隨著風(fēng)電入網(wǎng)規(guī)模的增大，電力部門需對其進(jìn)行有效的智能監(jiān)視和控制。為了實現(xiàn)風(fēng)電與電網(wǎng)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和交換，需要建立一個標(biāo)準(zhǔn)的、開放的信息模型。
本文從滿足電網(wǎng)生產(chǎn)、配電運行等業(yè)務(wù)對風(fēng)電運行監(jiān)視的需求出發(fā)，基于IEC 61968/70標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)及其信息交互的CIM擴展模型。該模型應(yīng)用于配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)來源的惟一性、數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)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(guī)模并網(wǎng)是解決目前電力供應(yīng)緊張以及環(huán)境污染問題的一個有效途徑。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(tǒng)之間尚未進(jìn)行有效地信息交換，不利于電網(wǎng)統(tǒng)籌管理和故障快速隔離。
同時，分布式發(fā)電接入設(shè)備控制系統(tǒng)由各生產(chǎn)廠家自行開發(fā)，其信息采集處理和控制的策略簡單且不通用，需要建立一個標(biāo)準(zhǔn)的、開放的配電網(wǎng)信息模型，提供通用的數(shù)據(jù)接口，以規(guī)范各管理系統(tǒng)的信息管理。
IEC 61968和IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)分別描述了配電管理系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）的應(yīng)用程序接口，共同定義了一種電力系統(tǒng)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(tǒng)模型，并能按照規(guī)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(tǒng)與電網(wǎng)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和交換。因此，在CIM中對風(fēng)電系統(tǒng)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題[5]。
此外，如何合理地在能量管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition, SCADA）和生產(chǎn)管理系統(tǒng)等系統(tǒng)中實現(xiàn)不同系統(tǒng)間風(fēng)電模型和信息的傳遞，反映風(fēng)電系統(tǒng)運行和管理的情況，不僅是實現(xiàn)智能電網(wǎng)信息集成的重要環(huán)節(jié)，也是理論研究和工程實踐中亟待解決的問題之一。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(nèi)外對分布式風(fēng)電的CIM做了一些初步擴展，文獻(xiàn)[9]采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)CIM進(jìn)行了簡單擴展，但沒有包含風(fēng)力發(fā)電預(yù)測類和風(fēng)力發(fā)電運行計劃類，配網(wǎng)調(diào)度時缺乏相應(yīng)發(fā)電依據(jù)。文獻(xiàn)[10]建立了一套火力發(fā)電廠資源信息模型。文獻(xiàn)[11]利用CIM與XML技術(shù)，實現(xiàn)變電站一次設(shè)備接線圖形數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用。上述工作對風(fēng)電系統(tǒng)及其信息交互的CIM模型擴展具有一定的參考價值。
但總體而言，目前對分布式發(fā)電系統(tǒng)CIM建模的研究主要集中在能源設(shè)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?qū)ο蟮姆植际侥茉碈IM通用建模方法，建立了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的電力企業(yè)信息集成總線的風(fēng)電信息交互模型，實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交互。
1 CIM擴展方法
IEC 61968/61970系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了CIM的基本擴展規(guī)則，在對分布式能源進(jìn)行擴展時，可遵循如下的擴展步驟[12]：
1）對待擴展的電力系統(tǒng)設(shè)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的屬性及屬性值類型。
2）將提取出的抽象類與IEC 61968和IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)制定的電力系統(tǒng)公共信息模型進(jìn)行差異化分析。
3）若設(shè)備或資源可以與標(biāo)準(zhǔn)CIM中已有的類對應(yīng)，則不需建立新類，只需與IEC標(biāo)準(zhǔn)CIM中已有類建立映射關(guān)系即可；若根據(jù)應(yīng)用場景需要增加屬性及屬性值，則在該類中增加相應(yīng)的屬性及屬性值。
4）若設(shè)備或資源不能與標(biāo)準(zhǔn)CIM中已有類相對應(yīng)，則需從標(biāo)準(zhǔn)CIM中已有類派生出新類，根據(jù)其功能確定所在的包，通過分析擴展其相應(yīng)的屬性；若擴展的新類與已有類或者其他新類相關(guān)，則根據(jù)實際情況建立相應(yīng)的映射關(guān)系。
上述步驟對應(yīng)的具體擴展流程如圖1所示。
圖1 CIM擴展步驟
