面向PC118智能电网用户接口的CIM模型扩展研究Word文件下载.docx

1、3.3.4 电动汽车类模型 174. CIM的扩展领域 201. 智能电网标准现状分析随着全球环境压力的不断增大，社会对环境保护、节能减排和可持续性发展的要求日益提高。同时，电力市场化进程的不断推进以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升，要求未来的电网必须能够更优质的服务。为此，世界各国和组织不约而同地提出要建设智能电网，将智能电网视为未来电网的发展方向。而在推进智能电网建设中，标准的制定是重中之重，标准先行对建设好智能电网的意义不言而喻。本节对国外智能电网相关标准进行介绍，通过对比，阐述在CIM中进行用户侧信息模型扩展的重要意义。1.1 OpenADR“开放自动需求响应通信规范”也被称为O

2、penADR，是美国智能电网互操作性标准的基本组成部分。OpenADR开发的目的是支持动态电价（Dynamic Pricing），从而提高电网的经济性与可靠性的能源政策。OpenADR范围的重点是为DR事件和价格提供信号，在设施内部实现DR自动化的策略与技术方面也开展了卓有成效的工作。OpenADR对开放式Auto-DR中的通信规范问题进行了描述和阐释，它定义了一种通信数据模型，通过预先安装和编程好的控制系统对DR信号做出反应，自动完成通信过程及用户侧响应策略。作为一种通用的通信规约，OpenADR能够支撑各种DR项目的实施。OpenADR通信规范针对电价和DR激励信息提出了通信数据模型，但不

3、包括有关电力削减或转移策略的详细信息。OpenADR的通信系统能够连续运行、协调并传输电价或激励信息至工商业控制系统。自动化客户端可以连续监测这些信息，并将其转换为设备内部的自动控制策略。OpenADR规范在与DR相关的电价信息、基线信息以及流程等方面进行了完整建模，同时更多关注接口服务、流程以及交互模式的建模，但未涉及电力系统运行侧和用户侧具体实体对象建模。OpenADR主要有五大类服务，事件服务（simple EI Event和Full EI Event）、报告服务（Report）、注册服务（Registration）、Opt和Poll。OpenADR 2.0数据模型从OASIS能源互操作

4、性标准1.0版本中派生形成，其描述了一个灵活的、丰富的数据模型与结构，以传递价格、可靠性与其它DR激活信号，促进电力服务提供商、Aggregator和终端用户之间的公用信息交换。作为OpenADR 2.0规范的核心部分，其定义了公用信息访问和交换元素的语义以促进DR项目的开展。OpenADR 2.0比OpenADR 1.0更全面，涵盖了针对美国批发与零售市场的价格、可靠性信号的数据模型，并且根据满足DR利益相关方和市场需求的程度，分为不同的产品认证等级，包括OpenADR 2.0a，OpenADR 2.0b和OpenADR 2.0c框架规范，后一个规范均比前一个提供更多的服务和功能支持（如事件

5、、报价和动态价格、选择或重置、报告和反馈、注册、传输协议、安全等级等）。表1 OpenADR中定义的实体实体功能eiEventType需求响应事件OptTypeType加入/退出需求响应事件eiTargetType需求响应用户/资源eiEventBaselineType基线reportPayload负荷数据反馈meterAsset用户电表1.2 SEP2.02009年底，ZigBee联盟和Homeplug联盟开始制定SEP2.0规范。SEP2.0规范强调支持多种MAC/PHY协议和安全协议。满足OpenHAN SRS2.0。目前，SEP2.0已开始用户侧有关能源管理对象的对象建模工作，基于功能

6、集基础上把用户侧主要对象分为19个分组（package），每个分组包括多个对象（class），并在每个分组中定义对象之间的关系（relationship），每个对象包括若干属性（attribute）。19个分组包括需求响应和负荷控制分组、电价分组、计量分组、预付费分组、分布式电源分组、账单分组等。（1）SEP 2.0信息模型SEP 2.0根据设备实现功能划分出功能集的概念，功能集是设备实现SEP2功能所需资源的最小合集。在SEP2.0 v0.7与SE1.X中还规定了室内显示器、负荷控制设备、温控器、计量表等特殊设备，但在SEP2.0 v0.9中已经将所有智能用电设备统一化视为不同功能集的组合，

