徐 箭，吴煜晖，廖思阳，孙荣富，王靖然，王 俊

（1. 武汉大学电气与自动化学院,湖北省武汉市 430072；2. 国网冀北电力有限公司,北京市 100054）

0 引言

中国在2020 年提出了“碳达峰·碳中和”的战略目标,未来新能源将逐步成为装机和电量主体,提高电力系统的新能源消纳能力、保障电网的可靠运行已经成为中国能源安全和能源转型战略实施的重要目标。利用市场化手段促进资源配置,发挥源网荷储各类资源的调节能力,是提高新能源消纳能力的有效途径。各类适应新能源发展和消纳的市场化理论机制［1-4］已被提出和研究,然而市场环境下面向消纳提升的新能源智能调控应用亟须完善。新能源消纳提升应用需要与电力物联网与能量管理系统、配电自动化系统以及市场运营管理系统等软件之间形成协同应用,才能最大化挖掘市场潜力,发挥电力企业积累的海量新能源运行数据资源的价值［5］,促进新能源消纳。

准确构建新能源消纳评估模型对促进新能源消纳具有重要意义。文献［6］通过新能源消纳生产模拟剖析了产生新能源消纳问题的原因以及解决措施。文献［7-8］提出新能源消纳影响因素贡献度的概念,分析各个因素之间的相互作用,设计了新能源消纳影响因素的敏感性计算方法,建立了新能源消纳多变量综合评估模型。上述研究均未考虑社会类因素对新能源消纳能力的影响。事实上,新能源补贴政策调整、大气污染防治限产、民生供热、电力市场化交易等社会化因素通过电力物联网传导、事件驱动等方式直接影响电力平衡关系,社会化因素导致的电力供需变化会对新能源消纳产生重大影响［5］。文献［9］将电动汽车聚合商与充电成本之间的相依关系作为社会类信息,研究了基于信息物理社会融合的新能源消纳策略。文献［10-11］阐述了新能源消纳能力评估计算所需的数据集合,涉及发电资源、输电资源、负荷资源等全部市场主体以及相关的社会类信息。关于新能源消纳的计算模型研究已十分成熟,但用于信息交互的标准化信息模型还不够全面。

公共信息模型（common information model,CIM）是电力系统信息集成和互操作的基础,其通过国 际 标 准IEC 61970、IEC 61968 和IEC 62325 定义［12-14］。IEC 61970/61968 主要体现了设备的物理特性。IEC 62325 面向电力市场,描述了市场环境下所需要进行信息交互的场景,包括通过市场运营方式实现日前机组组合、通过调度中心实现日内实时电力平衡、基于节点边际电价进行结算等,但并未涉及新能源参与电力市场的场景。目前,围绕公共信息模型扩展的研究主要基于IEC 61970/61968 进行扩展,研究对象多为输配网、综合能源系统［15-18］等物理实体的建模,并未涵盖新能源消纳评估模型、新能源消纳措施的建模。

针对以上不足,本文的目标是设计面向新能源消纳的信息-物理-社会标准化信息模型并实际应用。首先,阐述了标准化信息模型在新能源消纳应用构建过程中的重要作用。然后,结合新能源消纳模型、IEC CIM 标准的最新成果,从面向新能源消纳评估、新能源消纳业务两方面构建形成面向新能源消纳的信息-物理-社会标准化信息模型。最后,在冀北地区集成了该标准化信息模型,提升了新能源消纳相关应用间数据交互的效率及安全性,简化了应用发研发过程。

1 “消纳评估模型层-电力市场运营管理层”两层架构

电力市场环境主要通过电力市场运营管理系统软件进行管理,其使用者一般为区域输电运营机构（regional transmission organization,RTO）或者独立系统运营机构（independent system operator,ISO）［14］,其业务流程包括确认、计划、结算、输电能力分配、备用资源安排等。市场运营管理系统以市场运营包（MarketOperations Package）为核心进行开发以及与其他信息系统进行信息交互。该包在IEC 62325 中进行了定义,包含了日前机组组合、电力平衡、节点边际电价结算、阻塞收益权拍卖、表计数据管理与竞价结算等一系列模型。

