微電網環境下飛輪儲能系統信息建模與分布式運行機制

黃雪梅

（哈爾濱工程大學工程訓練中心教育創新基地，黑龍江哈爾濱 150001）

微電網環境下飛輪儲能系統信息建模與分布式運行機制

黃雪梅

（哈爾濱工程大學工程訓練中心教育創新基地，黑龍江哈爾濱 150001）

Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities（HEUCFZ1024）.

飛輪儲能技術（Flywheel Energy Storage System，FESS）是利用高速旋轉的飛輪將能量以動能的形式進行儲存，當能量緊急缺乏或需要時，飛輪減速運行以釋放存儲的能量。相對其他儲能方法，飛輪儲能具有高效率、無污染、長壽命、易監控、維護簡單、充放電迅速、可實現連續工作等顯著的優點，被認為是近期最有希望和最有競爭力的新型能量儲存技術，其在改善電能質量、電網調峰、電動汽車、航空航天、不間斷供電電源等諸多領域都有廣泛的應用[1-2]。

在FESS樣機的開發過程中，飛輪的充發電運行機制、能量的轉換過程是其中的核心技術。如何有效描述與規劃飛輪運行機制，有效地設計、規劃、控制、監測FESS樣機的整體運行過程，是進行FESS樣機研發的核心環節。將該過程與FESS的實際應用環境綜合考慮與分析，融合具體應用環境中的FESS樣機具體需求、詳細的充發電運行特性等因素，將對FESS樣機開發起到促進作用，增強樣機的工程實際意義。

本文選擇電力系統中目前新興的微電網技術[3]，考慮到FESS作為儲能裝置，以分布式發電運行機制與微電網中的其他分布式發電裝置進行通訊與協同作用。綜合應用IEC61850與IEC61499，將所研發FESS樣機描述為符合IEC61850的分布式節點，及符合IEC61499的分布式控制與運行模式，使之融入到微電網工作與運行環境。

1 微電網中的飛輪儲能系統

FESS是微電網中的主要儲能設備類型之一。微電網將分布式發電系統與儲能設備、相關負荷保護控制裝置共同構成一個可控單元，與大電網相互支撐，充分發揮了分布式能源的效能，提高大電網遭受災難性故障時關鍵負荷的供電可靠性。當微網與大電網處于并網運行狀態，功率可雙向流動，微網內的負荷根據用戶情況從電網內部及外部吸收能量，這樣有效降低了負荷對大電網的依賴，減小了遠距離輸電的損耗。微電網中多余的能量可儲存于儲能設備中，便于在故障檢修或特殊情況下應用。在配電系統工作不穩定或出現故障的情況下，微網與主網連接中斷，獨立向其所轄重要負荷供電。多個分布式電源聯網的微網增加了系統容量，而分布式儲能設備的存在使系統慣性增大，可以提高微網的動態響應速度，改善電能質量，保證微網的安全穩定運行。微網的發展，依賴于分布式供電系統的成熟和相關儲能設備的優良特性。微網中的儲能裝置與分布式電源相結合，通過合理的設置和儲放能控制，可以平抑系統擾動，對微網電壓、頻率進行調節，保證負荷的需求，穩定微網的安全運行。考慮到微網中光伏電池、風力發電等產生的電能具有顯著的不確定性特征，各類負荷的變化也存在一定的隨機性，因此需要對儲能設備進行合理控制，使它們起到抑制系統擾動、維持系統動態平衡、保持電壓和頻率穩定的重要作用。

針對微電網中的飛輪儲能系統，目前展開了一定的研究工作。文獻[4]針對微網中的分布式儲能設備，重點研究了飛輪儲能設備的特性，并在DIg SILENT/Power Factory中進行了仿真，分析了其儲釋能的過程。文獻[5]提出了可以用于電力系統配電網的飛輪儲能系統的基本結構，對飛輪儲能系統中拖動慣性飛輪的異步電機的啟動、加速儲能和減速發電控制方法進行了仿真與試驗研究。文獻[6]用含飛輪儲能單元的動態電壓恢復器解決配電網電壓暫降問題，其中飛輪儲能單元使用鋼轉子和內裝式永磁同步電機根據飛輪儲能系統的特點，給出了包括配電網電壓跌落檢測、飛輪儲能裝置的充放電控制策略和快速補償電壓跌落的整體控制策略。重點討論了基于矢量控制的飛輪儲能裝置充放電控制策略，通過控制直流母線電壓，使能量在配電網、飛輪儲能單元及負載間合理流動。在Matlab/Simulink環境下建立了動態電壓恢復器模型。

