微电网环境下飞轮储能系统信息建模与分布式运行机制

黄雪梅

（哈尔滨工程大学工程训练中心教育创新基地，黑龙江哈尔滨 150001）

微电网环境下飞轮储能系统信息建模与分布式运行机制

黄雪梅

（哈尔滨工程大学工程训练中心教育创新基地，黑龙江哈尔滨 150001）

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

飞轮储能技术（Flywheel Energy Storage System，FESS）是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式进行储存，当能量紧急缺乏或需要时，飞轮减速运行以释放存储的能量。相对其他储能方法，飞轮储能具有高效率、无污染、长寿命、易监控、维护简单、充放电迅速、可实现连续工作等显著的优点，被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型能量储存技术，其在改善电能质量、电网调峰、电动汽车、航空航天、不间断供电电源等诸多领域都有广泛的应用[1-2]。

在FESS样机的开发过程中，飞轮的充发电运行机制、能量的转换过程是其中的核心技术。如何有效描述与规划飞轮运行机制，有效地设计、规划、控制、监测FESS样机的整体运行过程，是进行FESS样机研发的核心环节。将该过程与FESS的实际应用环境综合考虑与分析，融合具体应用环境中的FESS样机具体需求、详细的充发电运行特性等因素，将对FESS样机开发起到促进作用，增强样机的工程实际意义。

本文选择电力系统中目前新兴的微电网技术[3]，考虑到FESS作为储能装置，以分布式发电运行机制与微电网中的其他分布式发电装置进行通讯与协同作用。综合应用IEC61850与IEC61499，将所研发FESS样机描述为符合IEC61850的分布式节点，及符合IEC61499的分布式控制与运行模式，使之融入到微电网工作与运行环境。

1 微电网中的飞轮储能系统

FESS是微电网中的主要储能设备类型之一。微电网将分布式发电系统与储能设备、相关负荷保护控制装置共同构成一个可控单元，与大电网相互支撑，充分发挥了分布式能源的效能，提高大电网遭受灾难性故障时关键负荷的供电可靠性。当微网与大电网处于并网运行状态，功率可双向流动，微网内的负荷根据用户情况从电网内部及外部吸收能量，这样有效降低了负荷对大电网的依赖，减小了远距离输电的损耗。微电网中多余的能量可储存于储能设备中，便于在故障检修或特殊情况下应用。在配电系统工作不稳定或出现故障的情况下，微网与主网连接中断，独立向其所辖重要负荷供电。多个分布式电源联网的微网增加了系统容量，而分布式储能设备的存在使系统惯性增大，可以提高微网的动态响应速度，改善电能质量，保证微网的安全稳定运行。微网的发展，依赖于分布式供电系统的成熟和相关储能设备的优良特性。微网中的储能装置与分布式电源相结合，通过合理的设置和储放能控制，可以平抑系统扰动，对微网电压、频率进行调节，保证负荷的需求，稳定微网的安全运行。考虑到微网中光伏电池、风力发电等产生的电能具有显著的不确定性特征，各类负荷的变化也存在一定的随机性，因此需要对储能设备进行合理控制，使它们起到抑制系统扰动、维持系统动态平衡、保持电压和频率稳定的重要作用。

针对微电网中的飞轮储能系统，目前展开了一定的研究工作。文献[4]针对微网中的分布式储能设备，重点研究了飞轮储能设备的特性，并在DIg SILENT/Power Factory中进行了仿真，分析了其储释能的过程。文献[5]提出了可以用于电力系统配电网的飞轮储能系统的基本结构，对飞轮储能系统中拖动惯性飞轮的异步电机的启动、加速储能和减速发电控制方法进行了仿真与试验研究。文献[6]用含飞轮储能单元的动态电压恢复器解决配电网电压暂降问题，其中飞轮储能单元使用钢转子和内装式永磁同步电机根据飞轮储能系统的特点，给出了包括配电网电压跌落检测、飞轮储能装置的充放电控制策略和快速补偿电压跌落的整体控制策略。重点讨论了基于矢量控制的飞轮储能装置充放电控制策略，通过控制直流母线电压，使能量在配电网、飞轮储能单元及负载间合理流动。在Matlab/Simulink环境下建立了动态电压恢复器模型。

