（电力系统及其自动化专业论文）基于cim的分布式发电系统图形平台的研究.pdf

r e s e a r c ho fc i m b a s e dg r a p h i cp l a t f o r mo fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m so fh u m a ns o c i e t yh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，t h et e c h n o l o g yo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni sg a i n e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o na n dw i d e l yu s e d h o w e v e r , al a r g en u m b e ro fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s ， c o n n e c t e dt ot h eb u l kp o w e rn e t w o r k ，h a v eb r o u g h ts o m en e g a t i v ei m p a c t so n s e c u r ea n ds t a b l eo p e r a t i o n a n dt h em i c r o g r i dp r o v i d e san e wa n de f f e c t i v ew a y o fm a k i n gf u l lu s eo fd i s t r i b u t e de n e r g y a tp r e s e n t ，t h e p r a c t i c a lo p e r a t i n g e x p e r i e n c e a n dd a t ao fm i c r o g r i di s v e r yl i t t l e i nt h ew o r l d t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt oe s t a b l i s ham i c r o g r i de x p e r i m e n t a ls y s t e m ，i no r d e rt os t u d yt h e m i c r o g r i d so p e r a t i o n ，c o n t r o la n ds c h e d u l i n gs t r a t e g yd e e p l y h e f e iu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y h a se s t a b l i s h e dac o m p l e t e e x p e r i m e n t a ls y s t e m o fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n s t h i sp a p e ri sa i m e d a t s t u d y i n gt h eg r a p h i cs u p p o r t i n gp l a t f o r mo fa n e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) f o rt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h es t r u c t u r eo fe n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ms o f t w a r e ， f o c u s i n go nt h ep o s i t i o na n dr o l eo fg r a p h i cp l a t f o r m ，a sw e l la st h ed e v e l o p i n g p r o c e s so fg r a p h i cp l a t f o r m w i t ht h ec o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c i m ) i ni e c 619 7 0i sp r o p o s e d ，t h e p o w e rs y s t e ms o f t w a r eh a sas t a n d a r dd e s i g n i n gc r i t e r i o n c i mi s s t u d i e di nt h e p a p e r ，a n dt h em o d e lo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni