2. 国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006;
3. 杭州平旦科技有限公司，浙江 杭州 310013
2. State Grid Liaoning Electric Power Co. Ltd, Shenyang 110006, China;
3. Hangzhou Power Design Technology Co. Ltd, Hangzhou 310013, China
微电网的监视控制与数据采集 (supervisory control and data acquisition, SCADA)系统对运行设备进行监视和控制，实现数据采集、设备控制、参数调节、信号告警等功能，是保障微电网运行可靠性、安全性、经济性的基础[1-3]. 随着电网智能化、电力信息集成化与可再生能源技术的发展，电网需要采用更加高效的调度运行机制与更加灵活的维护方式[4]. 传统的微电网SCADA系统以测点为核心而非基于设备模型，工作效率低下，系统功能简单，并且不易调整与维护，可扩展性差[5-6]. 目前已经开展了对改进的新型微电网SCADA系统的研究. 黎灿兵等[7]针对海岛微电网系统设计了SCADA/EMS（能量管理系统）模型，采用一次开发模式，系统功能与适用范围固定. Vaccaro等 [8]与毕艳冰等[9]分别基于面向服务架构(service-oriented architecture, SOA)设计微电网能量管理系统框架与智能电网能量调度系统架构方案，能够在不改变系统内核的基础上，进行功能的定制修改与扩展. 夏天雷等[10]对微电网系统建立了含风、光、储能的扩展公共信息模型 (common information model, CIM)，为可交互式标准化建模提供了理论基础. 丁银等[11]设计了微电网系统与数据库的通信接口与数据传递的方案. Ravikumar等[12]结合微电网系统的电气模型与数据管理，阐述了电力系统的图模库一体化方案，能够对实际系统进行参数与结构的调整，为微网SCADA系统信息一体化维护提供了思路. Palma-Behnke 等[13]提出了对具体电气设备建立模型的微电网SCADA系统，并且能够通过调控微电网创造经济效益.
目前通用的微电网SCADA系统，应用形态单一，难以满足快速工程化与二次开发的需求，造成资源的浪费；同时功能较为固定，在系统业务的互联性、灵活性与多样性上存在局限. 基于上述研究，本研究提出可扩展型微电网SCADA系统，对基于SOA的开放式架构、一体化模型维护、智能化计算与控制策略等关键技术进行深入研究，在实际工程案例中验证系统方案的可行性与有效性.
1 系统架构 1.1 设计目标可扩展型微电网SCADA系统采用面向对象架构，基于微网模型设计并封装可重用功能模块，具有开放、智能、互联的特点，灵活应用于不同的微电网形态结构. 系统除了具有SCADA基本功能外，主要改进并且实现了如下目标.
1)构建开放式可扩展型系统平台.系统基于SOA技术面向电气模型设计并开发，对SCADA平台功能够进行封装，形成以服务为基本单元的强适应性可扩展平台.
2) 实现微网一体化模型维护管理方案. 系统整合新能源电气模型，基于图模库一体化技术进行一体化模型维护管理. 方案实现数据信息的可视化管理，降低系统维护难度；可以应用于具有不同结构、包含不同设备的微网系统，具备灵活性与可扩展性.
3) 配置智能化计算与控制策略. 系统配置多种智能化计算与控制方法，实现从底层微网模型到上层高级算法的自适应，提升系统的分析与处理能力，使系统具有良好的应用深度与广度.
1.2 可扩展型微电网SCADA系统设计可扩展型微电网SCADA系统架构如图1所示. 系统包括就地层、分布式子站层、优化管理层与集中监控层4部分. 系统上层集中管理、下层分布控制的框架，实现管控的松耦合：能够应对微电网复杂多样的特性，也能够通过就地服务部署控制设备状态，全面实现运行的稳定性与通信的高效性.
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图 1 可扩展型微电网SCADA系统架构 Fig. 1 Structure of scalable SCADA system for microgrids |
就地层与分布式子站层均部署在微电网源地址，采用分布式控制策略，基于SOA技术与远端的管理工作站与监控平台进行交互，下载远端对本地的控制策略、优化指令、控制限值等. 分布式子站层是系统的中间层，通过前置服务器和交换机与就地层设备进行数据交互，也作为管理/监控层所供应服务的下载通道. 就地层包含各种电气设备及其测控终端，一方面对管理/监控层提供数据通信服务；另一方面，下载管理/监控层控制服务以及参数，进行本地快速和优化控制. 当就地层与管理/监控层链路失效时，会基于下载驻留的服务自主运行，保障系统的稳定性与可靠性.