7、以适应消费市场多变的需求，不再将这些设备单独列出建模。从建模角度上看，SEP2.0设备是由一个或多个功能集（Function Set）组成，每个功能集由多个实现该功能的资源（Resources）组成；资源分为两种：普通资源与Link资源，Link资源用于资源的列表显示，方便管理；每个普通资源可能存在多个的属性（attribute）来说明资源的参数、内容；每个属性有对应的类型（attributeType），由一组基础类（int、String等）组成。（2）SEP2.0信息交换模型SEP2.0着重于其资源模型的定义，对于客户端与服务器的信息交互采用主流成熟的协议/架构来实现，其应用层协议采用RES

8、Tful HTTP、服务发现采用DNS/mDNS等实现；对于传输层及低三层协议没有要求，只要其能够安全可靠传输，能够承载HTTP服务，都可以作为SEP2.0的传输底层。同时SEP2.0也支持Subscription / Notification算法。通过Subscription算法，客户端在服务器上订阅感兴趣的资源；通过Notification算法，服务器提醒客户端订阅资源产生了变化。该算法有效降低网络的低负荷工作，并对实时性有良好的保障。由于SEP2.0没有规定低层协议，因此在相应的低层上信息可能会进行相应的加密（如Wifi）。在应用层上，SEP2.0采用基于TLS的HTTP（即HTTPS）

9、实现客户端与服务器之间的安全传输：可通过厂家发布证书或自签名证书与TLS握手机制实现设备之间的互认证；通过AES-CCM实现消息的加密与认证；通过ACL实现设备不同等级的认证与接入控制。1.3 IEEE1547IEEE 1547标准是最早发布的针对分布式电源并网的标准，于2003年由美国电气与电子工程师协会（IEEE）正式出版，当时分布式电源在配电网中的装机比例较低，IEEE 1547 标准是基于尽量减小分布式电源 对电网影响的控制思想制定的，认为电网的频率和电压由大规模传统电源调节，不鼓励分布式电源参与电网的频率和电压调节，不允许分布式电源向电网提供任何的辅助服务。当分布式电源并网时，要求其

10、在单位功率因数附近运行，当电网发生扰动时，要求其迅速从电网断开，不允许分布式电源具备故障穿越能力。系列标准IEEE 1547 中的IEEE 1547.5 、IEEE1547.7 和IEEE 1547.8 处于标准草案制定期间，尚未颁布。IEEE 1547.5 为10 MVA 以上容量电源的输电网并网提供相关的技术要求，包括设计、施工、验收测试和维护等方面的规定。IEEE 1547.7 介绍了分布式电源 或微电网并网对地方配电网影响的工程研究准则、范围和程度，阐述了对这种潜在影响进行研究的方法，并对研究的时机、所需数据、执行过程和结果评估进行了说明。IEEE 1547.8 提出了相关方法和步骤，

11、以扩展IEEE 1547 在创新设计和运作流程中的可用性和独创性，为分布式电源 或微电网并网设计、进一步实施方案提供更好的知识基础、经验和机遇。IEEE 1547给出了并网运行的分布式电源系统在配电网异常状态下对系统电压和频率的响应，规定了电压、频率异常情况下分布式电源与系统解列的动作时间要求。同时，对分布式电源的孤岛保护及分布式电源与配电网重合闸之间的配合也提出了要求。1.4 IEC 61400-252006年12 月，国际电工委员会（IEC）公布了由IEC TC88 技术委员会起草制定的IEC 61400-25 标准。该标准是 IEC 61850 标准在风力发电领域内的延伸，专门面向风电厂

12、的监控系统通信。风电场监控通信协议IEC 61400-25以统一的信息模型和信息交换模型来规范风电场监控通信。IEC61400-25标准适用于风电厂的组件和外部监控系统之间的通信。风力发电厂组件的内部通信不在IEC6140025标准的适用范围内。其应用范围涵盖风力发电厂运营所涉及的部分方面，包括风力机、气象系统、电气系统以及管理系统，但不包括与馈电线和变电站有关的信息。变电站通信是通过IEC61850标准来规范的。IEC61400定义了风电场监控通信标准的信息模型。基于IEC61850-7-3和IEC61850-7-4，IEC61400-25提供了抽象类和服务的建模方法，这些服务不依赖于特定的

13、协议栈、具体实现方式和操作系统。抽象类和服务映射到具体的通信协议在IEC61400-25-4中有详细介绍。为了满足互操作性，所有信息模型数据必须定义强制性的语法和语义规范。语义主要是通过本部分指定逻辑节点和数据的名称来实现的。数据定义越严格，互操作性越容易实现。需要指出的是，数据具有完备的语义，只是满足互操作性的一个途径。由于数据和服务是在装置（IED）中实现的。因此，合适的装置模型及兼容域特定服务也是必需的（见IEC61400-25-3）。IEC61400-25-2部分对装置种类、逻辑节点种类、数据类和抽象公用数据类的抽象定义作了详细说明。2. CIM及应用CIM是一个抽象模型，它以面向对象

