智能配电网信息集成需求及模型分析

智能配电网信息集成需求及模型分析

陆一鸣1,刘 东1,2,柳劲松1,黄玉辉1,凌万水1,顾建炜3

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海市200240; 2.国家能源智能电网(上海)研发中心,上海市200240;

3.杭州市电力局,浙江省杭州市310009)

摘要:信息集成是实现智能配电网兼容、自愈、互动和优化的技术基础。在分析当前国际上已经广泛使用的和正在制定中的电力系统信息领域的国际标准以及相关模型现状和发展趋势的基础上,从智能配电网自身以及与输变电、用户和电源等其他环节之间实现自动化和互动化的信息集成需求出发,分析了电力企业各环节间的信息流和各个模型之间相互映射方法,提出了建立适应智能配电网发展的统一信息模型体系的观点和技术路线。关键词:智能电网;配电系统;信息模型;信息集成

收稿日期:2009 11 17;修回日期:2010 01 21。

国家自然科学基金重点项目(90612018);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2009CB219703);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(N CET 07 0547)。

0 引言

智能配电网是智能电网中连接主网和面向用户供电的重要组成部分,信息集成通过实时和非实时信息的共享和利用,成为实现智能配电网兼容、自

愈、互动和优化的基础[1]

。国际上已经在智能电网背景下就实现信息集成的技术开展了广泛的讨论和研究:国际电工委员会(IEC)制定了与智能配电网

相关的信息模型标准[2]

;美国电气和电子工程师学会(IEEE )推出了分布式电源并网的信息接口标准[3];美国电力科学研究院(EPRI)提出了实现电力

企业信息集成的技术方案[4]

。大量学者更是从电力系统的各专业角度对集成提出了可行性论证,例如基于IEC 61850的智能变电站自动化实现[5]、基于

IEC 61970的智能调度系统的统一信息模型[5]

、基于IEC 61968的电力企业信息总线、用户与智能电网的双向通信接口[6]等。目前,中国智能电网相关领

域的研究还处于起步阶段[7 8]

,已经开始了研究开发和试点工程[9]。本文根据中国电网和电力企业管理的特点和智能电网的发展要求,从配电环节自身以及与输变电环节、用户环节、电源环节信息交互的角度阐述了信息集成的需求和对模型的分析。

1 智能配电网信息流分析

传统的配电网只考虑把输电网传送的电能通过配电系统经济有效地单向输送给供电用户。在当前

经济和技术发展情况下,考虑社会和环境因素,随着分布式电源、储能电池、大功率风力发电、电动汽车以及随之出现的新的用电模式的快速发展和应用,现有的信息模型和集成手段已无法准确描述并应对这些新的问题:如何使系统在紧急状态下能够获得分布式电源和储能电池的实时数据以快速调节并网和充放电策略;如何使用户了解当前实时动态电价以调整自己的用电模式;如何使调度运行部门能够收集并快速分析当前电网和外部环境(例如极端气象和地质条件)的数据变化,及时调整电网运行和管理策略;如何按照信息的时效性和安全等级确定海量数据处理模式(如并行计算、网格计算、云计算)和信息安全策略等。

因此,需要在智能配电网环节中考虑全网的信息交互,实现配电环节与输变电环节、用电环节和电源环节的双向互动信息流,如图1

所示。

图1 智能配电网的信息集成

Fig.1 Inf ormation integration of smart distribution grid

目前配电网基础数据的管理采用传统的技术手段造成数据收集困难,导致数据无法及时更新而与现场实际不符;电力企业各部门开发的应用系统的信息模型大多按照各自系统的专业需求建立,缺少统一的接口规范,内部功能交叉重叠且数据格式不

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统一,导致对大量冗余且不同版本数据的重复维护;不同电力企业在开发和使用具有相同功能的系统时也存在遵循不同标准的情况。

目前使用的国际、国家和行业的信息标准都存在重叠和冲突的部分,均无法全面合理地描述日益增长的电力系统对象和行为。近期成立的IEEE P2030和IEC TC57WG19工作组已经着手研究已有标准间和未来标准的互操作性和兼容性,并且考虑了集成过程中的信息安全问题,如IEC 62351系列标准。

中国在制定智能配电网的信息模型和接口标准时,应首先考虑采用国际通用标准,再根据实际应用情况建立扩展标准,从而形成中国智能配电网统一的标准模型体系,如图2所示。各环节内子系统间每条双向互动的信息流都应严格采用已有和扩展的

信息标准。

图2 智能配电网的信息流

Fig.2 Smart distribution grid inf ormation f low

2 配电环节的信息集成需求及信息模型

中国电力企业在不同的发展时期,针对配电网的特点,根据各业务部门的特定需要已开发和运行了大量不同的应用系统,如DSCADA/DM S,自动绘图(AM )/设备管理(FM )/GIS,PM S,OM S,WM S,MS,CM S 和企业资源管理系统等。但是,这些系统和各自专属的数据库分别采用不同的接口标准和信息模型开发,相对独立,因此,当系统逐渐复杂和数据量急剧增加时,从全局来看,信息重叠和数据孤岛的局面将不可避免,根本无法在企业范围内方便地实现数据交换和信息共享。如图3所示,每个箭头表示系统间需要的数据信息的传递方向,而为了实现这种点对点的交互,每个系统都必须开发对方系

统的专用接口适配器。图3 配电企业内各系统间的信息流Fig.3 Information f low among subsystems

in distribution system

针对这一情况,IEC TC57WG14制定的IEC 61968系列标准定义了一组标准配电网业务组件和对应的接口参考模型(IRM ),通过将现有和未来新建系统的数据模型统一映射到这些以公共信息模型(CIM )为基础的抽象组件上,根据IEC 61968系列标准定义的消息格式(message XSD),采用面向服务的架构(SOA)和企业服务总线(ESB)实现具有松散耦合特性的消息传递,使得在不改变原有系统的情况下,仅通过标准化的组件适配器,可以在不同应用系统间灵活地分享数据和服务[10](如图4所示),以全面支持在智能配电网下实现供电设备监视和控制、系统可靠性管理、电压管理、需求侧管理、停电管理、工作管理、

设备管理等功能的信息集成。

图4 配电环节集成

Fig.4 Distribution system integration

国际上已经开展了基于IEC 61968标准的互操作和模型验证实验,利用模型的导入导出工具,通过Web Ser vice 实现数据在多个不同厂商的系统间准确互通。但是IEC 61968系列标准并没有完全建立,而且IEC 61970 301的CIM 在配电网信息模型的扩展部分,即IEC 61968 11仍在制定和评审修改之中,如最新的版本考虑了配变和馈线的特性描述以及外部系统向电力企业提供服务的信息接口等。

3 配电与输电和变电环节的信息交互需求及模型分析

输电环节是智能电网的主体部分,是电能输送的主要通道,为配电网提供安全和经济的电能。变电站是连接输电网和配电网的重要支撑节点,是电网基础运行数据的采集源头和命令的执行单元。

输电网调度中心的EM S 全部采用IEC 61970定义的EM S API 接口和CIM 。由于IEC 61968是在IEC 61970上针对配电网的特性和电力企业管理

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