IEC 61970-3022024 能源管理系统应用程序接口（EMS-API）.第302部分公共信息模型（CIM）动力学标准立项发展报告

能源管理系统应用程序接口（EMS-API）第302部分：公共信息模型（CIM）动力学标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:EnergyManagementSystemApplicationProgramInterface(EMS-API)-Part302:CommonInformationModel(CIM)Dynamics摘要随着全球能源互联网建设的深入推进和新型电力系统技术的快速发展，能源管理系统的智能化水平已成为影响电网安全稳定运行的关键因素。能源管理系统应用程序接口（EMS-API）系列标准作为电力系统自动化领域的重要国际标准，其公共信息模型（CIM）在电力系统信息共享与互操作方面发挥着基础性支撑作用。本报告围绕国际电工委员会（IEC）于2024年1月31日正式发布的IEC61970-302:2024标准，系统阐述该标准的立项背景、技术内容、编制原则及推广应用价值。该标准聚焦CIM模型在电力系统动力学领域的扩展应用，涵盖同步电机、异步电机、电力电子变流器等动态设备的标准化建模，为电网动态分析、可再生能源并网仿真及多源信息融合提供了统一的数据交互规范。报告指出，该标准的发布填补了CIM在动力学领域应用的标准空白，对提升电力系统动态安全分析精度、促进新能源大规模消纳、支撑全球能源互联网建设具有重要的里程碑意义。关键词：公共信息模型；动力学；能源管理系统；IEC61970；电力系统自动化；信息互操作；国际标准Keywords:CommonInformationModel(CIM);Dynamics;EnergyManagementSystem;IEC61970;PowerSystemAutomation;InformationInteroperability;InternationalStandard1引言1.1研究背景与立项依据能源管理系统（EnergyManagementSystem,EMS）是电力系统调度自动化的核心组成部分，承担着数据采集与监控（SCADA）、自动发电控制（AGC）、经济调度、安全分析等关键功能。随着可再生能源的大规模并网和特高压交直流混联电网的形成，电力系统的动态特性日益复杂，对EMS的信息建模能力和分析精度提出了更高要求。IEC61970系列标准作为国际电工委员会制定的EMS-API国际标准，旨在通过定义统一的应用程序接口和公共信息模型，解决不同厂商EMS系统之间、EMS与其他电力系统应用之间的信息孤岛问题。其中，公共信息模型（CIM）作为该系列标准的核心部分，通过面向对象的建模方法对电力系统中的主要设备、拓扑关系和运行状态进行了标准化描述。然而，早期的CIM标准（如IEC61970-301）主要侧重于稳态运行场景下的信息建模，对于涉及机电暂态、电磁暂态以及电力电子变流器动态响应等动力学场景的模型描述存在明显不足。随着新能源发电设备（如风力发电机组、光伏逆变器）的大规模接入，电网调度机构迫切需要一种能够统一描述各类动态设备模型的信息标准，以实现多时间尺度、多空间尺度的动态安全分析与协调控制。1.2标准修订的必要性与紧迫性截至2023年底，全球风电累计装机容量已突破1000GW，光伏发电装机容量超过1400GW。新能源发电的间歇性、波动性和随机性使得电力系统的动态行为呈现显著的复杂化趋势。传统的静态CIM模型已无法满足以下新需求：第一，新能源场站的模型参数（如虚拟惯性常数、调频响应特性、低电压穿越能力等）需要纳入统一的标准化框架，以便于调度机构进行动态等值和稳定性评估。第二，广域测量系统（WAMS）、同步相量测量单元（PMU）等新型量测设备产生的动态数据需要与CIM模型建立规范的映射关系，支撑在线动态安全评估（DSA）系统的建设。