sb u i l ti nc i m t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fg r a p h i cp l a t f o r ma r ea n a l y z e d ，a n dt h ep l a t f o r m i sd e s i g n e dw i t ht h eh i e r a r c h i c a li d e a a c c o r d i n gt oc i m ，t h ep a p e rh a sd e s i g n e d t h eg e o m e t r i cp r o p e r t y ，e l e c t r i cp r o p e r t ya n dt o p o l o g i c a lp r o p e r t yo fe q u i p m e n t e l e m e n t s w i t hv i s u a lc + + 6 0a st h ep r o g r a m m i n gt o o la n ds q ls e r v e r 2 0 0 0a st h e d a t a b a s e ，t h eg r a p h i cp l a t f o r mi sr e a l i z e d f o r m i n gt h eo r i g i n a lt o p o l o g y i ng r a p h i cp l a t f o r mi st h ef o u n d a t i o no f a d v a n c e da p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h ef o r m i n gp r o c e s so fo r i g i n a lt o p o l o g yu n d e r g r a p h i cp l a t f o r m i ss t u d i e d t h et o p o l o g ya n a l y s i si s i m p l e m e n t e db yu s i n ga s i m p l ea n dp r a c t i c a la r i t h m e t i c ，n o d em e r g i n ga r i t h m e t i c a i m i n ga tt h ep r o b l e mo f t h es w i t c h so v e r t u r n ，t h ep a r t i a lt o p o l o g yr e v i s i o ni sc a r r i e do u tb a s e do na h i e r a r c h i c a la p p r o a c hs t r a t e g y ，i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o g r a m se f f i c i e n c y k e y w o r d s ：c i m ；d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；g r a p h i cp l a t f o r m ；t o p o l o g ya n a l y s i s 插图清单 图卜l 微电网结构示意图3 图2 1 合肥工业大学微电网一次系统图6 图2 2 微电网e m s 的体系结构8 图3 一l c i m 3 0 l 部分的包图1 2 图3 2 泛化的例子1 2 图3 3 简单关联的例子1 3 图3 4 聚集的例子1 3 图3 5 c i m 中的电网拓扑模型1 4 图3 6 c i m 的电网拓扑模型举例1 4 图3 7 分布式电源的c i m 模型1 6 图4 1 图形平台的功能层次结构1 9 图4 2 笔画基类的派生关系2 0 图4 3 设备图元的几何属性2 2 图4 4 从c i m 到拓扑属性的转化2 5 图4 5 图形平台的总体框架2 6 图4 6 图形的拾取与绘制流程2 8 图4 7 图形平台的运行主界面3 1 图5 1 网络拓扑分析模块和图形平台的关系3 2 图5 2 原始拓扑的形成过程3 3 图5 33 2 母线接线方式3 4 图5 4 树状图3 6 图5 5 电力系统模型3 8 图5 6 拓扑节点分析结果3 9 图5 7 拓扑岛分析结果3 9 图5 8 开关变位时拓扑的修正流程图4 0 图5 9 算例系统接线图4 1 表格清单 表3 1 图3 - 6 中的拓扑结构信息l5 表4 1 笔画基类的结构设计2 0 表4 2 断路器的电气属性2 3 表4 3 域包中c u r r e n t f l o w 的定义2 4 表4 4 c i m 与s q ls e r v e r2 0 0 0 的映射关系3 0 表5 1 拓扑分析部分数据4 2 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金月墨工些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：南石千签字日期：w 