隨著大型風(fēng)電場的建設(shè)，風(fēng)電場的監(jiān)控由原來每個風(fēng)電場獨立分散的監(jiān)控轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)調(diào)度中心、發(fā)電集團、風(fēng)電場等多方參與的綜合集中監(jiān)控，風(fēng)電場的運行管理更為復(fù)雜，從客觀上提出了信息集成與瞬時交互的需求。風(fēng)力發(fā)電由風(fēng)機系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)等多個功能系統(tǒng)組成，針對這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本文按照CIM擴展原則對其進(jìn)行抽象分析，將所需監(jiān)控的信息歸納為風(fēng)電系統(tǒng)本體信息和交互信息兩大類。
風(fēng)電系統(tǒng)的本體信息體現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組的各部件及其與調(diào)度、氣象等系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系；而交互信息在風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)管理系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)定義了原動機類PrimeMover、發(fā)電單元類GeneratingUnit、曲線類Curve、電廠類Plant，同時也有關(guān)于計劃類Schedule的描述，但其中并沒有風(fēng)力發(fā)電的模型。風(fēng)電作為波動性、隨機性電源，與常規(guī)電源相比，其出力主要依賴于風(fēng)能，除了需記錄風(fēng)力機效率和風(fēng)力發(fā)電效率外，還必須實時監(jiān)測風(fēng)能資源，這就要求在歷史曲線的基礎(chǔ)上對天氣和風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測。
同時風(fēng)電機組的有功難以控制、無功電壓控制能力不足，不具備常規(guī)電源的有功和無功功率控制能力，其發(fā)電量預(yù)測和發(fā)電運行計劃均不同于常規(guī)電源。這些都需在CIM模型中按上節(jié)所述原則進(jìn)行擴展。通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)和特性分析，擴展風(fēng)力發(fā)電的新類及其屬性描述，見表1。
本節(jié)在生命周期軟件Enterprise Architect中對風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行CIM擴展，如圖2所示（圖中虛線框為已有類，實線框為擴展類，下同）。風(fēng)力機（WindTurbine）是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的設(shè)備，屬于原動機的一種，從原動機類（PrimeMover）派生。因不同種類的風(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（WindTurbine）中擴展風(fēng)電類型屬性。
同時建立風(fēng)力機效率曲線（WindTurbineEfficiency-Curve）描述不同風(fēng)速下的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率。風(fēng)電場由一批風(fēng)力發(fā)電機組或風(fēng)力發(fā)電機組群組成[9]。通過捕獲風(fēng)能發(fā)電，建立類WindFarm描述風(fēng)電場，從Wries包中的Plant類派生，用于描述風(fēng)電場模型。類WindGeneratingUnit從已有類GeneratingUnit派生，描述風(fēng)力發(fā)電機組，與風(fēng)電場類（WindFarm）之間是聚合關(guān)系。
表1 風(fēng)力發(fā)電擴展類屬性描述
圖2 風(fēng)電系統(tǒng)CIM擴展模型
為了方便EMS對風(fēng)電場的管理和調(diào)度，需記錄天氣預(yù)報和風(fēng)力歷史信息。從Curve類派生歷史曲線類HistoryCurve記錄風(fēng)力資源的歷史數(shù)據(jù)，從Core包中RegularIntervalSchedule類派生天氣預(yù)測類WealtherForecast存放天氣預(yù)報信息。
配電管理應(yīng)用中的風(fēng)速預(yù)測模塊可利用HistoryCurve類模型提供的歷史數(shù)據(jù)和WealtherForecast類模型提供的天氣預(yù)報對風(fēng)電場風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測，建立風(fēng)速預(yù)測類WindForecast存放風(fēng)速預(yù)測信息。
發(fā)電量預(yù)測信息分為長期預(yù)測類（年前）、短期預(yù)測類（日前）和超短期預(yù)測類（小時前），調(diào)度中則有年計劃調(diào)度、日前計劃調(diào)度、小時前調(diào)度及分鐘前實時調(diào)度與之對應(yīng)。擴展類WindGenerating- Forecast描述風(fēng)力發(fā)電機組不同時間尺度下的發(fā)電量預(yù)測曲線，它與WindForecast類關(guān)聯(lián)。
設(shè)計WindGenerationOpSchedule類描述風(fēng)力發(fā)電單元的運行計劃，該類通常借助于高級應(yīng)用中的機組組合模塊獲得。同時擴展棄風(fēng)評估類AbandonedWind和跟隨負(fù)荷評估類LoadFollowing，與運行計劃類關(guān)聯(lián)，擴展WindGeneration EfficiencyCurve類描述風(fēng)力發(fā)電機組的效率。
3 風(fēng)電系統(tǒng)信息交互CIM擴展
電力系統(tǒng)主要依靠實時調(diào)節(jié)電源的出力以適應(yīng)用電負(fù)荷的波動，但風(fēng)電等分布式電源不僅不具備適應(yīng)負(fù)荷波動的調(diào)節(jié)能力，而且其自身的隨機性波動更進(jìn)一步增加了電力系統(tǒng)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(fù)雜。