14、的方式描述了电力企业的所有主要对象，特别是那些与电力运行、资产（表计）管理有关的对象，使来自不同厂家的系统、设备，可以进行信息交换，完成互操作。经过十几年的持续发展和完善，基于多次互操作实验的成果，CIM从原先面向电力系统稳态领域逐步扩展到电力系统规划、动态等诸多领域，已逐步覆盖电力系统的发、输、变、配、用等主要环节，定义了上述环节最核心的信息模型。CIM版本也从2005年的CIM10演变成目前正在制定中的CIM16。IEC TC57 CIM数据模型主要由IEC 61970-301描述的电力系统运行所需 要的所有公共对象模型为基础，并由IEC 61968-11扩展用于配电领域，由IEC 623

15、25-301扩展用于电力市场领域，共同构成一个综合的电力系统信息模型，可以满足电力系统控制中心大部分应用的需要。IEC61970被当作是描述电力系统资源及其相互关系的核心模型，IEC61968描述的电力系统运行过程中的资产、负荷区域、事件、客户、文档、工作管理和计量模型等的逻辑视图标准。IEC 62325-301标准中的包或子包在IEC61970和IEC61968的基础上发展而来。对于CIM来说，虽然它覆盖了电力系统的大部分领域，但是对象是发展的，电力系统会不停地出现新的设备、装置。因此，CIM也将不停地引入新的内容，处于不断地修订、发展之中。目前，在我国智能电网的建设过程之中，“服务”的意识

16、不断地被渗透到整个工作之中，得到加强。为了更好地向用户提供优质的“服务”，我们有必要在CIM中扩展用户侧信息模型，并对此进行研究。2.1 电网运行早期的CIM主要内容为EMS信息模型中的对象，随着后续不断的完善与发展，逐渐扩展到电力系统运行的所有公共对象建模。这样， CIM的方法和内容也可以用于配电和变电站等电网运行领域的模型构建。配电管理系统（DMS）是利用电子、计算机以及自动化技术等对配电设备、用户电气设备进行监控及管理，以提高配电网的管理水平，包括集中监控、故障诊断、快速恢复供电、提高服务质量等。为了实现对整个配电系统的监视和控制，DMS必须利用网络、通信设备以及各类自动化设备来收集分布

17、很广的电网信息，然后经过系统一定的分析与处理，形成电力系统有价值的调度管理决策信息来保证配电网经济、可靠运行。由于配电管理系统涵盖了配电网分析及管理各个层面的应用，需要各类外部实时数据源系统进行信息支持，而各类系统通常都是独立开发，在与配电管理系统的衔接中存在平台、接口及规约等不统一，因此各个信息孤岛不能有效进行整合和信息共享。如何最大限度实现各类外部系统“即插即用”的接入方式，达到DMS系统灵活性与扩展性是DMS系统需要迫切解决的问题。为了实现上述真正具有分布性、可移植性和互操作性的开放式系统，减少增加新应用功能的开发费用并保护以前的投资，IEC在CIM的基础之上推出了针对EMS的IEC 6

18、1970标准和针对配电网的IEC61968标准，标准的CIM使企业的自动化系统的建设有了共同的标准。电网运行，偶尔需要发布负荷控制和价格信息，电网可能根据经济和紧急情况来运行。而为了保障电网的良好运行，用户侧的用电信息也应被采集，反馈给电网侧，以作为电网侧下一步操作的参考。2.2 资产管理 电力企业资产管理，不同于传统的设备管理仅以功能位置为依据来维护设备，它更关注设备个体的健康状况，因此资产信息建模工作是从设备自身物理属性出发，从资产角度构建设备的数据模型。而目前，针对企业设备资产的信息建模工作较少，大都局限于从功能位置角度构建设备台账和编码，而企业资产管理需要根据设备自身分类特性组织设备树

19、，这就对设备资产信息模型提出了较高要求。IEC 61968的CIM中提出了资产的概念，给出了比较成熟的资产模型。该模型完全可以作为资产管理系统建模的参照和依据。 资产是被某机构所拥有的物理实体，它要经过购买、安装、维护、维修、折旧和报废等生命过程，并产生一系列重要的历史资料记录。资产（Asset）与电力系统资源（PSR）相互关联，但二者描述设备的角度不同，前者注重设备的物理特征，而后者注重在电网中的功能位置，即设备的逻辑特征，由前者来实现。资产与组织（Organization）相关联，也可与多个组织机构有关，如检修、运行部门等。资产与量测（Measurement）关联，产生量测值（Measur

