本體信息體現風(fēng)力發(fā)電機組的各部件及其與調度、氣象等系統之間的結構關(guān)系；而交互信息在風(fēng)電系統與電網(wǎng)管理系統之間雙向傳遞，又可分為遙測量信息、狀態(tài)評估信息和故障處理信息。以下將從這兩方面對風(fēng)力發(fā)電及其信息交互進(jìn)行CIM擴展。
2 風(fēng)力發(fā)電CIM擴展
目前，在IEC 61968/70標準中，已經(jīng)定義了原動(dòng)機類(lèi)PrimeMover、發(fā)電單元類(lèi)GeneratingUnit、曲線(xiàn)類(lèi)Curve、電廠(chǎng)類(lèi)Plant，同時(shí)也有關(guān)于計劃類(lèi)Schedule的描述，但其中并沒(méi)有風(fēng)力發(fā)電的模型。風(fēng)電作為波動(dòng)性、隨機性電源，與常規電源相比，其出力主要依賴(lài)于風(fēng)能，除了需記錄風(fēng)力機效率和風(fēng)力發(fā)電效率外，還必須實(shí)時(shí)監測風(fēng)能資源，這就要求在歷史曲線(xiàn)的基礎上對天氣和風(fēng)速進(jìn)行預測。
同時(shí)風(fēng)電機組的有功難以控制、無(wú)功電壓控制能力不足，不具備常規電源的有功和無(wú)功功率控制能力，其發(fā)電量預測和發(fā)電運行計劃均不同于常規電源。這些都需在CIM模型中按上節所述原則進(jìn)行擴展。通過(guò)對風(fēng)力發(fā)電系統具體結構和特性分析，擴展風(fēng)力發(fā)電的新類(lèi)及其屬性描述，見(jiàn)表1。
本節在生命周期軟件Enterprise Architect中對風(fēng)電系統進(jìn)行CIM擴展，如圖2所示（圖中虛線(xiàn)框為已有類(lèi)，實(shí)線(xiàn)框為擴展類(lèi)，下同）。風(fēng)力機（WindTurbine）是將風(fēng)能轉化為機械能的設備，屬于原動(dòng)機的一種，從原動(dòng)機類(lèi)（PrimeMover）派生。因不同種類(lèi)的風(fēng)機具有不同的發(fā)電特性，在同一風(fēng)速下出力不同，且不同風(fēng)機所處位置不同，風(fēng)速不同，出力也不同，故在風(fēng)力機類(lèi)（WindTurbine）中擴展風(fēng)電類(lèi)型屬性。
同時(shí)建立風(fēng)力機效率曲線(xiàn)（WindTurbineEfficiency-Curve）描述不同風(fēng)速下的風(fēng)能轉化效率。風(fēng)電場(chǎng)由一批風(fēng)力發(fā)電機組或風(fēng)力發(fā)電機組群組成[9]。通過(guò)捕獲風(fēng)能發(fā)電，建立類(lèi)WindFarm描述風(fēng)電場(chǎng)，從Wries包中的Plant類(lèi)派生，用于描述風(fēng)電場(chǎng)模型。類(lèi)WindGeneratingUnit從已有類(lèi)GeneratingUnit派生，描述風(fēng)力發(fā)電機組，與風(fēng)電場(chǎng)類(lèi)（WindFarm）之間是聚合關(guān)系。
表1 風(fēng)力發(fā)電擴展類(lèi)屬性描述
圖2 風(fēng)電系統CIM擴展模型
為了方便EMS對風(fēng)電場(chǎng)的管理和調度，需記錄天氣預報和風(fēng)力歷史信息。從Curve類(lèi)派生歷史曲線(xiàn)類(lèi)HistoryCurve記錄風(fēng)力資源的歷史數據，從Core包中RegularIntervalSchedule類(lèi)派生天氣預測類(lèi)WealtherForecast存放天氣預報信息。
配電管理應用中的風(fēng)速預測模塊可利用HistoryCurve類(lèi)模型提供的歷史數據和WealtherForecast類(lèi)模型提供的天氣預報對風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速進(jìn)行預測，建立風(fēng)速預測類(lèi)WindForecast存放風(fēng)速預測信息。