第三，多能源互补协调优化、虚拟电厂（VPP）、微电网等新兴业态需要在统一的CIM动态模型框架下实现多种异构能源设备的协同建模与联合仿真。在此背景下，IECTC57（电力系统管理及其信息交换技术委员会）于2018年正式启动IEC61970-302的编制工作，经过多轮国际研讨、草案征求意见和严谨的技术审查，最终于2024年1月31日正式发布。2标准概述2.1标准基本信息IEC61970-302:2024《能源管理系统应用程序接口（EMS-API）—第302部分：公共信息模型（CIM）动力学》是IEC61970系列标准的重要组成部分。该标准由IECTC57下设的WG13（CIM扩展工作组）和WG14（CIM模型与映射工作组）联合编制，来自中国、美国、法国、德国、日本、韩国等十余个国家的电力公司、科研机构和设备制造商参与了标准制定工作。2.2标准的定位与适用范围本标准作为CIM的动力学扩展部分，与IEC61970-301（CIM基础模型）形成互补关系。其适用范围包括：-输配电系统的机电暂态和电磁暂态仿真信息建模；-同步发电机及其励磁系统、调速系统的模型规范化描述；-异步电机、电力电子变流器及新能源发电单元的动力学建模；-负荷动态特性的标准化表达；-动态安全分析、暂态稳定性评估等高级应用的数据交换。2.3标准的主要技术框架IEC61970-302:2024采用统一建模语言（UML）描述CIM动力学模型，其技术框架包括以下几个核心包（Package）：（1）Dynamics包：定义动力学模型的基本类层次结构和继承关系，是各类动态设备模型的公共父包。（2）RotatingMachine包：涵盖同步电机（SynchronousMachine）、异步电机（AsynchronousMachine）等旋转电机的动力学模型，包括次暂态电抗、暂态时间常数、惯性常数等关键参数的定义。（3）ExcitationSystem包：描述各类励磁系统的动态响应特性，包括IEEEST1A、ST4B等标准励磁模型类型的映射。（4）Governor包：覆盖调速器模型的标准化描述，包括机械液压式、电液式及数字式调速器的统一建模。（5）PowerElectronics包：面向新能源发电和柔性直流输电场景，定义了电压源换流器（VSC）、光伏逆变器、风电变流器等电力电子设备的动态模型规范。（6）LoadDynamics包：描述各类动态负荷模型（如感应电动机负荷、恒功率/恒阻抗复合负荷、空调负荷等）的标准化表达。3标准主要内容与技术特点3.1CIM动力学模型的UML类图设计本标准的创新性体现在其采用面向对象的方法，以UML类图形式定义了完善的动力学模型框架。具体而言，该框架引入了一系列核心抽象类，并以`DynamicsFunctionBlock`作为所有动态功能模块的基类。在此之上，分别派生出`RotatingMachine`、`ExcitationSystem`、`Governor`和`LoadDynamics`等具体设备类，由此形成了一套层次分明、逻辑严密的类继承体系。这一设计不仅便于不同应用系统之间的模型共享，也为后续面向特定设备类型的扩展提供了清晰的框架。3.2同步电机及励磁、调速系统的精细化建模对于传统同步发电机组，该标准在以下几个方面实现了显著的技术突破：在参数维度上，详细定义了同步电机的d轴和q轴电抗（包括同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗）及对应的时间常数、惯性常数等关键参数，确保模型精度满足机电暂态仿真的严格要求；在模型映射方面，建立了与IEEE421.5等国际通用励磁系统模型之间的映射关系，并支持过励限制器（OEL）、欠励限制器（UEL）等附加功能模块的建模；同时，针对调速系统，定义了包含死区、限幅、调差系数等特征参数在内的标准化建模规范，为一次调频性能分析提供了统一的信息基础。3.3新能源发电设备动态模型的标准化面向新能源高渗透率场景，本标准针对风力发电和光伏发电的动态建模需求进行了专门设计。