20、ementValue），并关联端子（Terminal）。IEC 61968-11资产包中明确定义了资产概念，并充分发挥文档在资产管理中的作用。 电网功能位置上的资源，需要资产来具体实现，它们之间存在着多对多的关联关系，即同一资产可先后服役于不同功能位置，而同一功能位置也可先后由不同资产来服役。 CIM资产模型可大致分为基础模型和工作模型，基础模型中从5个侧面描述资产属性，分别以Asset、TypeAsset、AssetModel为根类，针对电气设备派生出ElectricalAsset, ElectricalTypeAsset,ElectricalAssetModel子类，三者均聚合电气属性类E

21、lectricalProperties，形成电气资产模型框架。此外，在建模中发现电气设备本身带有机械参数，具有共性需要扩展，故在电气属性之外，扩展根类机械属性MechanicalProperties并与其他根类关联，而这五大根类就形成了资产的基础模型框架。 反映资产业务活动的工作模型则通过文档形式记录数据，根据日常设备运行维护活动的不同可分为巡视、诊断、试验和维修4类，其结果定义为数据集。巡检业务均以工单为依据，对应CIM中类Work和WorkTask，工单包含工作内容，由作业指导书（Specification）规范，包含诸多工作步骤（Procedure），并可能产生一些量测值，且取值范围（L

22、imit）遵循额定值（Rating）定义。2.3 业务管理随着市场经济的发展，电力体制改革的深入，电力市场正日趋成熟。在市场化的进程中，客户资源在电力企业的发展中起着越来越重要的作用。为了适应这种新的形式，电网企业必须以市场和客户服务为核心，按照现代营销业务发展和集团化运作、集约化发展和精细化管理的要求，在业务管理的各个层面进行现代化改革，提升服务能力与水平，降低电力企业经营成本，提高企业经济效益和社会效益。IEC 61970和IEC 61968中提供了较为完整的电力公共信息模型（TC57 CIM），可以用于业务管理应用。停电管理系统（OMS）是用来检测和跟踪停电，辅助停电确认和/或恢复过程。

23、典型的停电管理系统包括功能，如电网运行故障管理、运行规划与优化、电网运行仿真、维护与建设、维护与视察、工作计划与分派。对于SCADA监测不到的停电，电网企业通常依赖于从用户的电话投诉来确定故障位置。然而，使用抄表系统可以提供其它故障定位的方法。抄表系统需要经常确定其与电能表是否断开，这是停电管理系统的功能之一。因为对于抄表系统的支撑软件偶尔短时间内与电能表失去联系是正常的，与电能表失去通信并不足以表示停电。计费系统对识别停电存在和停电范围是重要的信息来源，可以确认停电后的恢复供电。如果发现停电或恢复供电数据，计费系统具有向停电管理系统发布的能力。在停电管理系统中，该类型的信息结合用户打进的电话

24、使得可以更好的预报停电位置。然而，由于停电检测具有时间敏感性，包含了对计费系统请求/应答接口的需要，停电管理系统能够向配网的特定设备要求通过计费系统的测试，返回带电状态用于分析。请求/应答接口能向停电管理系统提供进行停电预测的关键数据。工作管理系统是对现场资源履行的工作负责。该系统在维护和建设维护和巡视（MC-MAI）中覆盖。至于电能表，工作管理包括安装、维护和电能表更换。这也包括特殊读表过程。3. 用户侧与电网的信息交互需求建设“坚强智能电网”，就是希望通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一个客户服务总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高有效率，提高整个电网的可靠性，使运行

25、和管理达到最优化。而想要完成上述的诸多功能，就需要对用户侧信息进行建模，在电网与用户设备之间频繁地进行交互，将电网的运行状态展示给电力用户，把电力用户的具体用电信息反馈给电网。因此，在CIM中扩展用户侧信息模型，具有十分重要的意义。3.1 配电网运行和管理配电网的运行和管理需要用户信息，包括：用电模式、负荷预测、电能服务协议，来调整运行方式和控制策略实现移峰填谷，以及制定停检修计划、电网升级改造计划、规划等。图1 配电网运行管理与用户交互用例图如图1所示，电网公司在系统高峰时段通过电力监控和电力信号关闭或者循环控制用户的用电设备，主要用于解决系统或区域可靠性紧急状况，且参与的负荷一般是那种短时