在新能源参与电力市场后,有诸多措施可以促进新能源消纳,包括采用更短的实时市场周期、增加机组组合运行的频次、新能源参与市场投标、引入新的辅助服务、容量市场中考虑新能源出力影响等［19］,通过对市场运营包中的模型直接复用或者集成,可以在信息系统中实现上述促进新能源消纳的措施。

在采取这些措施前,需要进行能源消纳能力评估,即建立电力系统详细的电力电量平衡模型,通过时序生产模拟仿真技术计算一段时间内电力系统可消纳的新能源发电量。新能源消纳能力评估的核心就是确定消纳评估模型。

本文设计了“消纳评估模型层-电力市场运营管理层”的两横两纵新能源消纳信息架构,旨在阐述信息-物理-社会标准化信息模型在新能源消纳应用构建过程中的重要作用,如图1 所示。

图1 新能源消纳两横两纵信息架构Fig.1 Two-column-two-row information architecture for renewable energy accommodation

1）消纳评估模型层。对新能源消纳评估所涉及的社会类信息进行标准化建模,将消纳相依事件驱动分析过程（针对特定区域通过关联分析方法挖掘出消纳强相关子集）进行建模,这两部分模型组合起来即为面向新能源消纳评估的社会类信息标准化数据模型。

2）电力市场运营管理层。通过时序生产模拟仿真技术对新能源消纳量进行评估,然后对IEC 62325 市场运营包进行扩展得到新能源消纳业务信息模型实现促进新能源消纳的措施。

2 面向新能源消纳评估的社会类信息标准化数据模型

2.1 新能源消纳评估“信息-物理-社会”数据收集及分析

本文在文献［11］的基础上对新能源消纳评估相关的数据来源进行了扩展。

1）现有系统平台运行情况,包括数据采集与监视控制系统、能量管理系统、广域监测系统、配电管理系统、用电信息采集系统、营销管理系统、配电网微型同步相量测量装置、自动发电控制系统、现货市场交易系统、调峰调频辅助服务系统、调控计划系统、一次设备检修系统等。

2）《电力调度通用数据对象结构化设计》［20］规范数据,包括调控云与业务系统之间交互的元数据、字典数据、模型数据、运行数据、实时数据。

3）Q/GDW 11628—2016《新能源消纳能力计算导则》［10］中规定的新能源消纳能力评估所需数据。

4）发电厂并网时各场站考核以及补偿的费用,光伏电站扶贫收益等。

5）供暖面积、清洁供暖面积、供暖期等民生供热信息。

然后,采用面向对象的分析方法分析上述数据集,按照对象-属性的方式提炼出网架结构、气象信息等对象,对象之间存在依赖关系。最后,基于业务信息总结电网信息、经济信息等主题形成主题-对象-属性三层结构,如附录A 图A1 所示,为数据标准化建模提供参考依据。

2.2 基于“现象-数据-数据提供者”模式的新能源消纳数据标准化建模方法

在扩展CIM 时需要分析现有模型中是否有相似的类,如果有,则继承该类并添加新的属性,并加入合适的包中。扩展CIM 的步骤如附录A 图A2 所示。针对IEC 62325 进行分析,发现其环境包与新能源消纳评估信息-物理-社会数据存在相似之处,对环境包进行继承并添加新属性形成的新对象可以适用于新能源消纳评估信息-物理-社会数据的标准化建模。

通过对环境包的构建模式进行分析和提炼,可以总结为“现象-数据-数据提供者”模式,即环境信息可以被分类为各种环境现象,各类环境现象均有环境数据以及提供者,如图2 所示。

图2 现象-数据-数据提供者模式Fig.2 Phenomenon-data-provider pattern

由于本文涉及的类较多,在文中仅显示中文,其对应的英文单词见附录A 表A1。

1）现象包括现象、警告、事件等类。环境现象基类被继承为空间、大气、水体等几个环境现象子类,每个环境现象子类可以集成出新的环境现象子类,最终实现对地震、泥石流、台风、海啸等现象的建模。