优化管理层是核心决策层，采用集中式控制策略，基于接收的数据进行分析与调度. 集中监控层通过基于SOA的服务总线发布、调用相关服务获取微网信息，并在权限下对微网下发控制策略. 此外，集中监控层通过服务与微电网EMS等外部系统进行电力信息交互、功能集成，提高电力资源的利用率，实现电力系统信息网络的横向与纵向贯通. 开放互联的系统架构具有良好的适应性，也为二次开发与业务持续扩展奠定了基础.
2 系统核心技术方案 2.1 基于SOA的业务封装与扩展面向服务架构作为组件模型，将系统业务模块进行集成，以服务单元的形式发布[14]. 系统可以通过定义的接口与其他服务进行良好的交互，实现业务模块化管理，提升系统运行的效率.
系统针对微网多样性和可变性设计规范化的SOA服务，包括基础类、应用类与管控类服务，不仅对各业务进行封装与统一管理，还可以在总线上扩展新服务，对系统功能进行扩展与强化，具有更强的适应性. 系统服务总线架构如图2所示. 其中，SOA基础类服务包括名字、配置、索引、仲裁服务等，主要进行系统服务与模型的管理与配置；应用类服务包括通道管理、协议解析、通信控制、实时库管理、数据存盘、事项告警、控制操作等基本应用服务；管控类服务包括实时策略、协调控制、历史数据分析等面向微网高级应用的服务. 系统平台可以调用这些服务完成特定的功能，服务间可以互相调用. 由于采用了SOA封装，多个微电网之间可以调用这些服务，完成区域能量管理功能. SOA服务总线使得系统各服务之间的耦合率降低，业务逻辑更加清晰；基础服务利用率提升；高级服务开发效率更高；同时可添加的新服务扩展了系统应用功能的范围与深度.
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图 2 基于SOA的微电网SCADA系统服务总线架构 Fig. 2 Bus architecture of SOA-based SCADA system for microgrids service |
针对微网模型多样，不断有新元件模型加入的特点，提出的可扩展型微电网SCADA系统采用图模库一体化技术进行信息维护，逻辑结构如图3所示：基于IEC61970标准对微电网系统进行含风、光、储能等新能源的扩展CIM建模，将构建的模型映射到数据库；将设备图元对象与基于标准模型建立的数据库信息关联，实现可视化管理，便利信息一体化维护.
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图 3 图模库一体化逻辑图 Fig. 3 Integrated logic diagram of graphic-model-database |
在图模库一体化的基础上，结合SOA技术，系统建立信息从模型到数据库、再到服务的一体化维护与扩展方案，适应微网网络结构与电气设备类型复杂多变的特点. 具体信息流如图4所示.
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图 4 面向模型的微网SCADA系统信息流示意图 Fig. 4 Information diagram of model-oriented SCADA system for microgrids |
基于图模库一体化技术，系统提供网络拓扑结构图、新图元生成及图元属性设置功能. 各图元属性从本质上反映标准的监测模型、设备模型和电气计算模型，与数据库信息存在映射关系. 各个设备属性或网络拓扑结构的任何改变，直接影响储存数据的变位，解决以往数据表分散、信息关联繁琐、管理维护难的问题，实现各类信息从图元模型至数据库的统一维护与管理.
2.2.2 从数据库到服务的信息流动基于SOA技术，系统面向微网模型、以数据库中的结构化信息作为逻辑对象设计服务功能. 服务的实现逻辑与具体数值无关，基于电气模型设计与执行. 输入电气信息的变化直接影响服务的输出结果.
综合以上2点，改变微网网络结构或者微网设备信息，能够实时影响服务反馈的结果，全面快捷地实现系统从下至上的面向信息的一体化维护与扩展. 系统所开发的服务内容能够运用于多种形态微电网，提升微电网SCADA技术的适应性、灵活性与可扩展性，扩展应用的广度；同时极大地降低冗余开发成本，在工业化生产方面具有重大的实际应用价值.
2.3 智能化计算与控制微电网SCADA系统一般由电气工作人员手动下达控制指令，或者使用针对现有微网的固定控制策略对电网进行调控.系统基于面向设备对象、网络模型和服务架构的技术，配置自定义的全自动计算与控制策略，实现智能化的功能，增强系统的自主性，同时具备良好的扩展性.
智能化计算与控制包括微电网拓扑分析与策略控制2部分，如图5所示. 系统根据微网结构与设备信息，使用服务功能构建基于扩展CIM建模的微电网抽象模型；基于拓扑分析结果，选取高级应用服务算法策略对微电网进行自动化控制.
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图 5 智能化计算与控制方案示意图 Fig. 5 Intelligent computing and control method |
策略建模完毕后，系统执行的全自动计算与控制为闭环结构. 获取微电网实时数据并更新策略参数信息；基于算法策略进行计算，得到控制方案；将具体指令下达给相应电气设备，完成完整的流程，并且返回第一步继续监控微电网. 典型服务流程如图6所示. 控制指令主要指对具体电气装置的远方操作，如开关，下达闭合/断开指令，进行遥控；或者对储能变流器等下达电池充放电功率指令，进行遥调.
