基于扩展CIM的用户端综合能源系统通信系统建模方法与流程

本发明属于智能配电网领域中综合能源系统信息交互技术领域，更具体地，涉及一种基于扩展cim的用户端综合能源系统通信系统建模方法。

背景技术：

综合能源管理基于先进的互联网技术及信息通信技术，综合能源管理的实现离不开先进的通信网络支持。集成多种类型能源是综合能源管理的核心特点之一，以光伏、风电为代表的可再生发电具有间歇性、波动性大的出力特性，单纯依靠大规模储能来平衡这些分布式发电资源波动具有建设成本高、设备寿命有限等经济性约束。

传统电网模式下，电网被动满足用户需求，没有充分发挥家庭或楼宇中的可控负荷资源调节潜力，因此，采用现代通信技术实现用户和电网的实时双向互动，有助于家庭负荷参与电网需求调节，平衡分布式发电资源波动，提高电力系统可控性和稳定性，是智能电网建设的重要环节。

智能电网构成了综合能源系统的基本网架，用户侧分布式能源接入综合能源系统，有助于实现多能互补协同优化控制，在综合能源系统中，用户侧资源调节潜力将充分发挥，同时融入需求响应、能源交易等服务内容，推动能源网络信息化和智能化，综合能源系统的开放互动需要依靠统一的公共信息模型和通信数据模型支撑，以保证不同系统间数据交互一致性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足之处，本发明提出了一种基于扩展cim的用户端综合能源系统通信系统建模方法。本发明建立了用户端分布式能源及负荷的cim模型，在cim16v19版本基础上，进行了模型扩展工作，建立了分布式光伏、风电、储能、三联供系统的公共信息模型，重点关注与综合能源管理信息交互有关的设备状态以及与能量优化管理有关的调节潜力、与能源交易有关的能量消耗等信息。扩展了空调、热水器、电动汽车以及非柔性负荷的公共信息模型，重点关注柔性负荷的工作状态、与用户需求以及可调节范围等有关的设备信息。cim模型有助于确保综合能源系统信息交互的一致性。

本发明采用如下技术方案：

基于扩展cim的用户端综合能源系统通信系统建模方法，包括以下步骤，

步骤s1、分布式能源与负荷的信息建模，建立了分布式光伏、风电、储能、冷热电三联供的cim模型，确保综合能源系统信息交互的一致性，将分布式能源与负荷的信息建模获得的信息基础传输给综合能源开放互动通信数据建模；

步骤s2、综合能源开放互动通信数据建模，建立了标准通信接口和通信数据模型，通信数据模型的数据内容通过标准通信接口进行传输，综合能源开放互动通信数据建模的通信基础为面向综合能源管理的智能用户终端通信系统架构；

步骤s3、面向综合能源管理的智能用户终端通信系统架构包括信息交互架构和通信网络架构，通信网络结构用于实现信息交互架构的网络需求。

本技术方案进一步的优化，步骤s1中的分布式光伏cim模型由分布式光伏机组类表示，该类由标准cim模型中太阳能发电机组类派生而来，一个分布式光伏发电机组由多个光伏阵列组成，每个光伏阵列又由多个太阳能电池组成，光伏阵列通常具有光伏控制器，该类由调节性导电设备派生而来，分布式光伏机组与光伏阵列建立了一对多的聚合关系，光伏阵列与太阳能电池建立了一对多的聚合关系。

本技术方案进一步的优化，步骤s1中的风电cim模型以分布式风电机组类为基本单元，该类是在原有的风电机组类基础上派生而成，一个风电机组包含风力涡轮机及风力发电机两部分，分别建模为风力涡轮机类与风力发电机类；风力发电机属于旋转电机，因此该类由cim的旋转电机类派生，风力涡轮机类选择由设备类派生而来，包括风力涡轮机的切入风速、切出风速和额定风速属性，分布式风电机组分别与风力涡轮机、风力发电机建立了一对多的聚合关系，表示一个分布式风电机组由至少一个风力涡轮机和一个风力发电机组成。