在微電網技術的整體運行過程中，FESS作為儲能裝置，與系統中的風力發電機等分布式發電系統協同工作，而微電網整體以分布式發電運行機制與大電網相互作用，因此，將FESS作為整個電網系統中符合分布式發電機制的運行節點，一方面通過建立有效的信息模型使之以具體工作設備形式融入電力領域，能夠與周圍電力設備進行有效通訊，另一方面以分布式控制機理協調與微電網整體應用環境的運行機制。因此，本文考慮綜合應用IEC61850與IEC61499，將所研發FESS樣機描述為符合IEC61850的分布式節點，及符合IEC61499的分布式控制與運行模式，使之融入到微電網工作與運行環境。

2 綜合IEC61850和IEC61499的分布式發電

2.1 IEC61850標準

IEC61850標準是國際電工委員會(IEC)發布的變電站自動化系統標準，互操作是其重要目標，互換性是更強的目標。IEC61850定義了28個保護功能邏輯節點（Logic Node，LN）和l 0個保護相關LN，一個保護LN模型中包含一個保護功能需要與外界交互的全部信息。IEC61850規定了描述智能電子設備 IED（Intelligent Electronic Device）本身結構、通信系統結構、開關間隔(功能)結構及它們之間關系的文件格式，該文件格式基于可擴展標記語言XML（extensible markup language），該描述方法使文件中的數據能夠在不同廠家的設備工程工具和系統工程工具之間以兼容的方式進行交換，這種IED互操作及功能自由分布特性使各具體IED功能在網絡環境下實現分布[6-7]。

目前IEC61850已成為變電站內部網絡數據通信的國際最新標準，在國內外新的變電站自動化系統中正在受到推崇。它采用面向對象方法和統一建模語言，通過所定義的邏輯設備、邏輯節點、數據對象、數據屬性與公共數據類等來描述變電站及設備的信息，并為其建立基于對象的數據模型，同時借助于基于可擴展標記語言XML的變電站配置描述語言（Substation Configuration Description Language，SCDL）使模型的自描述成為了可能[5]。

2.2 IEC61499分布式控制機制

IEC61499通過建立分布式控制系統的架構與模型，提供了一種基于功能塊機制設計分布式控制系統的策略，應用面向對象的設計與基于事件（event）的執行模式。IEC61499標準以采用事件驅動的功能塊(function block)為核心，以基本功能塊構建的符合功能塊CFB、具有獨立控制功能的資源（Resource）、具體設備的建模組織（Device）、以及分布式控制組織形式（Application）等主干模型結構來實現PLC的分布式控制機制[6]。功能塊機制是其中核心，為具有獨立功能與結構的軟件實體，標準中主要定義了3種類型的功能塊，即基本功能塊、復合功能塊和服務接口功能塊。基本功能塊內部通過定義執行控制表ECC來實現功能塊內部狀態轉換過程，還可以由定義內部算法與本地變量來進行邏輯推理。功能塊之間通過定義的數據流與控制流連接構成功能塊網絡完成設定的控制任務。在IEC61499機制中，元素資源（Resource）與設備（Device）可以用來描述分布式控制所對應的物理儀器設備，通過將功能塊網絡中的形影功能塊向Resource和Device中的部署與分配，從而實現針對特定物理組織結構的分布式控制。元素系統（System）則由device網絡組成形成代表一定的物理組織，而應用（Application）則是實現具體控制目的的功能塊網絡結構。同時通過設計服務接口功能塊SIFB，使符合IEC61499的PLC控制系統直接與具體設備驅動器傳感器等直接建立通訊聯系，實現硬件的實時控制。IEC61499機制目前普遍應用于工廠自動化領域[7-8]。

2.3 基于IEC61850和IEC61499綜合機制的分布式發電

IEC61850和IEC61499原本為應用于不同領域的技術標準。在變電站自動化和智能電網領域，2個標準的綜合應用目前已有一些工作。文獻[9]綜合2種標準機理建立變電站自動化系統基于F B的各IED的柔性統一模型。標準F B的模型建立一方面繼承LN中的所有數據對象外，另一方面詳細定義了功能算法、算法的實現邏輯及與功能相關的事件及數據定義。文中應用了3種不同的標準F B建模方法，即描述IEC61850現有的LN功能、IEC61850未涉及的功能增設新的F B，及將通訊服務封裝至服務接口功能塊SIFB。