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图 6 全自动计算与控制策略执行流程图 Fig. 6 Automatic calculation and control strategy execution flow |
智能化计算与控制方法基于SOA与图模库一体化技术、面向设备对象与网络模型进行编写，算法逻辑不因微电网形态变化而改变，具备较强的适应性、灵活性与扩展性. 通过程序逻辑对电网进行全面评估、计算与控制，不仅节省了人力资源，而且提高了调控的频率和精度，提升了运行效率. 系统能够基于SOA不断扩展模型库与算法库，满足多种需求.
3 工程应用针对提出的可扩展型微电网SCADA系统，在理论研究基础上，结合实际工程目标进行开发，应用于浙江南都电源动力股份有限公司的2 MW·h光储一体化微网储能混合电站. 该电站包括57 kW的光伏阵列以及铅酸电池、锂电池、超级电容器等混合储能设备.
3.1 多形态微电网应用实例 3.1.1 系统的维护与拓展可扩展型微电网SCADA系统按时间顺序先后应用于储能电站的2种形态结构. 第一种形态结构的储能电站的主要供电装置为铅酸电池；第二种形态的电气元件类型则更为丰富，在第一种形态的基础上新接入了光伏阵列、锂电池与超级电容器等设备，增加了相应测点，网络结线更为复杂. 针对先后形态有所变化的微电网，系统基于关键技术方案，根据应用需求进行调整与扩展，实现资源的重复利用，大幅提高开发效率.
可扩展型微电网SCADA系统应用的第一种形态的微电网如图7(a)所示，包括交流电表等在内的34个电气设备，共6 279个测点. 加入新设备、更新结线方式后的系统如图7(b)所示，包括新增光伏阵列等在内的42个电气设备，共计8 317个测点（后文所提到的2种系统通用）.
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图 7 可扩展型微电网SCADA系统监控主界面 Fig. 7 Main monitoring interface of scalable SCADA system for microgrids |
表1为可扩展型微电网SCADA系统与常规SCADA系统的对比. 系统在重新构建、工程化过程和控制策略实现编程方面都更加易于维护和扩展. 相比系统应用对象的扩大化，系统开发增加的工作量相对较少. 系统投运后，通过不断更新完善业务，丰富了功能多样性，满足了多种需求，持续提升了应用的深度；同时通过添加新的电气模型，不断扩大自身适用范围，拓展了应用的广度.
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表 1 可扩展型微电网SCADA系统与常规系统对比 Table 1 Comparison of scalable SCADA system for microgrids and traditional system |
提出的可扩展型微电网SCADA系统通过构建面向电气设备与网络模型的全自动计算与控制服务，提升了智能化控制水平，具备扩展应用于不同微电网形态与不同控制目标的能力. 系统智能化控制服务在2种形态的微电网中都得到了良好应用.
为了满足全时段实时高效控制的需求，设计系统如图8所示，以结构化数据库信息为基础，采用设备、测点、规约、通道（网络地址）、数据帧、通信路径、电气元件计算模型一体化配置的方式，对海量电气数据信息进行对象化管理和控制. 基于设备信息，配置网络地址、测点与通信规约规范；根据网络地址分配通道，按照测点与规约规范形成数据帧信息；分配通信路径传输数据帧；自动映射并同步检测数据到通信/计算模型，完成信息交互、策略选择、协调控制等功能.
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图 8 基于微网设备的一体化配置示意图 Fig. 8 Diagram of integrated configuration based on devices of microgrids |
通过分布式寻址方案来分配网络地址，保证网络内地址的唯一性和网络的可测量性. 地址分配如下所示：
| $A{\rm{ = }}A({\rm{parent}}) + C{}_{{\rm{skip}}}(d)\cdot{R_{\rm m}} + n.$ | (1) |
式中：
通道分配综合考虑误码率、断开连接次数、通道负载率、通道丢包率等因素计算通道可靠系数；在存在多通道的情况下，选择最优通道，对可靠性低的通道，系统增加处理线程，保证不因为可靠性低通道影响可靠性高的通道运行和整体性能. 考虑路径所在通道的运行工况和路径对应的数据质量情况进行路径自动择优切换.
