基于iec61970分布式发电系统scada设计.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于IEC61970的发电系统SCADA设计 学生姓名：郭浩学 号：0605118221专 业：电气工程自动化班 级：06电气-2班指导教师：张飞 0内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目录第1章 绪论.11.1分布式发电.11.1.1分布式发电兴起.11.2分布式发电简介.11.1.3分布式发电的特点.21.2从分布式发电到微网.31.3微网能量管理系统.31.4本文的主要研究工作.3第二章合肥工业大学分布式发电示范系统.52.1国外示范系统介绍.52.1.1欧洲示范系统.52.1.2美国示范系统.52.1.3日本示范系统.62.1.4加拿大示范系统.92.2合肥工业大学分布式发电示范系统.10第三章SCADA通信系统的设计.133.1 SCADA系统的通信技.133.1.1无线通讯.133.1.2有线通讯.153.1.3现场总线标准282930.173.1.4串行总线RS232/RS485.193.2电力系统远动设备与系统传输标准.203.2.1 CDT规约33.203.2.2 SC1801规约.203.2.3 IEC60870-5系列标准343536.203.3分布式发电系统SCADA传输的信息内容.233.4分布式发电系统通信网络解决方案.25第四章基于IEC61970的SCADA/EMS一体化设计.274.1分布式发电系统EMS控制层次.274.2基于IEC61970的SCADA/EMS一体化设计.284.2.1 IEC61970标准介绍373839.284.2.2 SCADA/EMS一体化设计.284.2.3 EMS应用软件.304.2.4 SCADA子系统功能.31第五章SCADA系统的软件实现.325.1遵循IEC61970标准建模.325.1.1 IEC61970标准CIM扩展.325.1.2 CIM扩展原则37.325.2分布式发电系统CIM建模47.335.2.1风电场CIM建模.335.2.2光伏发电CIM建模.355.2.3燃料电池发电CIM建模.375.2.4蓄电池储能CIM建模.385.2.5非电负荷CIM建模.395.3基于CIM的数据库设计.405.3.1商业数据库选择.405.3.2基于CIM的数据库设计.405.3.3数据库设备对象层次关系.415.4前置机RTU通信软件设计.415.4.1 RTU通信软件功能.415.4.2 RTU通信软件分层设计.425.4.3多线程技术的使用.435.5基于CIM的图形平台设计.435.5.1图形平台设计要求.435.5.2图形平台三层接口设计.435.5.3图形设备库.44第六章SCADA系统的软件成果.456.1 SCADA系统运行情况介绍.45第七章结论.477.1研究工作总结.477.2下一步工作展望.47参考文献.48第八章附录.52附录1：研究生期间发表论文.52插图清单图2-1ISET的微网实验系统.5图2-2希腊基吉昆岛微网.5图2-3美国微网示范系统.6图2-4爱知(Aichi)示范工程.8图2-5爱知示范工程中发电图.8图2-6京都示范工程系统图.8图2-7青森示范工程系统图.9图2-8 Remea示范工程系统图.10图2-9 Fortis-Alberta并网微网系统.10图2-10 BC水电系统图.10图2-11合肥工业大学分布式发电系统（微网）结构图.11图2-12合肥工业大学分布式发电实验室.12图3-1配套标准所选用的标准条文.21图3-2可变帧长帧和不变帧长帧格式.22图3-3远动配套标准的APDU和APCI定义. .23图3-4与分布式发电系统相关的信息流.24图3-5合肥工业大学分布式发电微网SCDA/EMS系统.26图4-1微网EMS系统控制层次图.27图4-2基于IEC61970的一体化设计.29图4-3基于IEC61970的数据通信总线.30图4-4EMS应用软件.31图5-1Porduction包中风电场框图.34图5-2GenerationDynamics包中风力机框图.34图5-3类WindTurbine属性.35图5-4光伏电场框图.36图5-5燃料电池电站框图.37图5-6蓄电池储能系统模型框图.38图5-7负荷类扩展.39图5-8数据库设备对象层次关系图.41图5-9 RTU通信软件各个服务之间相互关系.42图5-10 RTU通信软件三层设计.42图5-11图形各种接口之间关系.44图6-1前置机通信程序显示的通信报文.45图6-2 SCADA软件长期运行时的CPU负荷情况.46图6-3SCADA系统运行时系统状态图. .46表格清单表2-1青森(Aomori)示范工程设备.7表2-2合肥工业大学分布式发电实验室设备.11表5-1风电场扩展类.35表5-2光伏电场扩展类.36表5-3燃料电池电站扩展类.37表5-4蓄电池储能系统扩展类.39表6-1系统响应时间.45表6-2基本功能主要的性能要求.45基于IEC61970的分布式发电系统SCADA设计摘要光伏发电、风力发电等分布式发电(DG)具有清洁无污染，是一种“绿色电力”，是未来解决能源问题的必然选择。将分布式发电和负载看成一个可控制的系统形成一个区域性的微网，这种系统的观点大大促进了分布式发电的发展，目前世界各国都把微网作为未来电网发展方向之一。研究分布式发电系统能量管理优化方法，有助于提高系统运行的经济性，有助于提高系统的效率，有利于减少CO2的排放量，也有利于提供定制的电能服务。本文针对合肥工业大学分布式发电示范系统能量管理系统(EMS)的SCADA设计进行了研究。