2）数据包括模拟、量测等类。基于空间、大气、水体等环境现象子类分别定义空间现象类别枚举值（枚举值包括磁场方向、磁场强度等）、大气现象类别枚举值（枚举值包括气压、湿度、降水量、风速、能见度等）、水体现象类别枚举值（枚举值包括洪水等级、地表温度、海平面温度等）；基于IEC 61970 中Meas包中的模拟类继承出环境模拟值基类,对该基类添加不同类型的属性分别形成空间模拟值类、大气模拟值类、水体模拟值类；基于IEC 61970 中Meas 包中的字符串量测值类继承出环境量测值基类。

3）数据提供者包括数据提者类、监测站类等。基于IEC 61968 公共包的组织角色类继承出环境数据提供者类；基于IEC 61968 公共包的位置类、IEC 61968 计量包的用电点类聚合成环境监测站类,该类与环境模拟值基类、环境量测值基类存在关联关系。

采用“现象-数据-数据提供者”对新能源消纳评估“信息-物理-社会”数据集进行标准化建模,过程如下:

1）建 立 CPSREA（cyber-physical-social for renewable energy accommodation）包,这个包中包含了一系列用于描述新能源消纳评估相关的信息-物理-社会数据模型的类。

2）在CPSREA 包 中 定 义 基 类CPSREAEvent。并从基类中继承得到5 个现象子类,包括电网信息、经济信息、气象信息、政策信息、环保信息。再从这5 个现象子类中再继承出相应的现象子类,例如从经济信息子类中可以继承得到价格信息、经济指数、建筑面积、生产总值等 4 个子类。 基于CPSREAEvent 的标准化模型扩展图如附录B 图B1所示。

3）基于各现象子类定义枚举值。基于枚举值形成各“现象”的“数据”类,即模拟值类、量测值类。基于“数据”类形成“数据提供者”类,即监测站类、数据提供者。图3 为数值天气预报（numerical weather prediction,NWP）数据的新能源消纳评估“信息-物理-社会”标准化信息模型。

图3 NWP 数据“信息-物理-社会”CIM 框图Fig.3 Cyber-physical-social CIM block diagram of NWP data

至此,本文完成了对新能源消纳评估所涉及的信息-物理-社会数据进行标准化建模,完整模型见附录B 图B2,具体过程见附录B。

2.3 消纳相依事件驱动分析的标准化建模方法

2.2 节中构建的新能源消纳评估信息-物理-社会数据模型中涵盖的信息多为动态数据,从对象上涵盖了分布式电源、储能、风电、光伏等设备,从来源上看分布于机组、场站、集控中心以及调度各层级监控系统中［5］,具有超维、多变、可追朔等复杂特性,且评估不同地区的新能源消纳结果所需的信息不尽相同。

消纳相依事件驱动分析指的是针对特定地区通过关联分析方法从中筛选出对新能源消纳具有强因果关系的子集,常见的方法有皮尔逊相关系数法、灰色关联性以及因果分析方法等。进一步将对消纳相依事件驱动分析过程进行标准化建模,步骤如下:

1）建立AREA（Analysis for Renewable Energy Accommodation）包,这个包中包含了一系列用于描述消纳相依事件驱动分析过程的类；

2） 定 义 关 联 分 析 方 法 枚 举 类 型CorrelationKind,如表1 所示。此处仅列举了部分关联分析方法,可以根据实际需求对该枚举类型的值进行扩展。

表1 CorrelationKind 描述Table 1 Description of CorrelationKind

3）定义新能源消纳因素基类REAFactors,具体属性见表2。

表2 类REAFactors 属性描述Table 2 Description of attributes of class REAFactors

4）基于基类REAFactors 继承得到网架结构因素类、发电信息因素类、负荷信息因素类、运行信息因素类、新能源信息因素类、价格信息因素类等,这些类与2.2 节中定义的各量测值类、模拟值类聚合,并定义布尔类型的属性correlation 用来表达该类是否与新能源消纳强相关,得到网架结构相依类、发电信息相依类、负荷信息相依类、运行信息相依类、新能源信息相依类、价格信息相依类等。附录B 图B3介绍了NWP 相关的模型定义,其余领域定义方式类似。

5）定义类REAAnalysis,该类与步骤4 中定义的各Result 类存在关联关系,用于对各因素进行消纳相依事件驱动分析,并将分析结果反馈给各Result 类,REAAnalysis 有 一 个CorrelationKind 类 型的属性method,用于表示消纳相依事件驱动分析采用的关联分析方法。REAAnalysis 类的CIM 框图如附录B 图B4 所示。