移年牛月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆工些友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本入授权佥胆些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：鬲研 导师签 签字日期：别口年争月z7 日 签字日期：列p 年铲月z 日 学位论文作者毕业后去向： j l ：作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 两年多的时光转眼间已飞逝，当一个个朋友挥手告别时，我突然感觉到离 别季节的来临。硕士研究生两年多的求学生活，犹如清风无声无息从我身边流 走。蓦然回首，一个个笑脸在脑海漂浮，渐行渐远。 在论文完成之际，我要首先感谢我敬爱的导师一一丁明教授。本论文是在 丁明老师的悉心指导下完成，丁明老师在我论文选题以及写作过程中给予悉心 的指导和巨大的支持帮助。丁老师严谨求实的治学态度、脚踏实地的工作作风、 和平易近人的学者风范让我感触良多，从丁老师身上学到的不仅仅是科研的知 识和技巧，更重要的是做人的道理和生活的态度，这些知识让我终生受益，在 此，衷心感谢丁明老师的谆谆教诲和栽培，向丁老师致以崇高的敬意和诚挚的 谢意。 同时感谢毕锐老师对我在项目开发以及论文写作方面的指导和帮助，论文 的顺利完成和毕老师的汗水也是分不开的。 在读研期间，得到了0 7 级各位同学以及各位师弟、师妹的帮助和关心，在 此一并表示感谢! 最后，深深地感谢我远在家乡的父母和亲人，是你们无条件的爱和永恒的 支持，才让我一直昂首前行。 作者：高研 2 0 10 年3 月 第一章绪论 1 1 分布式发电及其在电力系统中的应用 人类社会的生存与发展离不开能源，能源是人类社会生存和发展所必需的 物质基础。随着工农业生产和人民生活现代化的发展，人类对能源的消耗量和 对能源的需求量急剧地膨胀。然而，传统的不可再生能源，如：煤、石油、天 然气等，终究要走向枯竭。并且不可再生能源的大规模使用也加剧了人类生存 环境的恶化，这甚至将威胁到人类的生存和可持续化发展。能源和环境问题越 来越成为制约人类发展的重大问题。为此，人类必须不断寻找新的、清洁的、 安全可靠的可再生能源以满足不断增长的能源需求。分布式发电( d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ，简称d g ) 技术在这种条件下应运而生了。凭借其在环境保护和可 持续发展等方面的优势，分布式发电技术受到越来越多的关注和研究。分布式 发电与大电网联合运行是未来电力系统发展的必然趋势。 1 1 1 分布式发电的定义和分类 分布式发电是相对于传统的集中式发电而言的，是指位于或者接近负荷的 规模较小的发电设施，它们或接在配电网上或独立运行，经济、高效、可靠地 发电2 3 1 。 分布式发电技术主要包括燃料电池技术、微型燃气轮机技术、风力发电技 术、太阳能光伏发电技术和生物质能发电技术等。 l 、燃料电池技术 燃料电池是一种将燃料的化学能转变为直流电能的电化学装置。燃料电池 工作时，不需要燃烧，是直接将燃料( 天然气、煤制气、石油等) 中的氢气借 助于电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电。在获得 电能的过程中，副产品仅为水和少量二氧化碳等。 2 、微型燃气轮机技术 微型燃气轮机是指以天然气、甲烷和汽油等为燃料的超小型燃气轮机。其 发电效率可达3 0 ，如实行热电联产，效率可提高到7 5 。微型燃气轮机的特点 是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单。 3 、风力发电技术 风力发电技术是将风能转换为电能的技术。风力发电机组从能量转换角度 分成两部分：风力机和发电机。风速作用在风力机的叶片上产生转矩，该转矩 驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速轴等装置再与异步发电机转子相联，从而发电 运行。它最有希望的应用前景是用于无电网的地区，为边远的农村、牧区和海 岛居民提供生活和生产所需的电力。风力发电技术在新能源领域已经比较成熟， 经济指标逐渐接近清洁煤发电。 4 、太阳能光伏发电技术 太阳能的转换和利用方式有光热转换、光电转换和光化学转换等。目前， 技术比较成熟的、应用广泛的是太阳能光伏发电技术，即光电转换。太阳能光 伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。光伏发电 具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等 优点。 5 、生物质能发电技术 生物质能发电是首先将生物质能转化为可驱动发电机的能量形式( 如燃 气、酒精等) ，再利用常用的发电技术发电。我国生物质能资源主要有农作物秸 秆、树木枝桠、畜禽粪便、能源作物( 植物) 、和垃圾等。 