本文研究了SCADA系统的通信系统，讨论了通信网络传输协议和传输内容，提出了通信网络的解决方案。本文将IEC61970标准应用到分布式发电系统SCADA设计。IEC 61970系列标准定义了能量管理系统的应用程序接口（EMS-API），使不同厂商开发的EMS应用的集成，独立开发的完整EMS系统之间的集成，以及EMS系统与有关电力系统运行的其他系统之间的集成，可以通过定义应用程序接口，使这些应用或系统可以访问公共数据或进行信息交换，而不依赖于信息的内部表述形式，实现系统或应用的“即插即用”。IEC 61970系列标准已经是传统的发电和配电管理系统设计开发遵循的标准，但是分布式发电EMS研究刚刚兴起，需要研究如何支持IEC 61970标准。本文提出了基于IEC61970的SCADA系统总体方案，整个系统采用CIM/CIS数据总线通信，按照分层模块化原则设计。还根据分布式发电系统特点，设计了SCADA系统的功能和软件模块。本文还对遵循IEC61970标准的一些关键问题进行了研究。研究了分布式发电系统CIM建模问题，通过研究各种分布式发电，采用统一建模语言，建立了燃料电池、风力发电、光伏发电、以及储能系统的公共信息模型，从而扩展了IEC61970标准的CIM，形成了包含分布式发电的完整的电力系统公共信息模型。研究了CIM在SCADA系统支持平台中应用，对支持平台层中的前置通信子系统、数据库子系统和图形管理工具进行了详细研究，讨论了他们的设计原则和要求以及实现方法。本文开发的SCADA已经应用于合肥工业大学分布式发电实验室的微网系统。关键词：分布式发电,微网,SCADA,EMS,IEC61970，公共信息模型IEC61970-based distributed generation systems SCADA designABSTRACT Photovoltaic power and wind power and other distributed generation(DG)witha clean non-polluting,is a kind ofgreen powerand is coming to be the inevitablechoice of solving the future energy problem.The distributional electricitygenerations and the load can be seen as a controlled system,forming a regionalmicrogrid.Such idea has greatly promoted the development of distributedgeneration.At present microrid is regarded as the future direction for thedevelopment of power grids worldwide. The research on the optimization method of distributional generation systemenergy management is helpful to improve economy and the efficiency of the system,to reduce CO2 emissions,to improve the offering of custom-made electrical utilityservice.This paper studies on the SCADA design of an Energy ManagementSystem(EMS)of distributed generation demonstration systems for HefeiUniversity of Technology. This paper has studied the SCADAs communications system,discussed thecommunication transport protocols and the transmission content,proposed thecommunication network solution. This paper applied the IEC61970 standard to SCADA design of distributed generationsystems.The IEC 61970 series standardized the definition of energy management systemsapplication program interface(EMS-API),thus the EMS application integration developedby different manufacturers,integrate EMS system which is independently developed,aswell as EMS system and the integration between related electrical power system and othersystem,visit the public data or carry on the exchange of information through the definitionapplication program interface rather than rely on the information internal indication form,realizes“plug-in”of the system