文獻 [10-13]應用IEC61850的互操作性和IEC61499的開放式控制結構解決智能電網中硬件設施的基于分布式控制的智能機制。其中IEC61850的作用是提供硬件設備的信息模型、設備間的互操作信息、信息的交換方法及系統的配置語言。而IEC61499則將基于IEC61850描述的系統進行集成、擴展及提供驗證機制。文獻[8]中將IEC61850中的每一類LN由特定的F B類對應，并設計了由3部分內容組成的通用結構，即包含該LN的數據及服務的數據庫、解析由字符串組成的服務名字的服務解析器及負責決策與其他LN協同的智能機制。由某配電網的故障定位、隔離及供電恢復系統作為實例進行了方法驗證。

綜合以上研究，IEC61850和IEC614992種技術標準的結合在分布式發電中的應用，目前主要在變電站自動化及新興的智能電網領域。IEC61850專注于變電站相關設備儀器特定信息的建模，分別從應用角度、設備角度、通信角度進行分析，是制定設備儀器間有效通信協議的基礎。而IEC61499作為原本主要面向工廠自動化領域的標準，用于規范生產系統底層設備控制器的分布式控制機制。針對電力系統領域，IEC61499針對分布式發電環境下的儀器設備，憑借基于事件的運行機制、邏輯分析推理的算法設計，進行混合、串行等各種邏輯推理操作及基于規則的電力系統控制。

3 綜合IEC61850和IEC61499的FESS

3.1 基于IEC61850的微電網FESS系統信息建模

FESS由飛輪裝置、基于飛輪轉動的充放電系統、磁懸浮軸承支撐系統組成，3部分協同工作完成系統的充放電機制。系統本身是一種集成機械設計、磁性材料、傳感器、電子器件與微處理器、控制理論、轉子動力學以及高精度的加工制造等眾多的工程技術與理論學科機電一體化技術產品，在微電網分布式發電環境中作為主要儲能設備類型之一，FESS必須與微電網中的分布式發電系統、相關負荷保護控制裝置共同構成一個大電網環境中的可控單元。應用IEC61850機制建立微電網環境中的FESS的信息模型，可有效地將原來作為機電一體化產品的FESS樣機轉化為電力系統環境內的生產設備，方便與微電網系統內的電力系統其他設備儀器進行通訊協同，以完成整體的任務。

在本文中，將微電網中的FESS類設備建模為一個智能電子設備IED模型，IEC61850應用面向對象的設計方法，對智能電子設備IED設定層次的統一數據對象信息模型。微電網中的FESS作為獨立的IED，通過自身的服務器與微電網中的其他設備，如分布式發電系統、相關負荷保護控制裝置等進行通訊。IED信息模型中基本數據類型分為服務器（Server）、邏輯設備（Logic Device，LD）、邏輯節點（Logic Node，LN）、數據對象（Data Object，DO）等層次，將某具體的FESS實體設備設定為一個邏輯設備LD，以代理的方式建模在整體FESS服務器上。而FESS內部再劃分出充電過程控制、放電過程控制、運行狀態監控、運行過程決策等4部分功能結構，建模為邏輯節點LN，作為邏輯設備LD的具體FESS以容器方式容納建模的4個邏輯節點LN。

對于FESS內部功能邏輯節點的建模，雖然IEC61850-7-4已經定義了面向變電站自動化各項功能的邏輯節點，但是目前已定義的LN未包含飛輪儲能系統類需要的建模內容，無法找到完全對應的功能描述，因此，需要對邏輯節點、數據對象、數據屬性等進行擴展。根據標準中針對LN擴展指定的規范，定義了充電過程控制、放電過程控制、運行狀態監控、運行過程決策等4個LN模型。3.2小節以充電過程控制LN模型為例，給出了充電過程控制LN的具體建模內容，具體見表1。

3.2 微電網FESS系統基于IEC61499的功能塊FB設計

在應用IEC61850建立FESS信息模型的基礎上，IEC61499的作用主要將IEC61850建立的相對靜態的信息模型轉化為微電網條件下FESS系統的充放電運行過程的實現機制。由于同樣應用面向對象的建模機制，IEC61850的信息模型與IEC61499的功能塊結構具有一定的映射關系。本小節主要是將3.1小節規定的4個FESS邏輯節點轉化為標準功能塊結構，并在此基礎上連接功能塊之間的事件流與信息流，形成FESS基于IEC61499的分布式控制與運行網絡。現以充電過程控制LN為例，說明LN向標準F B的轉換。具體包括以下過程：