6 、其它可再生能源发电技术 其它可再生能源发电技术主要包括海洋能( 潮汐能、波浪能等) 发电技术 和地热能发电技术等。此外，储能技术，包括超级电容储能、蓄电池储能、飞 轮储能等，也得到了广泛的关注。它们也都具有很不错的应用前景。 1 1 2 分布式发电的优越性 分布式发电由于其在效率、能源多样化、环保、节能等多方面的优越性h 引，再加上电力市场的实施，这种发电技术得到广泛的关注。分布式发电和传 统发电技术相比具有以下优势： 1 ) 环保性：d g 以风力、太阳能、生物质能等可再生清洁能源为发电原料， 能减少c o ：、s o 。、n o 。等有害气体和固体废弃物的排放，环保性能良好：直接 安置在用户近旁的d g 避免了输电线路可能产生的电磁污染。 2 ) 相比传统大型电厂，d g 投资成本低、风险小、占地少、建设周期短， 有利于在较短时间内解决电力短缺问题。 3 ) 节能效果好，传统发电方式能量形式单一，主要采用煤炭、石油等化石 燃料，而d g 使用风、太阳能、潮汐等二次能源，不用考虑能源的枯竭问题。 4 ) 降低网损和输配电投资；传统供电模式网损一般约为1 0 ，我国甚至高 于15 ，而分布式电源就安装在负荷附近，不必建设昂贵的输电网络和变电站， 节省了投资成本。 5 ) 提高供电的可靠性。在大型发电厂大规模增加的时候，电网的急速膨胀 对供电的安全与稳定带来很大威胁，一旦电厂和输电干线发生故障将导致大面 积停电。d g 采用性能先进的控制设备，开停机方便、操作简单、与大电网配 合可大大提高供电可靠性，弥补其安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外 灾害情况下仍然可维持重要用户的供电。 6 ) 为可再生能源的利用开辟了新方向；我国可再生能源资源丰富，但相对 于化石能源其能流密度较低、分散性强、能源利用率较低，充分发展d g 可为 其利用开辟新的方向。 2 1 1 3 分布式发电的全新组织形式一一微电网 虽然分布式发电具有上述的诸多优势，然而，分布式发电的大规模接入电 网，也产生了一些负面影响，如分布式发电单机接入成本高，调节控制较复杂 等。另外，从系统的角度考虑，分布式发电是不可控的发电单元，因此系统总 是试图采取隔离、切机的方式来控制分布式发电单元，以消除其对大系统电压 和频率的冲击哺3 。根据文献 7 所述，当电力系统发生故障时，d g 必须立即切 机退出运行，这就极大地限制了分布式发电的优势的发挥。 为了尽可能的发挥分布式发电的优势，并尽量减少其对大系统的冲击，充 分利用d g 的效益和价值，微电网( m i c r o g r i d ) 的概念被提出来了。 微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力电子技 术，将微型燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直 接接在用户侧埔1 。对于用户而言，微电网可以满足他们特定的需求，如增加本 地供电可靠性、降低网损、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的 效率及提供不间断电源等。对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可 控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求；微电网和大电 网通过p c c 进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。图卜1 所示为由微型燃气轮机、风力发电、光伏发电、生物质能发电、燃料电池和储 能装置构成的微电网系统，其中部分微电源接在热负荷附近，可以为当地用户 供热，从而提高了能源的利用效率旧，。 大电网 守甲守 占。-l 图卜1 微电网结构示意图 1 2 可视化技术概述 1 2 1 计算机可视化技术简介 科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t a t i o n v i s c ) 是指运用 计算机图形和图像技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形 或者图像在屏幕上显示出来，把计算中所产生的数字信息转变为直观的、以图 像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象呈现在用户面前，从而使 用户摆脱分析理解过程中所产生的巨大数据量，让他们能够观察到模拟和计算， 并可以进行交互处理的理论、方法和技术“0 1 。科学计算可视化将图形生成技术 和人机交互技术有机地结合在一起，实现从复杂的海量数据中产生图形，通过 对计算及数据进行归类，使得用户更深刻的理解数据和物理现象。虽然计算机 用于科学计算已有近5 0 年的历史，但是使用者不能对计算过程进行干预和引 导，被动地等待计算结果的输出，而大量的输出结果又往往采用人工处理方法， 这样做的结果，不仅使数据处理十分繁琐和费时，不能及时得到计算结果的直 观、形象的整体概念，而且还会丢失大量信息，严重影响着人们对自然规律的 更深层次的认识。