本技术方案进一步的优化，步骤s1中储能cim模型由储能类表示，该类由可调节导电设备类派生而来，一个储能设备可能由多个电池模块组成，该类集成了导电设备类，储能与电池模块之间建立了一对多的聚合关系。

本技术方案进一步的优化，步骤s1中冷热电三联供由三联供机组类表示，由于以天然气为能量来源，该类继承自cim原有的热电机组类，三联供包括微型燃气轮机、热回收装置制冷装置以及燃气锅炉，三联供机组与以上四个类都建立了一对多的聚合关系。

本技术方案进一步的优化，步骤s1中负荷的cim建模是为满足调节用户柔性负荷进行的信息交互，负荷cim建模针对空调、热水器、电动汽车这些柔性负荷进行了详细建模，其他非柔性负荷建为统一的非柔性负荷类。

本技术方案进一步的优化，步骤s2中根据综合能源管理的信息交互需求，标准通信接口包括主体注册、事件下发、数据上传、选择计划。

本技术方案进一步的优化，步骤s2中采用基于xml格式的消息体来传递信息，根据综合能源管理数据交互需求，通信数据模型包括事件数据模型、报告数据模型两部分，用于实现数据的上传和下发。

本技术方案进一步的优化，步骤s3中信息交互架构包括综合能源管理与服务平台、智能用户终端和系列化终端设备接口，通过系列化终端设备接口统一实现家用电器、电动汽车、天然气能源、分布式电源等设备接入智能用户终端，采用便携式移动设备实现人机交互接口，智能用户终端通过互联网接入综合能源管理与服务云平台，从而实现综合能源系统从下往上的开放互联，为后续实现能源管理、能源监测及能源交易功能奠定了通信数据基础。

本技术方案进一步的优化，步骤s3中通信网络架构采用局域网无线通信协议、wi-fi和http通信技术。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、采用现代通信技术实现用户和电网的实时双向互动，实现了家庭负荷参与电网需求调节，平衡分布式发电资源波动，提高电力系统可控性和稳定性，这是智能电网建设的重要环节。

2、通过本专利所构建的智能电网构成了综合能源系统的基本网架，用户侧分布式能源接入综合能源系统，有助于实现多能互补协同优化控制，在综合能源系统中，用户侧资源调节潜力将充分发挥，同时融入需求响应、能源交易等服务内容，推动能源网络信息化和智能化，综合能源系统的开放互动需要依靠统一的公共信息模型和通信数据模型支撑，保证了不同系统间数据交互一致性。

附图说明

图1是用户端综合能源系统通信系统建模图；

图2是公共信息模型建模流程图；

图3是标准cim模型的分布式能源cim类图；

图4是本发明的分布式能源cim类图；

图5是标准cim模型的负荷cim类图；

图6是本发明的负荷cim类图；

图7是面向综合能源管理的智能用户终端信息交互架构图；

图8是面向综合能源管理的智能用户终端通信网络架构图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

基于扩展cim的用户端综合能源系统通信系统建模方法，包括以下步骤，

步骤s1、分布式能源与负荷的信息建模，建立了分布式光伏、风电、储能、冷热电三联供的cim模型，确保综合能源系统信息交互的一致性，将分布式能源与负荷的信息建模获得的信息基础传输给综合能源开放互动通信数据建模。

步骤s1中的分布式光伏cim模型由分布式光伏机组类表示，该类由标准cim模型中太阳能发电机组类派生而来，一个分布式光伏发电机组由多个光伏阵列组成，每个光伏阵列又由多个太阳能电池组成，光伏阵列通常具有光伏控制器，该类由调节性导电设备派生而来，分布式光伏机组与光伏阵列建立了一对多的聚合关系，光伏阵列与太阳能电池建立了一对多的聚合关系。