此外，配電網(wǎng)對分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備管理、運行、調(diào)度和設(shè)備維護與常規(guī)電源不同，現(xiàn)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(tǒng)。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，以滿足營銷、配電、調(diào)度部門融合數(shù)據(jù)的要求[13]。
當(dāng)前已有的計量采集模型中沒有采集終端模型，不能直接確定所采集的分布式風(fēng)電數(shù)據(jù)的具體位置；沒有風(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(biāo)準(zhǔn)中的故障模型對于故障導(dǎo)致停電處理的模型描述過于抽象，不能體現(xiàn)風(fēng)電饋線自動化處理流程。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，以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的信息交互。
本文以IEC 61968-11和IEC 61970-301為基礎(chǔ)，結(jié)合電網(wǎng)公司營配調(diào)數(shù)據(jù)融合的特點，通過對CIM模型的擴展來構(gòu)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化主站系統(tǒng)，主要實現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等基本功能和電網(wǎng)拓?fù)浞治鰬?yīng)用等擴展功能，并具有與其他應(yīng)用信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的功能，為配電網(wǎng)對分布式能源調(diào)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(gòu)建了客戶表計的計量體系，包括用戶表計、表計讀數(shù)、表計事件等，通過UsagePoint能夠構(gòu)建完整的中低壓配電網(wǎng)模型。要將電表Meter的數(shù)據(jù)上傳到主站系統(tǒng)，還必須要有采集終端，而采集終端是可以實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)雙向傳輸以及轉(zhuǎn)發(fā)或執(zhí)行控制命令的設(shè)備[14]。
但是目前在Metering包中還沒有采集終端的模型，雖然在IEC 61970 CIM中有RemoteUnit的模型描述，但是其側(cè)重于SCADA系統(tǒng)，適用于直采直送，即RemoteUnit收到數(shù)據(jù)以后立即向上位機轉(zhuǎn)發(fā)，對計量系統(tǒng)并不適用。因此，本文擴展了計量系統(tǒng)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(gòu)建的遙測量采集CIM模型擴展了3個新類，分別是采集終端類CollectionDevice、采集對象類CollectionObject、采集終端安裝位置類CollectionDeviceLoacation。
CollectionDevice類派生于EndDevice類，擴展有通信地址屬性。它既可以包含多個采集對象CollectionObject，也可以對應(yīng)一個采集終端安裝位置CollectionDeviceLoacation。一個位置可以被安裝0或多個采集終端。
一個采集對象CollectionObject對應(yīng)一個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(shù)是以MeterReading為對象來組織的，CollectionObject通過與Meter的對應(yīng)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)電場運行狀態(tài)的好壞直接影響著配電網(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(guī)定》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全穩(wěn)定性等方面做出了規(guī)定，包括電壓諧波、電流諧波、電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和功率波動等要求[15]。因此，建立一套風(fēng)力發(fā)電運行狀態(tài)評估指標(biāo)體系，并提出科學(xué)合理的評估方法，能幫助運行人員及時掌握風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)近期的運行狀態(tài)，從而為配電網(wǎng)的運行工作帶來很大的實際價值[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(biāo)都可以直接利用配電自動化、調(diào)度自動化和用電信息采集等系統(tǒng)的融合數(shù)據(jù)，按照各指標(biāo)的權(quán)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、準(zhǔn)確、合理。具體CIM擴展模型如圖4所示。其屬性描述見表2。
3.3 故障處理CIM建模
在IEC 61968-11中，對于故障導(dǎo)致停電的處理模型描述過于抽象，沒能體現(xiàn)出饋線自動化的處理流程，不利于對饋線自動化功能進(jìn)行精細(xì)化管理以及在多個系統(tǒng)中共享饋線自動化功能執(zhí)行結(jié)果，即故障會導(dǎo)致一個停電事件，而恢復(fù)供電會有零到多個SwitchPlan。對于SwitchPlan沒有更多描述，要想理解其具體作用，還需要進(jìn)一步觀察與之關(guān)聯(lián)的WorkTask并結(jié)合拓?fù)潢P(guān)系才能知道到底隔離故障還是恢復(fù)上游[17]。
對于一個沒有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如營銷管理系統(tǒng)，在得到一個停電事件恢復(fù)處理過程的信息時，是無法知道其具體操作含義的。目前缺少對饋線自動化進(jìn)行擴展建模及告警的方法，影響了對饋線自動化功能管理和評價時信息交換的標(biāo)準(zhǔn)化以及告警功能的實用性。為了對饋線自動化功能進(jìn)行精細(xì)化管理，提高模型的標(biāo)準(zhǔn)化水平和互操作水平，增強告警功能的實用性，本文擴展了饋線故障后的故障處理模型，如圖5所示。