近年来，随着科学技术和计算工具的迅猛发展，待处理的数 据量越来越大，如何对这些数据进行快速处理，使浩如烟海的数据得到有效的 利用。无疑，这个问题的解决有赖于科学计算可视化。由此可知，科学计算可 视化的目的就是依靠人类强大的视觉能力，促进对所考察数据更深一层的理解， 培养出对新的潜在过程的洞察力。 1 2 2 图形技术在电力系统的应用 图形技术作为可视化技术的关键，在过去2 0 多年的时间里得到了飞速的 发展和广泛的应用。图形技术在计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 、图形化 的用户界面、地质勘探( 地形地貌和自然资源图) 、办公自动化和辅助教学等领 域已经有不少应用h 。 电力系统是一个极其复杂的大系统，无论是信息的深度和广度都是一般系 统所无法比拟的。电力系统中的发电机、变压器和输电线路等电气设备类型众 多，数量巨大，地理位置分布广阔，电力系统的设备图纸，设备元件属性数据 和网络连接关系等信息数据的规模越来越大，并且电网的结构和运行方式频繁 变动，涉及到庞大的各类信息和数据。同时，随着分布式电源的接入、电力市 场化的改革和e m s 高级应用软件的完善，都使得电力系统调度、继电保护和分 析计算所需要的信息量和数据量巨大。以计算机技术和网络技术为代表的信息 技术的迅猛发展，给电力系统自动化的发展带来新的机遇和挑战。如何在海量 的电力数据中进行数据的选择、归类、分析和结果展示是电力系统急需解决的 关键问题。图形化平台技术具有形象直观易懂，便于合理组织数据，有利于人 们发现和分析数据之间的内在联系，揭示电力系统的物理现象等众多优点，得 到了广大电力系统研究人员的青睐，迅速成为了电力系统应用软件开发的热点。 1 3 电网拓扑分析概述 电网拓扑分析又称网络接线分析，是潮流计算、状态估计等高级应用的基 础引。电力系统拓扑分析的实质是根据网络中的开关状态，把用设备节点描 述的物理模型转换为用母线支路表示的等值数学模型，从而给有关的应用软件 提供给定的运行方式下的电网接线数据和信息。 4 拓扑分析由两个步骤组成。第一步是变电站分析，其任务是根据开关的运 行状态将由闭合开关相连的节点归并为母线，也叫做母线分析；第二步是网络 分析，根据支路的连接情况将相连接的母线划分为若干个子系统，也叫做电气 岛分析。 对电网拓扑分析的要求有3 1 ： 1 ) 可靠性：对任何形式的实际电气接线( 如3 2 母线接线、角型接线等) 均能进行正确处理。因为，电力网络接线分析的错误必然带来网络分析错误， 这样使得电力系统中其他分析计算软件不能取得真实可靠的网络参数和数据。 2 ) 方便性：电力系统的网络拓扑分析结果要求直观简单。如不带电的元 件用暗色表示，运行元件根据元件的电压等级使用不同的颜色表示。对于判断 电网中某一元件是否处于停运状态，可以通过其相连的开关或判断其所属的电 气岛是否为活岛来决定。由于在拓扑分析过程中，母线经常会发生分裂或合并， 所以要对母线的编号进行修正。 3 ) 快速性：拓扑分析是电力系统各种运行方式的出发点，希望尽可能地 快速。由于在实际电力系统中，某个变电站的某个开关状态发生变化，不一定 影响到网络中其他部分拓扑结构的变化，甚至有可能都不影响到本变电站其他 电压等级元件的拓扑结构。因此，这就需要设计出合理的分析方法，尽可能缩 小动态追踪的范围，以便能快速有效的跟踪系统中拓扑结构的变化。 1 4 本文的主要工作 分布式发电由于其在经济、社会及环境效益等方面的优势，在国内外都得 到了快速的发展。然而，分布式发电系统的大规模接入，对大电网的安全、稳 定运行产生了一定的负面影响。微电网概念的提出为分布式能源的充分利用提 供了全新的模式。目前，关于微电网的运行经验和数据比较缺乏。合肥工业大 学在国内率先建立了完备的微电网实验硬件平台。为了研究微电网的运行特性 及调度控制策略，需要设计开发满足微电网需求的能量管理系统软件。本文主 要针对分布式发电系统的图形平台进行研究。主要做了以下工作： 1 ) 研究了微电网能量管理系统的体系架构，重点讨论了图形支撑平台在 能量管理系统的地位和作用； 2 ) 研究了i e c 6 1 9 7 0 中的c i m ，按照c i m 规范，对分布式电源进行了面 向对象建模，满足图形平台对模型的要求； 3 ) 根据高级应用软件的需求，对图形平台的功能需求和层次模块进行分 析设计，按照c i m 标准设备图元进行详细设计，研究了c i m 面向对象模型向 关系型数据库的映射方法，采用图模库一体化技术实现图形平台； 4 ) 研究了图形平台下原始拓扑的形成，采用节点融合法实现电网的拓扑 分析，并用分层次处理方式应对开关变位引起的拓扑变化。 第二章微电网能量管理系统的图形平台 2 1 微电网能量管理系统 2 1 1 微电网的一次系统 到目前为止，世界上有关分布式能源的微电网运行实例较少，仅有美国、 德国等少数发达国家建有数百千瓦的分布式能源微网，可供借鉴的实验数据甚 少3 。因此，建立实验室级分布式能源微电网模拟系统成为分布式能源微电网 急需解决的关键问题之一。为了获得微电网的实际运行经验和运行数据，加深 对微电网运行机理等相关问题的理解和研究，合肥工业大学在国内率先建立了 微电网的实验硬件系统。