發(fā)電量預測信息分為長(cháng)期預測類(lèi)（年前）、短期預測類(lèi)（日前）和超短期預測類(lèi)（小時(shí)前），調度中則有年計劃調度、日前計劃調度、小時(shí)前調度及分鐘前實(shí)時(shí)調度與之對應。擴展類(lèi)WindGenerating- Forecast描述風(fēng)力發(fā)電機組不同時(shí)間尺度下的發(fā)電量預測曲線(xiàn)，它與WindForecast類(lèi)關(guān)聯(lián)。
設計WindGenerationOpSchedule類(lèi)描述風(fēng)力發(fā)電單元的運行計劃，該類(lèi)通常借助于高級應用中的機組組合模塊獲得。同時(shí)擴展棄風(fēng)評估類(lèi)AbandonedWind和跟隨負荷評估類(lèi)LoadFollowing，與運行計劃類(lèi)關(guān)聯(lián)，擴展WindGeneration EfficiencyCurve類(lèi)描述風(fēng)力發(fā)電機組的效率。
3 風(fēng)電系統信息交互CIM擴展
電力系統主要依靠實(shí)時(shí)調節電源的出力以適應用電負荷的波動(dòng)，但風(fēng)電等分布式電源不僅不具備適應負荷波動(dòng)的調節能力，而且其自身的隨機性波動(dòng)更進(jìn)一步增加了電力系統運行控制的難度，配電網(wǎng)對風(fēng)電運行管理的信息需求更復雜。
此外，配電網(wǎng)對分布式風(fēng)力發(fā)電系統的設備管理、運行、調度和設備維護與常規電源不同，現有的配電網(wǎng)信息交互CIM模型不能完全適用于風(fēng)力發(fā)電系統。因此，對風(fēng)電等分布式能源進(jìn)行CIM擴展之后，還必須對其信息交互進(jìn)行擴展，以滿(mǎn)足營(yíng)銷(xiāo)、配電、調度部門(mén)融合數據的要求[13]。
當前已有的計量采集模型中沒(méi)有采集終端模型，不能直接確定所采集的分布式風(fēng)電數據的具體位置；沒(méi)有風(fēng)電狀態(tài)評估的模型，不能科學(xué)合理的評估其運行狀態(tài)；IEC 61968-11標準中的故障模型對于故障導致停電處理的模型描述過(guò)于抽象，不能體現風(fēng)電饋線(xiàn)自動(dòng)化處理流程。因此，需針對分布式發(fā)電的具體特性，擴展遙測量采集、狀態(tài)信息評估和故障處理CIM模型，以實(shí)現風(fēng)力發(fā)電系統的信息交互。
本文以IEC 61968-11和IEC 61970-301為基礎，結合電網(wǎng)公司營(yíng)配調數據融合的特點(diǎn)，通過(guò)對CIM模型的擴展來(lái)構建信息交互CIM模型，它不僅適用于風(fēng)力發(fā)電，而且還可為光伏發(fā)電等其他分布式能源的信息交互提供參考。信息交互模型用于配電自動(dòng)化主站系統，主要實(shí)現配電網(wǎng)數據采集與監控等基本功能和電網(wǎng)拓撲分析應用等擴展功能，并具有與其他應用信息系統進(jìn)行信息交互的功能，為配電網(wǎng)對分布式能源調度指揮和生產(chǎn)管理提供技術(shù)支撐。
3.1 遙測量采集CIM建模
IEC 61968-11的Metering包構建了客戶(hù)表計的計量體系，包括用戶(hù)表計、表計讀數、表計事件等，通過(guò)UsagePoint能夠構建完整的中低壓配電網(wǎng)模型。要將電表Meter的數據上傳到主站系統，還必須要有采集終端，而采集終端是可以實(shí)現電能表數據采集、數據管理、數據雙向傳輸以及轉發(fā)或執行控制命令的設備[14]。
但是目前在Metering包中還沒(méi)有采集終端的模型，雖然在IEC 61970 CIM中有RemoteUnit的模型描述，但是其側重于SCADA系統，適用于直采直送，即RemoteUnit收到數據以后立即向上位機轉發(fā)，對計量系統并不適用。因此，本文擴展了計量系統下的采集模型用以采集遙測量，如圖3所示。
圖3 遙測量采集CIM擴展模型
本文構建的遙測量采集CIM模型擴展了3個(gè)新類(lèi)，分別是采集終端類(lèi)CollectionDevice、采集對象類(lèi)CollectionObject、采集終端安裝位置類(lèi)CollectionDeviceLoacation。