步骤s1中的风电cim模型以分布式风电机组类为基本单元，该类是在原有的风电机组类基础上派生而成，一个风电机组包含风力涡轮机及风力发电机两部分，分别建模为风力涡轮机类与风力发电机类；风力发电机属于旋转电机，因此该类由cim的旋转电机类派生，风力涡轮机类选择由设备类派生而来，包括风力涡轮机的切入风速、切出风速和额定风速属性，分布式风电机组分别与风力涡轮机、风力发电机建立了一对多的聚合关系，表示一个分布式风电机组由至少一个风力涡轮机和一个风力发电机组成。

步骤s1中储能cim模型由储能类表示，该类由可调节导电设备类派生而来，一个储能设备可能由多个电池模块组成，该类集成了导电设备类，储能与电池模块之间建立了一对多的聚合关系。

步骤s1中冷热电三联供由三联供机组类表示，由于以天然气为能量来源，该类继承自cim原有的热电机组类，三联供包括微型燃气轮机、热回收装置制冷装置以及燃气锅炉，三联供机组与以上四个类都建立了一对多的聚合关系。

步骤s1中负荷的cim建模是为满足调节用户柔性负荷进行的信息交互，负荷cim建模针对空调、热水器、电动汽车这些柔性负荷进行了详细建模，其他非柔性负荷建为统一的非柔性负荷类。

步骤s2、综合能源开放互动通信数据建模，建立了标准通信接口和通信数据模型，通信数据模型的数据内容通过标准通信接口进行传输，综合能源开放互动通信数据建模的通信基础为面向综合能源管理的智能用户终端通信系统架构。

步骤s2中根据综合能源管理的信息交互需求，标准通信接口包括主体注册、事件下发、数据上传、选择计划。采用基于xml格式的消息体来传递信息，根据综合能源管理数据交互需求，通信数据模型包括事件数据模型、报告数据模型两部分，用于实现数据的上传和下发。

步骤s3、面向综合能源管理的智能用户终端通信系统架构包括信息交互架构和通信网络架构，通信网络结构用于实现信息交互架构的网络需求。

信息交互架构包括综合能源管理与服务平台、智能用户终端和系列化终端设备接口，通过系列化终端设备接口统一实现家用电器、电动汽车、天然气能源、分布式电源等设备接入智能用户终端，采用便携式移动设备实现人机交互接口，智能用户终端通过互联网接入综合能源管理与服务云平台，从而实现综合能源系统从下往上的开放互联，为后续实现能源管理、能源监测及能源交易功能奠定了通信数据基础。

信息交互架构中智能用户终端类与空调、热水器、电动汽车以及非柔性负荷类都建立了一对多的聚合关系，表示一个用户拥有零到多个负荷设备。其中，通信网络架构采用局域网无线通信协议、wi-fi和http通信技术。

参阅图1所示，为用户端综合能源系统通信系统建模图。本发明优选一实施例的基于扩展cim的用户端综合能源系统通信系统建模方法，包括以下步骤：

步骤s1、分布式能源与负荷的信息建模，建立了分布式光伏、风电、储能、冷热电三联供的cim模型，确保综合能源系统信息交互的一致性，将分布式能源与负荷的信息建模获得的信息基础传输给综合能源开放互动通信数据建模；

步骤s2、综合能源开放互动通信数据建模，建立了标准通信接口和通信数据模型，通信数据模型的数据内容通过标准通信接口进行传输，综合能源开放互动通信数据建模的通信基础为面向综合能源管理的智能用户终端通信系统架构；

步骤s3、面向综合能源管理的智能用户终端通信系统架构包括信息交互架构和通信网络架构，通信网络结构用于实现信息交互架构的网络需求。

综合能源系统以智能电网为基础，其中涉及的运行优化需要与云平台中的外部交互系统进行信息交互。标准的公共信息模型已经对电力系统大多数资源进行了建模，但是截至目前稳定版本cim16，仍缺乏对分布式电源、终端设备等资源的建模，无法满足综合能源系统中“源网荷一体”的互动需求。为实现综合能源系统优化运行，有必要对现有模型进行扩展。