该实验室包含有多种分布式电源或模拟分布式电源的 设备，主要有光伏发电单元、模拟风力发电机组、燃料电池发电单元、模拟火 力发电机组、蓄电池储能单元、轻型输电线路以及可控负荷等等。该微电网结 构是灵活可变的，硬件上可以实现“即插即用”，能够满足各种实验和科研的需 求，为研究微电网的相关问题提供了坚实的硬件基础。实验室的微电网一次系 统结构如图2 一l 所示。 图2 一l 合肥工业大学微电网一次系统图 2 1 2 开发微电网能量管理系统的必要性 研究分布式发电系统的能量优化管理方法，有助于提高微电网运行的经济 性能，更好地发挥微电网的作用，减小微电网对大电网的影响和冲击，有利于 减少常规能源的消耗，有助于改善人类的生存和生活环境“。 然而，微电网和传统大电网相比，具有自身独特的特点n 引，主要的不同点 如下： 1 ) 微电网中具有很多非常规发电机组( 如风力发电、光伏发电、燃料电 池、微型燃气轮机、生物质能发电等等) ，这些机组的控制调节方式与常规的水、 火电机组不同； 2 ) 微电网的运行模式比较灵活多变，有与大电网联网运行和孤岛运行两 6 种模式；微电网和大电网间的能量流动方向是双向的： 3 ) 微电网中有一些不可控电源，特别是太阳能光伏发电和风力发电，它 们的发电量受天气、温度等条件影响，波动性和随机性比较大； 4 ) 在微电网的运行过程中，蓄电池和超级电容等储能装置发挥了很重要 的功能； 5 ) 微电网中的分布式电源一般接在配电网侧，而配电网存在不少的单相 负荷，这使得微电网有很大的不平衡度： 6 ) 微电网的负荷种类丰富，除了具有电负荷外，微电网中可能会有一些 热负荷、冷负荷等； 以上的这些特点，就从根本上决定了适用于大电网的能量管理系统并不一 定完全适用于微电网能量管理，需要研究和开发适合于微电网的新的能量管理 方法和控制策略，从而在满足微电网运行要求的条件下，实现微电网中各个分 布式电源以及储能单元之间能量的合理分配和优化调度，实现风能、太阳能等 可再生能源的最大化利用，提高整个微电网系统的能量利用率和效率，提高微 电网系统的供电可靠性和电能质量。 2 1 3 微电网能量管理系统的体系结构 完整的实验室级分布式能源微电网系统，除了具备完整的物理硬件系统以 外，还应同时具备运行控制与能量管理功能。根据分布式发电实验室的微电网 硬件结构，并借鉴国内外能量管理系统的设计思想7 18 1 ，设计了微电网能量管 理系统软件平台，以实现微电网的运行监控、能量管理和优化调度。 微电网能量管理系统的分层次体系结构如图2 - 2 所示。由图可以明显看到 整个微电网能量管理系统分为四个层次，分别为：计算机硬件系统层、计算机 操作系统层、图形支撑平台层和高级应用层。其中，计算机硬件层主要包括p c 、 i b m 、c o m p a q 和h p 等各种硬件设备，操作系统层主要包括各种w i n d o w s 操作 系统和u n i x 操作系统。系统中的图形支撑平台层在整个能量管理系统体系中处 于核，t l , 地位，其设计是否合理直接关系到整个系统的结构、开放性和集成能力。 高级应用层主要包括数据采集与监控系统s c a d a 、自动发电控制a g c 、网络 分析n a s 、调度员培训仿真系统d t s 等高级应用。 图形支撑平台主要包括图形工具、数据库和应用接口等功能。其中，图形 工具一直承担着电网接线图的绘制、电网观察和调度操作等功能。数据库主要 由商用数据库和实时数据库构成，商用数据库主要用来保存电网模型数据，同 时提供历史数据服务。实时数据库主要用来保存设备的实时状态参数和信息。 同时由于电力系统新应用的不断增加，图形支撑平台又需要提供统一而丰富的 应用程序接口，既可以满足需求增长，又可以避免图形程序改动太大，从而使 图形程序更加稳定的运行。 7 运行人员 r t u 、表计、继电保护等设备 图2 2 微电网e m s 的体系结构 在图2 - 2 中，图形支撑平台层是连接计算机系统( 包括硬件系统和操作系 统) 和电力系统高级应用的桥梁。支撑平台层和高级应用层有着清晰的层次关 系，支撑平台层位于下层，而高级应用层位于上层，支撑平台层为高级应用层 提供通用的服务引。支撑平台层应在对各个应用的需求分析、总结与归纳的基 础上进行设计，为所有的应用提供公共的服务，包括图形画面管理、历史数据 服务、实时数据服务、网络模型管理等基本功能。在支撑平台的支持作用下， 各高级应用软件的开发可以集中精力从更高层次来分析和解决应用自身的问 题，并通过调用通用服务实现其完整功能，并且支撑平台也极大地方便了第三 方应用软件接入到e m s 系统，实现_ 体化。 2 1 4 能量管理系统对图形平台的要求 图形平台作为能量管理系统高级应用的基础和支持，需满足如下要求引： 1 ) 平台的稳定性：图形平台的稳定性是首先设计时要考虑的因素之一。图 形平台必须能够保证所有的数据和信息得到安全可靠的存储，并且在图形界面 上显示的信息也要和数据库中电网的实际数据完全一致。如果图形不够稳定将 可能导致能量管理系统的重要数据出错或者丢失，无法为高级应用提供公共服 务，从而影响能量管理系统其它应用软件的正确运行，因此图形平台必须保证 足够的稳定性。 2 ) 平台的可扩展性：可扩展性是指开发者在不改变原有功能的前提下方便 地增加新的功能或拓展新的应用范围。