在风力发电方面，定义了包含空气动力学模型（涉及风能利用系数与桨距角特性）、传动系统两质量块模型、变流器控制模型等在内的完整建模框架，支持双馈异步风机（DFIG）和永磁直驱风机（PMSG）等主流机型的标准化描述。在光伏发电方面，将光伏阵列的电压-电流特性模型、最大功率点跟踪（MPPT）控制模型、逆变器无功支撑特性等要素纳入统一建模范围，充分响应了并网友好型新能源发展的技术趋势。3.4电力电子变流器模型的统一描述随着柔性直流输电（VSC-HVDC）、静止同步补偿器（STATCOM）等电力电子装置在电力系统中的广泛应用，本标准首次在CIM框架内建立了电力电子变流器动态模型的统一描述规范。其核心内容包括：定义了电压源型换流器的有功/无功解耦控制模型，涵盖内环电流控制和外环功率/电压控制的标准结构；建立了模块化多电平换流器（MMC）的等效建模方法，将复杂的子模块级动态简化为适用于机电暂态仿真的平均值模型；同时支持变流器故障穿越特性、虚拟同步机控制等高级控制策略的模型化表达，为新型电力电子设备接入电网的标准化分析提供了支撑依据。3.5模型参数与量测数据的关联映射为打通模型参数与实际运行数据之间的壁垒，本标准建立了动态模型参数与IEC61970-301中量测模型之间的关联映射机制。该机制通过`DynamicModelParameter`类实现模型参数的统一化管理，并将参数值与量测数据建立动态关联，支持运行人员实时校核模型参数的有效性；同时定义了与IEC61850（变电站通信网络与系统）标准的映射接口，将站控层动态模型与间隔层实时量测信息有机贯通，为在线建模、模型校核和参数辨识等高级应用提供了标准化的信息通道。4标准的编制过程与国际合作4.1编制历程IEC61970-302:2024的编制过程历时六年，经历了多个关键阶段：-2018年3月至2019年6月（新工作项目提案与预研阶段）：IECTC57正式通过新工作项目提案，成立专项工作组（Ad-hocGroup），明确了标准范围和技术路线，并委托中国专家牵头开展需求调研与技术预研。在此期间，工作组重点围绕各国在新能源并网仿真和动态安全分析方面的实际需求进行了系统梳理。-2019年7月至2021年12月（委员会草案编制阶段）：形成委员会草案（CD）并分发至各国家委员会征求意见。先后收到来自17个国家委员会的200余条技术意见，工作组对草案进行了系统性的修改完善。特别是针对风力发电模型和光伏逆变器模型的表达方式进行了重点讨论，并引入了中国在新能源建模方面的工程实践经验。-2022年1月至2023年6月（最终国际标准草案阶段）：经过多轮编辑会议和国际研讨会的深入讨论，形成最终国际标准草案（FDIS）。各国国家委员会进行了最终表决，草案以高票通过，充分体现了国际社会对该标准技术内容的广泛认可。-2024年1月（正式发布）：IEC中央办公室于2024年1月31日正式发布该标准，标准编号为IEC61970-302:2024。4.2主要参与单位介绍本标准由中国电力科学研究院有限公司（ChinaElectricPowerResearchInstitute,CEPRI）作为核心编制单位深度参与制定工作。作为国家电网有限公司直属的科研机构，中国电科院成立于1951年，是中国电力行业多学科、综合性的权威科研机构。在IEC61970-302:2024的编制过程中，中国电科院派出多名技术专家常驻IECTC57工作组，在以下方面发挥了关键作用：（1）技术方案贡献：基于中国在特高压交直流混联电网运行控制和新能源并网仿真领域的丰富经验，中国电科院牵头完成了同步电机模型、励磁系统模型和新能源发电单元动态模型等多个核心章节的草案编制工作。特别是在电力电子变流器建模方面，中国电科院提出的MMC等效建模方法被采纳为标准推荐方案。（2）工程经验输入：中国电科院将国内在新能源场站建模、参数辨识和模型校验方面的工程实践成果导入国际标准，推动建立了适应高比例新能源电网运行需求的动态模型规范。其依托国家电网仿真中心开展的数万次仿真试验为模型参数范围的合理设定提供了坚实的实证基础。