26、间的停电对其供电服务质量影响不大的负荷，从而可以降低系统高峰负荷，提高负荷率，而且尽可能降低对用户和电网公司的影响，同时参与用户可以获得相应的中断补偿。这一过程中，需要用户将自身的可削减负荷能力（一定程度上，等同于用户自身的负荷预测）上报给电网公司，由电网公司对其匹配相应合同，完成相关控制操作。3.1.1 负荷预测图2 负荷预测类图如图2所示，用户最终得到的是负荷预测的曲线，来指导自己的近期用电行为，并上传给电网公司以作参考。停电管理系统（OMS）中的电网运行仿真功能，可能会使用用户的负荷预测曲线，用于仿真实验，观察近期可能出现的大负荷时段，提前做好准备，保护好电网的稳定性。3.1.2 传递合

27、约信息图3 传递合约信息如图3所示，用户合约是用户根据自身的负荷状况（可削减负荷状况）与电网公司签订的合约计划。计费系统，通常在对用户的用电状况进行结算时，会查看用户合约中的费率表等信息；且计费系统，直接关联用户的账户（银行账户），方便结算。3.2 用户用电策略用户的用电策略需要来自配电网的信息：实时电价信号、政策激励信号、供电协议和计费标准等。通过结合上述配电网信息，结合用户自身负荷状况，与常用设备、系统的能效评估模型进行对比，完成用电数据的能效分析，形成用户的用电策略，发送给用户，指导用户合理用电，降低用电成本。生成用户用电策略用例图，如图4所示。图4 生成用户用电策略用例图3.2.1 传

28、递能源价格信息图5 传递能源价格信息如图5所示，类图展现了能源价格信息的传递状况，由EnergyPriceIndex来承载能源价格信息。计费系统，在进行结算时，查看能源价格信息，结合用户的用电量，直接将账单关联给用户账户。3.2.2 传递能源交易信息图6 传递能源交易信息如图6所示，类图展示了能源交易的过程。图5关注于能源价格信息，而图6更加注重能源交易的整体过程，交易的完整性。在计费系统中，可以得到很好地体现。3.3 用户侧设备的并网用户侧的分布式电源、储能装置、电动汽车等新能源的并网，随之而来的双向潮流、发/储状态切换、短路电流、保护配置调整等，都需要配电网与用户产权的装置进行信息交互。3

29、.3.1 风电系统通过分析风力发电机组、风力发电厂的设备组成，工作原理以及运行特性，以实际需要为准绳，对风力发电以及并网监控等相关环节所涉及的电气参数、非电参数、设备信息等进行了筛选、归纳和整理，以IEC61970为模型基础，形成了风力发电部分的信息模型，并将其作为IEC61970的扩展单元，使之融入电力系统公共信息模型中。包括三类信息：1、设备资产信息；2、测量数值及设定值；3、设备状态信息。图7 风机基本元件图8 风机属性和控制参量3.3.2 光伏系统光伏发电系统，一般称为PV系统，是通过太阳能电池将太阳辐射直接转换为电能的发电系统。包括光伏电池单元的具体属性、光伏电池阵列属性、光伏电池控

30、制属性、环境状态属性以及光伏系统的特性等。与CIM相比，其模型有较大差距，一般采用IEC 61850与CIM融合建模的方式，在CIM的相关内容中扩展出与IEC 61850具备映射能力的模型。图9 光伏系统元件3.3.3 电池系统燃料电池和电池储能都属于分布式能源，且都以电池或电池组为其核心部分。但前者更强调发电和输出的功能，后者的重要特征是利用电化学介质的反应来完成充电和放电过程。包括储能设备类、电池、电池组、电池充电器、燃料电池、辅助电池、控制以及环境状态等信息量。图10 电池系统元件3.3.4 电动汽车类模型电网公司发布实时电价信息和DR事件信息，以削峰填谷为目标选择对充电汽车进行充电或放

31、电；用户依据电价信息结合自身需求，对充电汽车进行充放电。充电桩接收来自电力企业的电价等信息，自动避开高峰时间充电；同时，充电桩还可以在充放电操作之前，通过对电池状态信息的采集，结合充放电级别需求，对充放电参数进行配置，完成充放电的优化方案，省时省力、节约成本地为用户完成充放电操作。EV充放电用例图，如图11所示。图11 EV充放电用例图电动汽车的建模包括电动汽车本身和充/换电站两大部分。电动汽车划分成电气部分和机械部分，电气部分主要完成电动汽车各个电气系统的建模，而机械部分主要完成电动汽车机械参数的建模。充/换电站其主要涵盖充电站的设备，包括直流充电桩和交流充电桩，以及计价和运营信息。（1）充/换电站系统元件图12 充/换电站系统元件（2）电动汽车元件图13 电动汽车元件4. CIM的扩展领域电网公司信息化逐步深入到各个核心业