擴展的主要內(nèi)容如下。
1）建立FaultIsolationRestoration（故障處理類）、IsolationPlan（故障隔離類）、UpstreamRestoration- Plan（上游故障恢復(fù)類）和DownstreamRestoration- Plan（下游故障恢復(fù)類）。
2）建立各類之間的關(guān)系：每個FaultIsolationRestoration對象對應(yīng)0或1個Outage（停電類）對象、1個IsolationPlan對象、0或多個UpstreamRestorationPlan對象以及0或多個DownstreamRestorationPlan對象。
3）設(shè)定各類的主要擴展屬性：FaultIsolationRestoration類包含F(xiàn)aultTime（故障發(fā)生時刻）、IsolationTime（隔離方案執(zhí)行完成時刻）、UpstreamRestorationTime（上游故障恢復(fù)完成時刻）和DownstreamRestorationTime（下游故障恢復(fù)完成時刻）。IsolationPlan類包含IsolationTime（隔離方案執(zhí)行完成時刻）。UpstreamRestorationPlan類包含UpstreamRes- torationTime（上游故障恢復(fù)完成時刻）。DownstreamRestorationPlan類包含Downstrea- mRestorationTime（下游故障恢復(fù)完成時刻）。
4 模型應(yīng)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時數(shù)據(jù)，通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)集成技術(shù)，傳輸至準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)中心。準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)中心采用基于中間件的集成技術(shù)，集成框架有3個層次，包括適配器層、準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)中心以及消費應(yīng)用層。其中適配器層有采集終端、氣體絕緣組合電器設(shè)備（GIS）等外部系統(tǒng)，每一個系統(tǒng)有一個接口適配器用于與準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)中心層通信。
準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)中心主要用于整合外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為消費應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它的展現(xiàn)形式可以做成類似于toad數(shù)據(jù)庫查詢分析器。準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)中心主要由配置表、SQL解釋器、數(shù)據(jù)庫（DB）、Java消息服務(wù)（JMS）四大部分構(gòu)成，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)清洗、儲存和訪問。消費應(yīng)用層包含營配融合的九大應(yīng)用場景。整體框架如圖6所示。
利用數(shù)據(jù)集成和面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）技術(shù)，在配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺中加入新能源監(jiān)測模塊，系統(tǒng)頁面如圖7所示，實現(xiàn)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，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)來源的惟一性、數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一性和良好的數(shù)據(jù)共享性。
2）通過友好型逆變器等監(jiān)測采集模塊，實時監(jiān)測風(fēng)速等外部數(shù)據(jù)和并網(wǎng)點的運行數(shù)據(jù)，故障時迅速確定故障位置，按各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計算，在線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(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺中，根據(jù)分布式電源的運行狀態(tài)和故障位置，遠(yuǎn)程控制分布式電源并網(wǎng)/離網(wǎng)動作。
結(jié)論
本文在IEC 61968/70標(biāo)準(zhǔn)中原有CIM基礎(chǔ)上，從滿足電網(wǎng)生產(chǎn)、配電運行等業(yè)務(wù)對風(fēng)電運行監(jiān)視的需求出發(fā)，建立了風(fēng)電及其信息交互系統(tǒng)CIM擴展模型。主要結(jié)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(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過擴展的CIM信息在基于IEC 16968/70標(biāo)準(zhǔn)的電力企業(yè)信息集成總線上傳遞，可以實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)管理系統(tǒng)之間的信息交互。
3）實現(xiàn)了配電網(wǎng)對風(fēng)電設(shè)備的設(shè)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(yīng)用于某智能電網(wǎng)綜合示范工程，未來可根據(jù)實際應(yīng)用需求進(jìn)行功能擴展。
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