（3）国际协调推动：中国电科院专家积极在多轮国际会议中发挥桥梁作用，在IEEE动态模型标准与IECCIM模型之间建立了有效的协调机制，推动了跨标准技术体系的融合，促进了各国专家在关键技术问题上达成共识，加快了标准的编制进度，提升了标准的技术完备性。4.3与其他国际标准的协调IEC61970-302:2024在编制过程中充分考虑了与其他相关国际标准的协调一致性。在模型层面，与IEEE421.5（励磁系统模型）、IEEE115（同步电机试验规程）等标准建立了映射关系；在信息交互层面，与IEC61850、IEC61968（配电网管理接口）等标准实现了平滑对接；在数据格式层面，与IEC62325（能源市场通信框架）中的CIM扩展保持了协调统一。这一多维协调机制确保了本标准能够在全球范围内与现行电力系统技术标准体系协同应用。5标准实施的预期效益与应用前景5.1对电力系统动态安全分析的技术支撑本标准为电力系统动态安全分析提供了标准化、统一化的信息模型支撑。在模型数据共享方面，通过统一动态模型表达方式，有效消除了不同厂商EMS系统之间动态模型数据格式不一致、语义歧义等问题，降低了数据集成成本约30%～40%。在分析精度提升方面，精细化的新能源发电设备模型预计可将高比例新能源电网的暂态稳定仿真精度提高20%以上。在计算效率方面，标准化模型配合模型降阶技术，可使大规模电网动态安全评估的全过程时间缩短至分钟级，支撑在线动态安全评估的需要。5.2对新能源并网管理的推动作用在新能源并网管理领域，本标准为风电场和光伏电站的并网仿真建模、涉网性能检测及参数归档提供了统一规范。电网调度机构可依据该标准编制新能源场站的标准化建模导则，规范场站并网前的模型参数申报、审核和归档流程。设备制造商也能够在统一框架下提供标准格式的模型参数包，大幅提升模型数据的可用性和互操作性。5.3促进电力市场与多能源系统协同发展随着电力市场化改革的深入推进，动态模型在辅助服务市场出清、旋转备用容量评估等市场机制设计中发挥着日益重要的作用。本标准为市场主体提供了透明的、标准化的动态性能参数表达方式，有助于建立公平、高效的辅助服务交易机制。同时，在多能源系统协同领域，该标准的发布也将为电、气、热等多能系统联合仿真中电力系统侧动态特性的标准化表达奠定基础，支撑综合能源系统规划与运行。6结论与展望IEC61970-302:2024的正式发布，是电力系统信息标准化领域的一项重要里程碑。该标准填补了CIM在动力学应用方面的国际标准空白，构建了覆盖传统同步发电、新能源发电和电力电子变流装置的统一动态建模框架，为全球范围内电力系统动态安全分析、新能源并网管理以及多能源系统协同优化提供了坚实的信息互操作基础。展望未来，随着新型电力系统建设的持续推进，CIM动力学标准仍需在以下方向持续发展和深化：一是面向极高比例新能源场景下的构网型变流器（Grid-FormingConverter）模型标准化，需要将虚拟同步机、虚拟阻抗控制等新型控制策略纳入标准框架；二是人工智能技术与电力系统仿真的加速融合，特别是面向数据驱动的动态建模方法，需要建立适应机器学习模型的标准化数据交换格式；三是随着云边端协同计算架构在电力调度系统中的推广应用，轻量化动态模型的在线交互与部署机制将成为标准修订的重要方向；四是海量分布式资源（如电动汽车、储能系统）的聚合动态建模需求，也需在现有框架基础上进一步扩展。可以预见，IEC61970-302:2024将在全球能源转型和新型电力系统建设中发挥日益重要的作用，为构建更加安全、高效、绿色的现代能源体系贡献标准化的力量。参考文献[1]IEC61970-302:2024,Energymanagementsystemapplicationprograminterface(EMS-API)-Part302:Commoninformationmodel(CIM)dynamics[S].Geneva:InternationalElectrot