图形平台的设计必须考虑到后续开发的 需要，方便其他功能的引入。 3 ) 平台的独立性：独立性是指减小图形平台和其他功能模块的耦合程度， 从而使图形平台的适用范围更加广泛。能量管理系统软件可以划分为许多功能 模块，在设计图形平台时应尽量减小其和其它软件模块的耦合程度，这样不仅 可以方便图形平台的编程，而且可以减少软件测试和排错的时间和成本。 2 2 电力系统图形平台的发展过程 自从a u t o d e s k 公司推出a u t o c a d 绘图软件以来，各行各业纷纷开发出满 足自身要求的图形平台软件，电力行业也不例外。随着信息技术的不断发展， 电力系统计算平台已经从基于d o s 操作系统的没有人机交互界面的版本升级 到具有友好图形界面的可视化版本，从使用文件操作发展到使用各种数据库技 术，操作方法也趋于简单化和便捷化。电力系统图形平台的发展大致可以分为 以下三个阶段叭： 1 ) 直接使用程序作图技术 这种方法主要是针对每一幅图直接编程，在程序中用各种命令将图形一一 画出，再用专门的子程序实现图素的动态刷新。这种编程方法比较繁琐，而且 用户很难参与图形的绘制与修改，图形如有变动必须重新编程。 2 ) 利用现有的绘图软件包 利用成熟的软件包( 如a u t o c a d ) 绘制静态图形，然后在程序中调用所绘图 形。这种方法比较简单，用户可以参与图形的绘制与修改。缺点是不能在画面 上直接发布各种控制命令，不能实实时反映系统的运行状况，无法满足电力系 统现场的需要。 3 ) 自主研发图形软件包 这种方法从系统底层开发做起，将所有图形的操作全部自主实现，不再受 底层平台的约束，可根据用户的实际要求来实现各种功能，加载各种计算模块， 系统的整体性能比较灵活和开放。 第一种方法在技术上比较落后，而且对人们的使用带来极大地困难，现在 基本上不再使用：第二种方法现在则大多被图纸设计部门用来绘制静态图形：第 三种方法是目前比较流行的用于计算、分析和仿真的图形平台，它以优越的性 能得到用户的认可，这是目前众多厂商普遍采用的一种方法。 从科研角度来看，电力系统图形平台可以为其他高级应用软件服务，高级 应用软件可以把图形系统作为一个试验平台，在这个平台上实现各种算法的输 入和输出，图形系统可以直观地反映出算法性能的好坏，有利于算法研究人员 对算法的改进和优化。 2 3 图模库一体化技术在图形平台的运用 对电力系统进行模拟是能量管理系统的基本任务瞳h2 引。如何才能建立、维 护和共享正确的电力系统模型，是能量管理系统设计必须考虑的问题。 9 在早期的能量管理系统中，用户对电网接线图的绘制和对设备的建模是分 开进行的。通常，用户首先在绘图界面上添加或者删除设备元件，然后手工定 义设备之间的连接关系；接着用户需要建立元件参数数据库，最后将接线图和 数据库人为绑定在一起。这种方法的缺陷是：用户需要直接面对数据库的数据 汜录，人工填写数据库记录的数据；此建模过程枯燥、不直观：图形界面上的 接线图有可能和数据库中的模型信息不对应，而用户需要花费很多时间去检查 错误，并且很难发现此类错误。 随着计算机图形技术和人工智能技术的深入发展，后来开发的能量管理系 统逐渐采用了图模库一体化技术。图模库一体化技术是一种“所见即所得”的 电力系统建模方式，它能够将电力图形绘制、设备建模和数据库生成三者紧密 结合起来。所谓图模库一体化技术，是指在绘制电力图形的同时实现图形电力 对象的绘制和数据库的一致性操作，同时生成电网模型，并完成电网拓扑关系 的建立心引。用户在绘制好电力图形后，需要对设备模型信息进行核对，并最终 将这些模型信息填入数据库，图形、模型和数据库三者紧密耦合在一起。这种 方法的优点就是：用户面对的是直观的图形，避免直接面对枯燥繁琐的数据库 操作，在生成设备图形的同时自动追加数据库记录，并且同时自动与图形绑定。 此方法采用可视化的数据维护方式，方便了电力系统模型的建立，有效地保证 了电力系统模型的正确性，减少用户检查错误的难度和所消耗的时间。所以图 模库一体化是电力图形系统发展的必然趋势和方向。 然而，传统的图模库一体化技术是基于专用的、私有的、非标准的信息模 型的，这就使得不同电力软件系统之间的模型和信息的共享及交换很难实现。 i e c 6 19 7 0 为电力软件的设计提供了一个规范的标准，随着i e c 6 19 7 0 标准的实 施，研究和开发基于c i m 模型的图模库一体化图形支撑平台是十分必要的，国 内外已经在此方面做了不少工作心4 。冽。 1 0 第三章含分布式电源电力系统的c i m 随着电力系统自动化技术的发展，各个电力软件生产厂商都推出了各自基 于电力系统的应用，然而由于各厂商都是在无标准、无规范的情况下自主设计 并开发自己的产品，导致各套系统之间的数据共享和集成程度都很低，导致电 力自动化系统出现“自动化信息孤岛”问题，甚至连自己开发的产品的可扩展 性也很差。随着需求的变化和功能的扩展，以前开发的产品将面临大量的浪费。 为此，国际电工委员会负责电力系统控制及通信的相关标准的第5 7 技术委 员会制订了一系列标准，其中第l3 工作组负责制定与e m s 相关的标准系列， 即i e c 6 1 9 7 0 系列标准，使e m s 应用软件组件化和开放化心l2 8 。 