在微电网技术的整体运行过程中，FESS作为储能装置，与系统中的风力发电机等分布式发电系统协同工作，而微电网整体以分布式发电运行机制与大电网相互作用，因此，将FESS作为整个电网系统中符合分布式发电机制的运行节点，一方面通过建立有效的信息模型使之以具体工作设备形式融入电力领域，能够与周围电力设备进行有效通讯，另一方面以分布式控制机理协调与微电网整体应用环境的运行机制。因此，本文考虑综合应用IEC61850与IEC61499，将所研发FESS样机描述为符合IEC61850的分布式节点，及符合IEC61499的分布式控制与运行模式，使之融入到微电网工作与运行环境。

2 综合IEC61850和IEC61499的分布式发电

2.1 IEC61850标准

IEC61850标准是国际电工委员会(IEC)发布的变电站自动化系统标准，互操作是其重要目标，互换性是更强的目标。IEC61850定义了28个保护功能逻辑节点（Logic Node，LN）和l 0个保护相关LN，一个保护LN模型中包含一个保护功能需要与外界交互的全部信息。IEC61850规定了描述智能电子设备 IED（Intelligent Electronic Device）本身结构、通信系统结构、开关间隔(功能)结构及它们之间关系的文件格式，该文件格式基于可扩展标记语言XML（extensible markup language），该描述方法使文件中的数据能够在不同厂家的设备工程工具和系统工程工具之间以兼容的方式进行交换，这种IED互操作及功能自由分布特性使各具体IED功能在网络环境下实现分布[6-7]。

目前IEC61850已成为变电站内部网络数据通信的国际最新标准，在国内外新的变电站自动化系统中正在受到推崇。它采用面向对象方法和统一建模语言，通过所定义的逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性与公共数据类等来描述变电站及设备的信息，并为其建立基于对象的数据模型，同时借助于基于可扩展标记语言XML的变电站配置描述语言（Substation Configuration Description Language，SCDL）使模型的自描述成为了可能[5]。

2.2 IEC61499分布式控制机制

IEC61499通过建立分布式控制系统的架构与模型，提供了一种基于功能块机制设计分布式控制系统的策略，应用面向对象的设计与基于事件（event）的执行模式。IEC61499标准以采用事件驱动的功能块(function block)为核心，以基本功能块构建的符合功能块CFB、具有独立控制功能的资源（Resource）、具体设备的建模组织（Device）、以及分布式控制组织形式（Application）等主干模型结构来实现PLC的分布式控制机制[6]。功能块机制是其中核心，为具有独立功能与结构的软件实体，标准中主要定义了3种类型的功能块，即基本功能块、复合功能块和服务接口功能块。基本功能块内部通过定义执行控制表ECC来实现功能块内部状态转换过程，还可以由定义内部算法与本地变量来进行逻辑推理。功能块之间通过定义的数据流与控制流连接构成功能块网络完成设定的控制任务。在IEC61499机制中，元素资源（Resource）与设备（Device）可以用来描述分布式控制所对应的物理仪器设备，通过将功能块网络中的形影功能块向Resource和Device中的部署与分配，从而实现针对特定物理组织结构的分布式控制。元素系统（System）则由device网络组成形成代表一定的物理组织，而应用（Application）则是实现具体控制目的的功能块网络结构。同时通过设计服务接口功能块SIFB，使符合IEC61499的PLC控制系统直接与具体设备驱动器传感器等直接建立通讯联系，实现硬件的实时控制。IEC61499机制目前普遍应用于工厂自动化领域[7-8]。

2.3 基于IEC61850和IEC61499综合机制的分布式发电

IEC61850和IEC61499原本为应用于不同领域的技术标准。在变电站自动化和智能电网领域，2个标准的综合应用目前已有一些工作。文献[9]综合2种标准机理建立变电站自动化系统基于F B的各IED的柔性统一模型。标准F B的模型建立一方面继承LN中的所有数据对象外，另一方面详细定义了功能算法、算法的实现逻辑及与功能相关的事件及数据定义。文中应用了3种不同的标准F B建模方法，即描述IEC61850现有的LN功能、IEC61850未涉及的功能增设新的F B，及将通讯服务封装至服务接口功能块SIFB。