至此,通过2.2 节中定义的CPSREA 包和本节定义的AREA 包,一起形成了面向新能源消纳评估的社会类信息标准化数据模型。

3 新能源消纳业务信息模型

3.1 市场运营包剖析

IEC 62325 市场运营包被细分为6 个子包,分别是阻塞收益权包、市场运行公共包、市场计划包、市场品质系统包、市场系统外部输入包、市场系统交易结果包［14］,如表3 所示。

表3 IEC 62325 市场运营包描述Table 3 Description of IEC 62325 MarketOperations Package

通过上述分析可以发现IEC 62325 市场运营包已经包含了市场运行所需的绝大多数措施的模型,例如:

1）更短的实时市场周期:将市场计划包中的市场类的参数timeIntervalLength（float 类型）由15 改为5,参数tradingPeroid（String 类型）调整为minute。

2）增加机组组合运行的频次:将市场系统外部输入包中通用约束类的参数intervalEndTime 与intervalStartTime（DateTime 类型）之间的差缩小。

但也有部分措施无法直接在IEC 62325 市场运营包中的模型直接描述,例如:

1）限制峰风电机组爬坡措施:需要在市场运行公共包中引入风电机组模块,并在市场系统外部输入包中增加对象的约束。

2）容量市场考虑新能源出力因素:需要在市场计划包中增加新能源容量贡献模型,并与能量市场类产生关联。

3.2 新能源消纳业务信息模型定义

根据3.1 节的分析,新能源消纳业务信息模型主要包括引入新能源机组模块约束及响应约束、增加新能源容量贡献模型及其关联,如图4 所示,具体步骤如下:

1）IEC 现行的CIM 标准中只设计了抽水蓄能和压缩空气储能两类储能设备,本文参考文献［18］的做法:将IEC 61970 中的设备类继承得到储能单元类,与电池储能系统类、水库类、压缩空气储能电厂类成聚集关系；储能单元类与储能充电单元类、储能放电单元类成聚集关系,每个充放电单元可以包含一个或多个储能单元；将IEC 61970 中的Plant 类继承得到储能电站类,储能电站由储能充电单元和储能放电单元组成,因此储能电站类与储能充电单元类、储能放电单元类成聚集关系。上述储能系统的建模详见文献［18］附录A 图A3。

2）将IEC 61970 中的风电机组、光伏电站、储能充电单元、储能放电单元继承从而在IEC 62325 中得到市场风电机组类、市场光伏电站类、市场储能充电类、市场储能放电类。在IEC 62325 市场系统外部输入包中,定义风电机组动态数据类、光伏电站动态数据类、储能充电动态数据类、储能放电动态数据类用于描述与潮流计算和状态估计相关的参数（属性如图4 所示）,风电机组、光伏电站、储能充放电类与其动态数据类均存在关联关系市场风电机组类与风电机组动态数据类存在关联关系。

图4 新能源消纳业务信息模型定义Fig.4 Definition of business information model for renewable energy accommodation

3）将IEC 62325 中的注册资源类继承得到注册风电机组类、注册光伏电站类、注册储能充电类、注册储能放电类,这4 个类与第2 章定义的面向新能源消纳评估的“信息-物理-社会”标准化数据模型中的NWPAnalog 类、NWPMeasurement 类 存 在 关 联关系。由于注册资源类与能量市场类、通用约束类均存在关联关系,可以实现限制峰风电机组爬坡措施以及在容量市场考虑新能源出力因素。

本章仅列举了4 种促进新能源消纳措施,旨在阐述如何将这些措施通过直接复用、扩展IEC 62325 市场运营包等方式进行标准化信息模型构建。其余的促进新能源消纳措施标准化信息模型均可采用本章的方法进行构建。

4 应用

4.1 冀北地区新能源消纳应用现状

冀北地区是中国风能资源极其丰富的地区,其中,张家口、承德均属于二类风资源区。近几年,冀北地区风能资源开发较为充分,风电装机容量以每年15%左右速度增长。目前,新能源技术改造、提升安全稳定裕度、精细化调度管理等措施提升效果趋于饱和,新能源弃电率下降逐步趋缓,针对未来更高比例的新能源发展目标,有必要精细化新能源消纳能力评估因素,探索市场环境下提升新能源消纳能力的措施。