or the application.IEC 61970 series of standards has beenthe standard for the design and development of the traditional power generation anddistribution management system.However,the research on distributed generation EMS hasjust emerged,it is necessary to study how to support the IEC 61970 standard.This paperproposed the SCADA system based on IEC61970 overall program,using CIM/CIS databus,in accordance with the principle of layered modular design.,along with the design ofthe functions and software modules of the SCADA system according to the characteristicsof distributed generation system. This paper has also studied some key questions on the following of theIEC61970 standard,the distributed generation systems CIM modeling problem.By studying various distributed generation,using Unified ModelingLanguage,the common information model of fuel cell,wind power generation,photovoltaic power generation and energy storage system are set up,thus extendthe CIM of the IEC61970 standard.Based on all this,the CIM for a complete powersystem includes distributed generation is forged.the application of CIM tosupporting platform of SCADA systems is studied,the principles and requests aswell as the method of design for pre-communication subsystem,database subsystem and graphical management tools on the supporting platform are discussed. The designed SCADA has been applied to distributed generationmicro-laboratory systems of the Hefei University of Technology. Key Words:Distributed generation,Micrgrid,SCADA,EMS,IEC61970,CIM致谢本文是在导师丁明教授的悉心指导下完成的。论文从立题、选向、方案确定到论文的撰写和定稿都凝聚着导师的心血，文章一次又一次的修改直至最后成型，导师给予了大量的意见、建议和细心的指导。在学习和生活中，导师的亲切关怀和热情指导，使我受益非浅。同时导师高尚的品格、渊博的学识、敏锐的思维、严谨的治学态度、对学生的严格要求及豁达的人生观都给我留下了深刻印象，并将受益终生。在论文完成之际，谨向导师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢！在研究过程中，得到了茆美琴老师和吴红斌老师对我的帮助和关心，本文的完成，离不开两位老师平时对我的悉心指导。在此，表示衷心感谢！在我学习期间，得到了项目组同学的热情帮助，这里我特别感谢郭学凤、张颖媛、严流进同学给我的帮助和支持，在此感谢他们。在我学习期间，还得到了实验室同学的热情帮助，大家在学习上互相勉励，在科研上互相支持，在生活上互相帮助，此情此景历历在目，令人难忘，在此感谢他们。在研究生的三年中，我的家人和朋友都给与了我无私的关心和支持，论文的完成与他们的关怀和鼓励密不可分，在此，一并向他们表示最诚挚的谢意!最后，对在百忙之中抽时间对该论文进行评审的各位专家与学者表示深深的敬意和谢意。 作者：张征凯2009年4月第一章绪论1.1分布式发电1.1.1分布式发电兴起能源是人类生存和发展的基础。据预测，全世界石油储量只够开采3040年，天然气约60年,人类经济发展面临着能源危机12。同时，石油、煤炭资源的大量使用产生了日益严重的环境污染问题，使人类的生存受到威胁。能源问题和环境问题成为制约人类可持续发展的的重大问题，使全世界的目光投向了风能和太阳能这些清洁、无污染的可再生能源的开发利用上。近年来的电网大停电事故引起了人们对于传统电力系统发展的思考，尤其2003年“8.14”美加大停电事故更是给我们敲响了警钟，引起我们对于“大机组大电厂大系统”这种集中供电模式的反思34。随着经济发展、社会进步，人类对于能源的需求越来越多，对电力安全、可靠运行要求也越来越高，而传统的电力发展面临着不足。在能源问题、环境保护和经济发展的压力下，促进了“绿色电力”研究的兴起。