文献 [10-13]应用IEC61850的互操作性和IEC61499的开放式控制结构解决智能电网中硬件设施的基于分布式控制的智能机制。其中IEC61850的作用是提供硬件设备的信息模型、设备间的互操作信息、信息的交换方法及系统的配置语言。而IEC61499则将基于IEC61850描述的系统进行集成、扩展及提供验证机制。文献[8]中将IEC61850中的每一类LN由特定的F B类对应，并设计了由3部分内容组成的通用结构，即包含该LN的数据及服务的数据库、解析由字符串组成的服务名字的服务解析器及负责决策与其他LN协同的智能机制。由某配电网的故障定位、隔离及供电恢复系统作为实例进行了方法验证。

综合以上研究，IEC61850和IEC614992种技术标准的结合在分布式发电中的应用，目前主要在变电站自动化及新兴的智能电网领域。IEC61850专注于变电站相关设备仪器特定信息的建模，分别从应用角度、设备角度、通信角度进行分析，是制定设备仪器间有效通信协议的基础。而IEC61499作为原本主要面向工厂自动化领域的标准，用于规范生产系统底层设备控制器的分布式控制机制。针对电力系统领域，IEC61499针对分布式发电环境下的仪器设备，凭借基于事件的运行机制、逻辑分析推理的算法设计，进行混合、串行等各种逻辑推理操作及基于规则的电力系统控制。

3 综合IEC61850和IEC61499的FESS

3.1 基于IEC61850的微电网FESS系统信息建模

FESS由飞轮装置、基于飞轮转动的充放电系统、磁悬浮轴承支撑系统组成，3部分协同工作完成系统的充放电机制。系统本身是一种集成机械设计、磁性材料、传感器、电子器件与微处理器、控制理论、转子动力学以及高精度的加工制造等众多的工程技术与理论学科机电一体化技术产品，在微电网分布式发电环境中作为主要储能设备类型之一，FESS必须与微电网中的分布式发电系统、相关负荷保护控制装置共同构成一个大电网环境中的可控单元。应用IEC61850机制建立微电网环境中的FESS的信息模型，可有效地将原来作为机电一体化产品的FESS样机转化为电力系统环境内的生产设备，方便与微电网系统内的电力系统其他设备仪器进行通讯协同，以完成整体的任务。

在本文中，将微电网中的FESS类设备建模为一个智能电子设备IED模型，IEC61850应用面向对象的设计方法，对智能电子设备IED设定层次的统一数据对象信息模型。微电网中的FESS作为独立的IED，通过自身的服务器与微电网中的其他设备，如分布式发电系统、相关负荷保护控制装置等进行通讯。IED信息模型中基本数据类型分为服务器（Server）、逻辑设备（Logic Device，LD）、逻辑节点（Logic Node，LN）、数据对象（Data Object，DO）等层次，将某具体的FESS实体设备设定为一个逻辑设备LD，以代理的方式建模在整体FESS服务器上。而FESS内部再划分出充电过程控制、放电过程控制、运行状态监控、运行过程决策等4部分功能结构，建模为逻辑节点LN，作为逻辑设备LD的具体FESS以容器方式容纳建模的4个逻辑节点LN。

对于FESS内部功能逻辑节点的建模，虽然IEC61850-7-4已经定义了面向变电站自动化各项功能的逻辑节点，但是目前已定义的LN未包含飞轮储能系统类需要的建模内容，无法找到完全对应的功能描述，因此，需要对逻辑节点、数据对象、数据属性等进行扩展。根据标准中针对LN扩展指定的规范，定义了充电过程控制、放电过程控制、运行状态监控、运行过程决策等4个LN模型。3.2小节以充电过程控制LN模型为例，给出了充电过程控制LN的具体建模内容，具体见表1。