CollectionDevice類(lèi)派生于EndDevice類(lèi)，擴展有通信地址屬性。它既可以包含多個(gè)采集對象CollectionObject，也可以對應一個(gè)采集終端安裝位置CollectionDeviceLoacation。一個(gè)位置可以被安裝0或多個(gè)采集終端。
一個(gè)采集對象CollectionObject對應一個(gè)Meter，擴展了電流互感器CT（TA）變比（ctRadio）、電壓互感器PT（TV）變比（ptRadio）和綜合倍率屬性（tFactor），因為表計采集的都是二次值，需要變比換算為一次值。
表計的讀數是以MeterReading為對象來(lái)組織的，CollectionObject通過(guò)與Meter的對應關(guān)系，也能夠與MeterReading間接關(guān)聯(lián)。
3.2 狀態(tài)信息評估CIM建模
分布式并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)運行狀態(tài)的好壞直接影響著(zhù)配電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量。正因如此，《GB/T 19963光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規定》等技術(shù)標準對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全穩定性等方面做出了規定，包括電壓諧波、電流諧波、電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)和功率波動(dòng)等要求[15]。因此，建立一套風(fēng)力發(fā)電運行狀態(tài)評估指標體系，并提出科學(xué)合理的評估方法，能幫助運行人員及時(shí)掌握風(fēng)力發(fā)電系統近期的運行狀態(tài)，從而為配電網(wǎng)的運行工作帶來(lái)很大的實(shí)際價(jià)值[16]。
本文提出一種風(fēng)力發(fā)電狀態(tài)評估模型，其涉及的評估指標都可以直接利用配電自動(dòng)化、調度自動(dòng)化和用電信息采集等系統的融合數據，按照各指標的權重進(jìn)行計算，避免了人為干擾因素，從而使運行狀態(tài)評估更為客觀(guān)、準確、合理。具體CIM擴展模型如圖4所示。其屬性描述見(jiàn)表2。
3.3 故障處理CIM建模
在IEC 61968-11中，對于故障導致停電的處理模型描述過(guò)于抽象，沒(méi)能體現出饋線(xiàn)自動(dòng)化的處理流程，不利于對饋線(xiàn)自動(dòng)化功能進(jìn)行精細化管理以及在多個(gè)系統中共享饋線(xiàn)自動(dòng)化功能執行結果，即故障會(huì )導致一個(gè)停電事件，而恢復供電會(huì )有零到多個(gè)SwitchPlan。對于SwitchPlan沒(méi)有更多描述，要想理解其具體作用，還需要進(jìn)一步觀(guān)察與之關(guān)聯(lián)的WorkTask并結合拓撲關(guān)系才能知道到底隔離故障還是恢復上游[17]。
對于一個(gè)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )拓撲關(guān)系的業(yè)務(wù)系統，如營(yíng)銷(xiāo)管理系統，在得到一個(gè)停電事件恢復處理過(guò)程的信息時(shí)，是無(wú)法知道其具體操作含義的。目前缺少對饋線(xiàn)自動(dòng)化進(jìn)行擴展建模及告警的方法，影響了對饋線(xiàn)自動(dòng)化功能管理和評價(jià)時(shí)信息交換的標準化以及告警功能的實(shí)用性。為了對饋線(xiàn)自動(dòng)化功能進(jìn)行精細化管理，提高模型的標準化水平和互操作水平，增強告警功能的實(shí)用性，本文擴展了饋線(xiàn)故障后的故障處理模型，如圖5所示。
擴展的主要內容如下。
1）建立FaultIsolationRestoration（故障處理類(lèi)）、IsolationPlan（故障隔離類(lèi)）、UpstreamRestoration- Plan（上游故障恢復類(lèi)）和DownstreamRestoration- Plan（下游故障恢復類(lèi)）。