冀北电网现有的新能源智能调控管理系统结构［5,21］框图如附录D 图D1 所示。冀北电网自主研发的新能源智能调控应用位于管理信息大区的信息外网中,应用需要的数据包括基础数据（发电集团信息、电厂信息、计划单元信息、机组基本信息、机组调度信息、火电机组信息等）与运行数据（火电厂燃煤、日前发电能力、年度计划、月度电量、系统负荷预测、机组出力等）,应用通过兼容国家电网有限公司公共信息模型（State Grid common information model,SG-CIM）的E 文件与安全三区中的外网全业务数据中心进行数据交互,并通过物理隔离装置与安全二区中的上级调度数据库进行数据交互。

4.2 市场环境下新能源消纳应用的信息集成架构及应用效果

根据4.1 节可知冀北电网现有的新能源智能调控管理系统尚未接入社会类信息,也未构建市场环境下的应用。因此,基于本文提出的面向新能源消纳的信息-物理-社会标准化数据模型,对冀北现有调控云平台基础功能扩展提升,实现了新能源消纳应用之间的信息集成,具体方案如图5 所示。

图5 市场环境下新能源消纳应用的信息集成架构Fig.5 Information integration architecture for renewable energy accommodation application under market environment

以市场环境下新能源有功自动控制为例,对信息集成架构进行说明,该构建思路及研发思路见附录E。该应用的信息集成过程如附录E 图E2 所示。

1）建立映射策略实现标准化信息模型与关系数据库之间的转化,即将标准信息模型设计文件转换成GBase8g 物理建表脚本；

2）以映射策略为基础在国网云平台中构建统一分析服务,实现该应用与全业务数据中心之间的交互接口,避免了在应用构建时的数据交互过程以及其带来的安全风险；

3）通过分布式服务总线完成该应用与安全一区自动发电控制应用之间的业务交互。

表4 为应用标准化信息模型前后该应用进行信息集成过程的对比。从对比结果可以看出,应用本文设计的标准化信息模型后,数据交换的效率以及安全性均得到了提高,很好地满足了国家电网关于信息系统建设的要求。

表4 建模前后对比Table 4 Comparison before and after modeling

本文构建的标准化信息模型与TimeSeries类［12］等动态数据类相关联,因而基于本文构建的标准化信息模型的组件接口、XML 接口、E 文件均支持对动态数据的处理,因此应用间的信息集成对动态数据存在较好的支持。

5 结语

本文以市场环境下促进新能源消纳、发挥数据资源价值为目标,设计了面向新能源消纳的信息-物理-社会标准化信息模型并应用,主要结论如下:

1）设计了“消纳评估模型层-电力市场运营管理层”的两横两纵新能源消纳信息架构；基于“现象-数据-数据提供者”模式构建了新能源消纳数据模型；构建了新能源消纳应用的信息集成架构,提升了数据交换的效率及安全性,对进一步实现新能源消纳高级应用软件的开发有一定借鉴意义。

2）本文构建的标准化信息模型涵盖了风光储的物理建模、市场环境下的促进新能源消纳措施的业务建模,改善了目前虚拟电厂标准研究侧重于通信协议的现状［22］,可以为国家电网有限公司主导发起的虚拟电厂“架构与功能要求”和“用例”两项IEC标准［23］提供参考,为“国网冀北虚拟电厂示范工程”［24］提供了信息系统设计的指导。以促进新能源消纳为目标,本文对IEC CIM 标准的模型部分进行了扩展,其通信协议部分也可适用于虚拟电厂的通信架构,为数据汇聚和管理、智能终端互联、虚拟电厂互动水平的提高以及信息交换提供技术支撑［25］。

3）本文构建的标准化信息模型为信息-物理-社会系统仿真工具［26］提供了信息模型支撑。

未来工作重点:1）调研并收集更详细的新能源消纳评估相关数据、资料,按照本文设计思路进一步完善面向新能源消纳的信息-物理-社会标准化信息模型；2）分析归纳出各类市场环境下促进新能源消纳措施的业务模型,总结出通用的标准化模型用以补充IEC 标准。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。