3 1 公共信息模型c i m 3 1 1c i m 简介 公共信息模型( c i m ) 是i e c 6 19 7 0 标准的核心。公共信息模型( c i m ) 是一 个抽象模型，它描述了电力企业的所有主要对象，特别是那些与电力系统运行 有关的对象。通过提供一种用对象和属性以及它们之间的关系来表示电力系统 资源的标准方法，c i m 方便了实现不同卖方独立开发的能量管理系统( e m s ) 应用的集成，多个独立开发的完整e m s 系统之间集成，以及e m s 系统和其他 涉及电力系统运行的不同方面的系统。这是通过定义一种基于c i m 的公共语 言，使得这些应用或系统能够不依赖于信息的内部表示而访问公共数据和交换 信息来实现的乜鲥。 c i m 采用面向对象的建模技术定义。具体地说，c i m 规范使用统一建模 语言( u m l ) 表达方法，它将c i m 定义成一组包。 3 1 2c i m 包 包是指将相关模型元件人为分组的方法，没有具体的语义意义。包的选择 是为了使模型更易于设计、理解和查看。公共信息模型是由一组包所组成的。 图3 1 中表示了i e c 6 19 7 0 3 0 1 部分中定义的c i m 基本包及它们之间的 依赖关系。虚线表示依赖关系，箭头从依赖性包指向它所依赖的包，比如拓扑 包( t o p o l o g y ) 依赖于核心包( c o r e ) 。 在c i m 的所有包中，核心包包含了所有应用所共享的核心的电力系统资源 ( p o w e r s y s t e m r e s o u r c e ) 和导电设备( c o n d u c t i n g e q u i p m e n t ) 实体，以及这些 实体的常见组合，例如定义的厂站类( s u b s t a t i o n ) 、电压等级类( v o l t a g e l e v e l ) 等许多应用公用的模型。核心包中还有一个重要的类：端子类( t e r m i n a l ) 。域 包是量与单位的数据字典，定义了其它包所使用的基本数据类型。电线包包含 了输电网和配电网的电气特性。拓扑包是核心包的扩充，它与核心包的端子类 相关联以建立连接的模型，及导电设备是如何连接在一起的物理定义，它还建 立了拓扑的逻辑模型。 圉e r a t l o n 国jl o s d m o d e l 国匕t 竺e c t l o nfj 、j ，7 。、- 、l， ，、hj n 一墨一一蔑一， 、。、，、黪，囱 关联是类之间的一种概念上的联系。每一个关联具有两个作用，每个作用 表示了关联中的一种方向，表示目标类作用和源类有关系。作用给定为目标类 的名字。每一个作用还有重数基数，用来表示有多少对象可以参加到给定的关 系中。 图3 3 是一个简单关联关系的示例，导电设备类和端子之间存在如下关联 关系： c o n d u c t i n g e q u i p m e n t + c o n d u c t i n g e q u i p m e n t + t e r m i n a l s t e r m ir l a i ( 端子)( 导电设备类) o io n 图3 3 简单关联的例子 图3 3 中，端子对象属于o 个或1 个导电设备，导电设备可以拥有0 个、1 个或n 个端子。 ( 3 ) 聚集( a g g r e g a t i o n ) 聚集是关联的一种特殊情况。聚集表明类与类之间的关系是一种整体和部 分的关系，整体类“包含”部分类，而部分类是整体类的一部分。部分类并 不是像泛化关系中从整体的类继承而来。 图3 4 中，用菱形“ 表示聚集。菱形箭头由部分类指向整体类，例如： 部分类连接节点( c o n n e c t i v i t y n o d e ) 只能是整体类拓扑节点( t o p 0 1 0 9 i c a l n o d e ) 中的一个成员，而整体类拓扑节点可以包含任意数量( 至少有一个) 的部分类连 接节点。 t o p o i o g i c a l n o d ec o n n e c t i v i t y n o d e s 图3 4 聚集的例子 3 2c i m 中的电网拓扑模型 图3 5 描述了c i m 中的电网拓扑模型。导电设备是所有电力传输设备的基 类，导电设备都具备一定数目的端子，例如断路器具有两个端子，而发电机只 有一个端子，等等。端子是导电设备对外的电气接口，电力网络是通过端子将 导电设备相连接起来构成的。连接节点( c o n n e c t i v i t y n o d e ) 是导电设备的端子以 零阻抗连接到一起的点。一个连接节点可以包含若干个导电设备的端子。但连 接节点并不是电力系统中实际存在的物理实体，只是c i m 中存在的逻辑点。若 干个连接节点组成拓扑节点( t o p o l o g i c a l n o d e ) ，而若干个拓扑节点构成拓扑岛 ( t o p o l o g i c a l l s l a n d ) 。拓扑节点和拓扑岛是电网拓扑分析的结果。拓扑分析是 根据实际的电力网络连接关系和开关的开合状态进行的。图3 5 中还给出了拓 扑分析的两个基本模型：开关节点模型和母线支路模型。 t 戳嗬 孽 l 负荷 ； 图3 6 c i m 的电网拓扑