2）建立各類(lèi)之間的關(guān)系：每個(gè)FaultIsolationRestoration對象對應0或1個(gè)Outage（停電類(lèi)）對象、1個(gè)IsolationPlan對象、0或多個(gè)UpstreamRestorationPlan對象以及0或多個(gè)DownstreamRestorationPlan對象。
3）設定各類(lèi)的主要擴展屬性：FaultIsolationRestoration類(lèi)包含FaultTime（故障發(fā)生時(shí)刻）、IsolationTime（隔離方案執行完成時(shí)刻）、UpstreamRestorationTime（上游故障恢復完成時(shí)刻）和DownstreamRestorationTime（下游故障恢復完成時(shí)刻）。IsolationPlan類(lèi)包含IsolationTime（隔離方案執行完成時(shí)刻）。UpstreamRestorationPlan類(lèi)包含UpstreamRes- torationTime（上游故障恢復完成時(shí)刻）。DownstreamRestorationPlan類(lèi)包含Downstrea- mRestorationTime（下游故障恢復完成時(shí)刻）。
4 模型應用
基于本文提出的CIM擴展模型研制的友好型逆變器樣機和各采集終端采集的實(shí)時(shí)數據，通過(guò)先進(jìn)的數據集成技術(shù)，傳輸至準實(shí)時(shí)數據中心。準實(shí)時(shí)數據中心采用基于中間件的集成技術(shù)，集成框架有3個(gè)層次，包括適配器層、準實(shí)時(shí)數據中心以及消費應用層。其中適配器層有采集終端、氣體絕緣組合電器設備（GIS）等外部系統，每一個(gè)系統有一個(gè)接口適配器用于與準實(shí)時(shí)數據中心層通信。
準實(shí)時(shí)數據中心主要用于整合外部系統數據，為消費應用提供基礎數據，它的展現形式可以做成類(lèi)似于toad數據庫查詢(xún)分析器。準實(shí)時(shí)數據中心主要由配置表、SQL解釋器、數據庫（DB）、Java消息服務(wù)（JMS）四大部分構成，可以實(shí)現數據集成、數據清洗、儲存和訪(fǎng)問(wèn)。消費應用層包含營(yíng)配融合的九大應用場(chǎng)景。整體框架如圖6所示。
利用數據集成和面向服務(wù)的架構（SOA）技術(shù)，在配電網(wǎng)大數據分析應用平臺中加入新能源監測模塊，系統頁(yè)面如圖7所示，實(shí)現了以下功能：
1）分布式電源的資產(chǎn)、發(fā)電量等靜態(tài)信息的收集和管理，實(shí)現了數據來(lái)源的惟一性、數據格式的統一性和良好的數據共享性。
2）通過(guò)友好型逆變器等監測采集模塊，實(shí)時(shí)監測風(fēng)速等外部數據和并網(wǎng)點(diǎn)的運行數據，故障時(shí)迅速確定故障位置，按各指標的權重進(jìn)行計算，在線(xiàn)評估分布式電源的運行狀態(tài)。操作界面如圖8所示。
3）在配電網(wǎng)大數據分析應用平臺中，根據分布式電源的運行狀態(tài)和故障位置，遠程控制分布式電源并網(wǎng)/離網(wǎng)動(dòng)作。
結論
本文在IEC 61968/70標準中原有CIM基礎上，從滿(mǎn)足電網(wǎng)生產(chǎn)、配電運行等業(yè)務(wù)對風(fēng)電運行監視的需求出發(fā)，建立了風(fēng)電及其信息交互系統CIM擴展模型。主要結論如下：
1）提出了一種分布式能源的通用擴展方法，可對其他分布式能源的CIM擴展提供參考。
2）對風(fēng)電系統及其信息交互進(jìn)行了CIM建模。該模型完整地描述風(fēng)力發(fā)電系統的結構，通過(guò)擴展的CIM信息在基于IEC 16968/70標準的電力企業(yè)信息集成總線(xiàn)上傳遞，可以實(shí)現風(fēng)電系統與電網(wǎng)管理系統之間的信息交互。
3）實(shí)現了配電網(wǎng)對風(fēng)電設備的設備信息、遙測信息、狀態(tài)量信息和故障處理信息的全程管理。
4）本CIM模型目前已應用于某智能電網(wǎng)綜合示范工程，未來(lái)可根據實(shí)際應用需求進(jìn)行功能擴展。
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