表1 充電過程控制LN模型Tab.1 LN model for charging procedure control

1）F B數據定義。首先繼承充電過程控制LN中的所有數據對象DO，根據數據對象及其屬性的內容將其歸類為標準F B的輸入、輸出數據或供算法應用的內部變量。根據需要，進一步補充邏輯節點數據對象中未包含的數據。

2）充電控制事件與充電控制算法設計定義。F B中的充電控制事件，主要包括充電過程準備、充電過程執行、充電后整理3類。充電過程準備主要是根據FESS系統目前的狀態，對充電過程進行規劃，此時需要相應的算法進行配合。算法中需要分析飛輪目前所處狀態、微電網的運行狀態、負載情況、微電網發電系統等綜合信息，設置FESS在充電執行前的準備情況。充電過程執行事件執行時則可實時監控系統的整個充電過程，充電后整理事件則用于當充電完成后保持飛輪狀態或微電網有放電需求時飛輪儲能系統需要進行的分析與決策過程。

3）充電狀態轉換ECC設計。整個充電控制過程中相關的狀態執行控制與裝換過程規劃與設計。圖1為充電過程控制F B具體結構。作將結合FESS樣機的開發過程，將智能機制引入到IEC61850和IEC61499相互結合的信息建模與運行機制規劃過程，有效控制FESS的充放電過程。

圖1 充電過程控制FBFig.1 FB for charging procedure control

4 結語

FESS作為微電網中主要的儲能設備類型之一，在微電網具有分布式發電及設備運行機制環境中，與周圍的分布式發電系統、相關負荷保護控制裝置共同協同合作，完成微電網整體的生產任務。FESS在工作過程中，作為融合多學科與技術領域的機電一體化設備，FESS需要協同微電網生產環境，與電力系統中的相關電力設備、電力控制保護裝備進行通信，分析與決策自身的充放電過程。本文應用IEC61850機制，建立微電網環境中的FESS信息模型，即將FESS順利轉化為電力系統領域內的生產設備，有效地與周圍其他電力設施進行通訊與信息交換。同時在基于IEC61850機制的FESS信息模型基礎上，進一步綜合應用IEC61499分布式控制機制規劃與描述FESS的充放電運行機制，使之更好地適應微電網中分布發電運行環境。以上方法為FESS在微電網中的有效運行提供一條技術途徑。進一步的工

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Information Modeling and Distributed Execution Mechanism for Flywheel Energy Storage System in Micro Grid

HUANG Xue-mei
（EducationInnovationFoundationofEngineeringTrainingCenter，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，Heilongjiang，China）

This paper mainly deals with the information modeling and distributed execution mechanism of flywheel energy storage system（FESS）in the micro-grid.Based on IEC61850the FESS information modeling is built in the micro-grid environment，which can make the FESS to ectively communicate and exchange information with other electric devices in the micro-grid.The logic nodes specification of the FESS is presented in detail.Based on the IEC 61850compliant information model，the IEC 61499mechanism is further comprehensively used to plan and describe the charging and discharging procedure of the FESS.Transition from the logic node to the standard function block is also explored.Joint application of IEC61850and IEC61499in the FESS in the micro-grid provides an effective approach to control charging and discharging procedure of the FESS.

micro-grid；flywheel energy storage system；IEC 61850standard；IEC 61499standard

主要研究了在微電網具有分布式發電及設備運行機制環境中，飛輪儲能系統的信息建模方法與分布式運行機制。應用IEC61850機制，建立微電網環境中的飛輪儲能系統的信息模型，以將具有機電一體化設備特征的飛輪儲能系統順利轉化為電力系統領域內的生產設備，并有效地與周圍其他電力設備進行通訊與信息交換。重點說明了信息模型內部邏輯節點的建模方法。在基于IEC61850機制的飛輪儲能系統信息模型基礎上，進一步綜合應用IEC61499分布式控制機制規劃與描述FESS的充放電運行過程，研究了邏輯節點向標準功能塊的轉化方法。通過IEC61850和IEC61499對微電網中的飛輪儲能系統綜合應用，說明了2種機制結合應用的有效性，同時也為有效控制電力系統中飛輪儲能系統的充放電過程提供技術途徑。

微電網；飛輪儲能系統；IEC61850標準；IEC61499標準

中央高校基礎科研業務費資助（HEUCFZ1024）。

1674-3814（2012）08-0054-05

TM 76

A

2011-03-18。

黃雪梅（1971—），女，博士，副教授，主要從事機電自動化生產系統、飛輪儲能系統及其控制技術方面研究。

（編輯 董小兵）