该实施例建立了用户端分布式能源及负荷的cim模型，在cim16v19版本基础上，进行了模型扩展工作，建立了分布式光伏、风电、储能、三联供系统的公共信息模型，重点关注与综合能源管理信息交互有关的设备状态以及与能量优化管理有关的调节潜力、与能源交易有关的能量消耗等信息。扩展了空调、热水器、电动汽车以及非柔性负荷的公共信息模型，重点关注柔性负荷的工作状态、与用户需求以及可调节范围等有关的设备信息。cim模型有助于确保综合能源系统信息交互的一致性。

其次，为实现综合能源系统设备资源与智能用户终端、智能用户终端与综合能源管理与服务云平台的开放互联，进行了通信数据建模，构建综合能源通信数据模型，设计了面向综合能源管理的智能用户终端标准通信接口，从主体注册、事件下发、数据上传、选择计划四大部分设计信息交互机制。此外，构建了面向综合能源管理的智能用户终端通信数据模型，包括事件数据模型、报告数据模型两部分，分别用于实现综合能源管理与服务云平台价格等数据的下发以及用户历史数据、遥测数据等的上传。通信数据模型的建立为后续智能用户终端应用中通信模块的开发提供了通信标准和数据支持。

最后，设计了面向综合能源管理的智能用户终端通信系统架构，通过系列化终端设备接口统一实现家用电器、电动汽车、天然气能源、分布式电源等设备接入智能用户终端，采用便携式移动设备实现人机交互接口，智能用户终端通过互联网接入综合能源管理与服务云平台，从而实现综合能源系统从下往上的开放互联，为后续实现能源管理、能源监测及能源交易功能奠定了通信数据基础。

参阅图2所示为该实施例的公共信息模型建模流程图，首先，需要对用户端综合能源系统分布式能源和柔性负荷优化控制的应用场景进行分析，对该场景可能涉及的数据需求加以明确。然后根据cim模型的建模规则及方法论，参照iec61970/iec61968等相关标准，吸取其他相关标准与目前其他学者建模工作(如iec61850-7-420标准定义了新能源通讯接口、iecpc118提供了负荷和新能源调度信息模型)的经验，以cim16为基础进行差异化分析而得出需要扩展的内容。云平台外部交互系统分析包括能源监测系统、能源管理系统、能源交易系统和天气预报系统，综合能源系统用户端分布式能源及负荷统一信息模块需求包括分布式能源与负荷的信息建模，云平台外部交互系统分析和综合能源系统用户端分布式能源及负荷统一信息模块需求获取的信息作为建模依据，建立综合能源系统用户端分布式统一公共信息模型，

参阅图3和图4所示，分别为标准cim模型的分布式能源cim类图和本发明的分布式能源cim类图，图中包括扩展的分布式光伏(pv)、分布式风电(wp)、储能(ess)以及三联供(cchp)的信息模型。

光伏cim模型由分布式光伏机组类(de_pv_unit)表示，该类由标准cim模型中太阳能发电机组(solargeneratingunit)类派生而来。一个分布式光伏发电机组由多个光伏阵列(pvarray)组成，每个光伏阵列又由多个太阳能电池(pvcell)组成。光伏阵列通常具有光伏控制器(pvcontroller)，该类由调节性导电设备(regulatingcondeq)派生而来。分布式光伏机组与光伏阵列建立了一对多的聚合关系，光伏阵列与太阳能电池建立了一对多的聚合关系。