通过一体化配置方案，系统合理分类并且整合了电气信息，提升了工作效率. 将链路配置与设备通信等服务隔离开来，使得各服务逻辑不受变化的路径状态影响，同时各链路独立通信. 当链路和设备失效时，系统会自动重连接，重连超过设定次数，判定为故障. 此时就地层会根据已经下载驻留的服务进行自主运行，保障系统的性能与运行的可靠性. 其余链路与设备的通信则不会受到干扰，最大程度地减少了故障对于系统性能的影响. 配置方案面向模型，能够适应不同形态微电网的需求，具有适应性与可扩展性.系统在加入新设备前整合形成了122个数据帧，26条通信路径；最终包含172个数据帧，16条通信路径.
基于一体化配置方案，对2种形态的微电网实施通用的实时控制-日前计划跟踪策略. 策略基于日前机组组合计划，结合实际微网运行情况对各电气设备状态进行控制. 系统在SOA服务总线上调用模型服务，获取电气模型，调用实时数据服务，获取电网监测信息，调用拓扑分析服务，进行实时拓扑分析，调用实时策略服务，得到微网优化控制参数并且形成控制指令，调用数据采集服务，获取Goose、IEC60870-5-104等映射信息和通信接口[15]，通过Goose进行毫秒级的控制、通过IEC60870-5-104进行实时控制，如图9所示.
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图 9 日前计划跟踪控制方案实施全过程示意图 Fig. 9 Implementation of tracking control scheme of day-ahead plan |
对提到的2种形态的微电网系统应用该控制方案后发现，两者规模大小、设备种类、网络形态的差异使得建模后的控制变量与约束个数不同，但是面向模型的设计使得实时控制服务具有统一的算法逻辑与同质的优化目标.
图10展示了智能闭环控制对南都2 MW·h光储一体化微网储能混合电站的控制效果. 图中的曲线很好地反映了日前计划跟踪控制方案的实施过程和取得的良好控制效果. 应用的控制服务具有良好的适应性，同时新扩展的优化模型使得系统的应用范围更加广泛.
提出的可扩展型微电网SCADA系统自身的应用优势如下。
1) 满足业务持续扩展深化的需求.开放的服务架构为系统二次开发提供了支持.
2) 满足资源重复利用与实际工程的高效开发需求. 基于面向模型设计的各项服务具有同一的使用逻辑与良好的适应性，能够重复应用多种实际工程，大幅提高开发效率.
3) 满足智能化分析与控制的需求. 依据微网图元信息解析与优化问题建模的方案，实现全面分析与控制，提升控制方式的多样性与准确性.
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图 10 可扩展型微电网SCADA系统智能化闭环控制效果图 Fig. 10 Effect diagram of intelligent closed-loop control of scalable SCADA system for microgrids |
利用SOA技术的优势，系统不仅在内部基于封装的服务实现了信息的整合与效率的提升，而且通过双层结构，在保障本身控制安全性与稳定性的同时，利用开放的标准通道实现了与外部系统的灵活互联. 在传统的SCADA系统利用服务进行系统内功能整合与管理的基础上，增强了与外部系统的联系与交流.
系统将微电网SCADA的不同功能单元（称为服务）通过服务之间定义良好的接口和契约联系起来. 接口是采用中立的方式进行定义的，独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言. 这使得构建在各种这样的系统中的服务可以以统一和通用的方式进行交互.架构对系统的跨平台、二次开发和系统互联提供了便利. 例如系统将采集的量测数据作为数据源，通过服务传递给微电网能量管理系统的负荷/光伏预测或经济调度等模块使用；将系统的各项业务与日志资料提供给上级监控中心；接受其他系统（如气象系统）中的实时数据进行联合分析等应用.
系统互联示意图如图11所示，以服务为基本工作单元，分为里、外两层结构. 外层部署与外部系统交互的接口，采用网络服务描述语言（WSDL）进行定义；里层服务为可扩展型微网SCADA系统内部实现逻辑，通过与外层接口服务通信来传递互联请求与结果，并且不直接与外部交互，保障系统的安全性与稳定性.
各类系统通过开放标准的互联通道实现了信息流、能量流、业务流一体化，形成了全面布局、纵向贯通、横向互通的电网信息支撑平台.
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图 11 可扩展型微电网SCADA系统互联示意图 Fig. 11 Interconnection diagram of scalable SCADA system for microgrids |
在传统微电网SCADA系统基础上，提出可扩展型微电网SCADA系统技术方案，并且在实际工程项目中得到良好应用. 系统具备多重扩展的能力，可以适用于多种形态与多种需求的微电网系统，提升微电网SCADA技术应用的深度、广度与智能化程度. 主要优势为可以依据统一规范扩展各种业务功能，灵活性强；实行一体化模型维护管理方案，具有高可开发性；适应智能化电网的发展趋势，支持配置多种具有广泛适应性的智能化计算与控制方式，提高SCADA系统分析与处理能力. 通过网络与服务接口，系统可以与其他系统紧密互联，对于电力系统的信息化、网络化、互联化具有重要的借鉴意义.
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