分布式发电（Distributed Generation，DG）是相对于传统的集中式供电方式而言，是指位于或接近负荷的发电功率为数千瓦至几十兆瓦，独立运行或者接在配电网上，经济、高效、可靠的发电56。分布式发电由于采用丰富的可再生能源向用户提供电力，是“绿色电力”，是解决能源危机、环境保护、经济可持续发展的必然选择。分布式发电是电力系统中一个新兴的研究热点，是未来电网发展的趋势之一。1.1.2分布式发电简介分布式发电是一种通过配网接入的小型容量的发电电源，分布式发电有光伏发电，风力发电，燃料电池发电，微型燃气轮机发电，生物能发电，地热发电，潮汐发电，小水电。分布式发电按照所使用的技术可以分为基于化石燃料的发电技术和基于可再生能源的发电技术，采用化石燃料发电的有柴油机组发电，燃气轮机发电，燃料电池发电；采用可再生能源发电的有风力发电，风力发电。分布式发电的根据是否与电力系统相连，分为并网运行和孤岛运行两类。往复式发电机（Small Reciprocating Engines）能使用多种燃料发电，功率较大的发电效率也比较高（30-40%）。独立运行时就相当于一个由同步发电机的发电厂，因而能够调节电压和功率。往复式发电机具有技术成熟，成本低，对于微网很是有吸引力。他的主要缺点是噪音，维护成本大以及排放物污染。排放物和使用的燃料有关，使用清洁的燃料可以降低排放物的污染。目前使用多的还是柴油，产生的污染比较严重，主要用于孤岛以及和风光系统的互补发电。微型燃气轮机是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。满负荷运行时效率可达到30%,实行热电联产,效率可提高到75%。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。它是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式发电电源7。燃料电池（Fuel Cell）是一种通过电化学的过程直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的装置。燃料电池的燃料可以氢气也可以是天然气、甲烷，燃料电池发电是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式。燃料电池可按电解质的性质分为许多类:聚合电解质膜电池(PEM)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体电解质燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),其中磷酸型燃料电池最接近商业化,新一代的熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池则被认为最值得推荐用于电力系统的发电。燃料电池具有发电效率高，响应负荷能力强，噪音低无污染，安装周期短，安装位置灵活的优点89。光伏发电（Photovoltaic Power Generation）是通过光电效应将太阳能转化为电能的一种发电方式。太阳能资源丰富，取之不竭用之不尽，是一种可再生能源。光伏发电具有不消耗燃料，无污染，安全可靠，维护简单，运行费用低等优点，但是目前光伏发电的转化效率低，发电成本高1011。风力发电（Wind Power Generation）是将风能转化为电能的发电技术。也是一种清洁能源。和光伏电池一样,它的输出功率受气象条件影响。目前世界风能发电能力增长最快，10年内增长了11倍，年平均增长率为29。美国地球研究所月份的调查报告显示：根据环境组织的统计，2005年全球风能发电能力比上年度增加了24，达到59100兆瓦，这一数字是10年前的12倍。风能已经成为安全、清洁、价廉的新能源。1.1.3分布式发电的特点分布式发电具有以下特点：1) 绿色环保，分布式发电采可再生能源发电大大减少了有害物质的排放总量；此外，大量的就近供电减少了大容量长距离高电压输电线的建设，不仅减少了高压输电线的电磁污染，还减少了高压输电线的征地面积。2) 2)高效率，采用冷热电联产方式，实现了能量的梯级利用。3) 3)可靠性，当大电网大面积停电时，独立运行保证负荷的供电，亦可作为黑启动电源。4) 4)经济性，投资少、建设快、运行费用低，可以延缓增建或扩容电力系统设施。5) 5)辅助服务，为大电网提供削峰、电力平衡、无功补偿、旋转备用以及电压支持等辅助服务。6) 6)位置灵活，DG尺寸小，选址容易。7) 7)电力电子，需要电力电子设备解决分布式电源、负荷、电网和储能系统间的能量转换问题。8) 8)地域供电，独立运行分布式发电系统成为解决边远地区供电的可选方法。1.2从分布式发电到微网分布式发电虽然具有很多优点，但是它存在着单机电网接入成本高，控制困难，对于大电网来说是个不可控源等问题。对于分布式发电一般规定在电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，以期减少分布式电源对于电网的冲击和影响，这在一定程度上大大限制了分布式电源优越性的充分发挥。为了协调分布式发电和大电网以及用户之间的利益，美国CERTS提出了微网（Microgrid）的概念12。微电网从系统观点看问题,将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合,形成一个单一可控的单元,同时向用户供给电能和热能。在微网中的分布式电源（DistributedEnergy Source，DER）可以是以前的分布式发电（DG），可以是分布式储能装置（Distributed Storage,DS）,还可以是由分布式发电和分布式储能组成