3.2 微电网FESS系统基于IEC61499的功能块FB设计

在应用IEC61850建立FESS信息模型的基础上，IEC61499的作用主要将IEC61850建立的相对静态的信息模型转化为微电网条件下FESS系统的充放电运行过程的实现机制。由于同样应用面向对象的建模机制，IEC61850的信息模型与IEC61499的功能块结构具有一定的映射关系。本小节主要是将3.1小节规定的4个FESS逻辑节点转化为标准功能块结构，并在此基础上连接功能块之间的事件流与信息流，形成FESS基于IEC61499的分布式控制与运行网络。现以充电过程控制LN为例，说明LN向标准F B的转换。具体包括以下过程：

表1 充电过程控制LN模型Tab.1 LN model for charging procedure control

1）F B数据定义。首先继承充电过程控制LN中的所有数据对象DO，根据数据对象及其属性的内容将其归类为标准F B的输入、输出数据或供算法应用的内部变量。根据需要，进一步补充逻辑节点数据对象中未包含的数据。

2）充电控制事件与充电控制算法设计定义。F B中的充电控制事件，主要包括充电过程准备、充电过程执行、充电后整理3类。充电过程准备主要是根据FESS系统目前的状态，对充电过程进行规划，此时需要相应的算法进行配合。算法中需要分析飞轮目前所处状态、微电网的运行状态、负载情况、微电网发电系统等综合信息，设置FESS在充电执行前的准备情况。充电过程执行事件执行时则可实时监控系统的整个充电过程，充电后整理事件则用于当充电完成后保持飞轮状态或微电网有放电需求时飞轮储能系统需要进行的分析与决策过程。

3）充电状态转换ECC设计。整个充电控制过程中相关的状态执行控制与装换过程规划与设计。图1为充电过程控制F B具体结构。作将结合FESS样机的开发过程，将智能机制引入到IEC61850和IEC61499相互结合的信息建模与运行机制规划过程，有效控制FESS的充放电过程。

图1 充电过程控制FBFig.1 FB for charging procedure control

4 结语

FESS作为微电网中主要的储能设备类型之一，在微电网具有分布式发电及设备运行机制环境中，与周围的分布式发电系统、相关负荷保护控制装置共同协同合作，完成微电网整体的生产任务。FESS在工作过程中，作为融合多学科与技术领域的机电一体化设备，FESS需要协同微电网生产环境，与电力系统中的相关电力设备、电力控制保护装备进行通信，分析与决策自身的充放电过程。本文应用IEC61850机制，建立微电网环境中的FESS信息模型，即将FESS顺利转化为电力系统领域内的生产设备，有效地与周围其他电力设施进行通讯与信息交换。同时在基于IEC61850机制的FESS信息模型基础上，进一步综合应用IEC61499分布式控制机制规划与描述FESS的充放电运行机制，使之更好地适应微电网中分布发电运行环境。以上方法为FESS在微电网中的有效运行提供一条技术途径。进一步的工

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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

主要研究了在微电网具有分布式发电及设备运行机制环境中，飞轮储能系统的信息建模方法与分布式运行机制。应用IEC61850机制，建立微电网环境中的飞轮储能系统的信息模型，以将具有机电一体化设备特征的飞轮储能系统顺利转化为电力系统领域内的生产设备，并有效地与周围其他电力设备进行通讯与信息交换。重点说明了信息模型内部逻辑节点的建模方法。在基于IEC61850机制的飞轮储能系统信息模型基础上，进一步综合应用IEC61499分布式控制机制规划与描述FESS的充放电运行过程，研究了逻辑节点向标准功能块的转化方法。通过IEC61850和IEC61499对微电网中的飞轮储能系统综合应用，说明了2种机制结合应用的有效性，同时也为有效控制电力系统中飞轮储能系统的充放电过程提供技术途径。

微电网；飞轮储能系统；IEC61850标准；IEC61499标准

中央高校基础科研业务费资助（HEUCFZ1024）。

1674-3814（2012）08-0054-05

TM 76

A

2011-03-18。

黄雪梅（1971—），女，博士，副教授，主要从事机电自动化生产系统、飞轮储能系统及其控制技术方面研究。

（编辑 董小兵）