风电cim模型以分布式风电机组(dewindgeneratingunit)类为基本单元，该类是在原有的风电机组windgeneratingunit类基础上派生而成。一个风电机组包含风力涡轮机及风力发电机两部分，分别建模为windturbine类与wind6enerator类。风力发电机windgenerator属于旋转电机，因此该类由cim的旋转电机类(rotatingmachine)派生。风力涡轮机(windturbine)类选择由设备(equipment)类派生而来，包含了风力涡轮机的切入风速、切出风速和额定风速属性。分布式风电机组分别与风力涡轮机、风力发电机建立了一对多的聚合关系，表示一个分布式风电机组由至少一个风力涡轮机和一个风力发电机组成。

储能cim模型由储能(energystorage)类表示，该类由可调节导电设备(regulatingcondeq)类派生而来。一个储能设备可能由多个电池模块(batterymodule)组成，该类集成了导电设备(conductingequipment)类。储能与电池模块之间建立了一对多的聚合关系。

冷热电三联供由三联供机组(cchp_unit)类表示，由于以天然气为能量来源，该类继承自cim原有的热电机组(thermalgeneratingunit)类。三联供通常包括微型燃气轮机(cchp_generator)、热回收装置(heatrecodevice)、制冷装置(coolingdevice)以及燃气锅炉(cchp_gasboiler)，三联供机组与以上四个类都建立了一对多的聚合关系。

智能用户终端(smartuserterminal)类与以上分布式光伏机组类(de_pv_unit)、分布式风电机组(dewindgeneratingunit)类、储能(energystorage)类以及三联供机组(cchp_unit)类都建立了一对多的聚合关系，表示一个用户拥有零到多个分布式能源设备。

负荷的cim建模主要为满足调节用户柔性负荷进行的信息交互，因此负荷cim建模针对空调、热水器、电动汽车这些柔性负荷进行了详细建模，其他非柔性负荷建为统一的非柔性负荷类。在负荷cim建模中同样舍去了设备的部分详细属性参数，更多关注与柔性负荷的工作状态、与用户需求以及可调节范围等有关的设备信息。

参阅图5和图6所示，分别为标准cim模型的负荷cim类图和该实施例的负荷cim类图。包括扩展的空调(airconditioner)、热水器(heater)、电动汽车(electricvehicle)以及非柔性负荷(nonflexibleload)的信息模型。

智能用户终端(smartuserterminal)类与空调(airconditioner)、热水器(heater)、电动汽车(electricvehicle)以及非柔性负荷(nonflexibleload)类都建立了一对多的聚合关系，表示一个用户拥有零到多个负荷设备。

参阅图7所示，为面向综合能源管理的智能用户终端信息交互架构图。图中综合能源管理智能用户终端的数据接口涉及到以天然气资源为代表的多种能源接口、外部电网信息、用户侧分布式能源与电动汽车等电力电子相关设备的通信接口、普通用电负荷的量测装置接口等，通过系列化终端设备接口统一实现。智能用户终端还需要实现与用户交互的人机交互接口，采用便携式终端设备实现。此外，智能用户终端与综合能源管理与服务云平台的接口通过互联网实现，采用http传输协议实现。

面向综合能源管理的智能用户终端通信系统采用局域网无线通信协议、wi-fi和http通信技术，整个系统按照不同的通信方式分为三个部分：家庭网络、wi-fi网络和以太网网络。参阅图8所示，为该实施例面向综合能源管理的智能用户终端通信网络架构图。用户端能源路由器搭载wi-fi通信模块、以太网通信模块和局域网无线通信模块，是数据传输系统的枢纽。在数据交换中，用户端能源路由器作为数据交换中心，智能用户终端通过modbustcp通信协议访问用户端能源路由器并实现信息交互，综合能源管理与服务云平台通过http协议访问用户端能源路由器实现数据采集与传递，用户端能源路由器可以通过局域网无线通信模块采用特定的局域网协议(如zigbee协议、tfc104规约等)下发遥控或遥调的控制指令给各个设备，或采集各个设备的遥测用能量和遥信开关状态。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。