智能電網(wǎng)中的三個(gè)互操作架構(gòu)遠(yuǎn)景

IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)-帶有電力系統(tǒng)和終端用戶應(yīng)用和負(fù)載的智能電網(wǎng)能源技術(shù)和信息技術(shù)互操作運(yùn)營指南(Guide for Smart Grid Interoperability of Energy Technology and Information Technology Operation With the Electric Power System (EPS), and End-Use Applications and Loads)即將頒布，有意思的是，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是圍繞著三個(gè)遠(yuǎn)景(Perspective)而展開的，本文就對這三個(gè)遠(yuǎn)景做一個(gè)簡單介紹，希望能對讀者起到拋磚引玉的作用。

概述

據(jù)上海.羿歌所了解，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)從互操作架構(gòu)的視點(diǎn)討論了電力系統(tǒng), 通信系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的遠(yuǎn)景。提出遠(yuǎn)景架構(gòu)的目的是增強(qiáng)智能電網(wǎng)各系統(tǒng)之間的互操作。三個(gè)系統(tǒng)完成同一個(gè)公共目標(biāo)，每個(gè)系統(tǒng)又有各自的特點(diǎn)。

三個(gè)互操作架構(gòu)遠(yuǎn)景(IAP)主要考慮電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和信息系統(tǒng)接口的邏輯和功能，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的互操作。三種遠(yuǎn)景的摘要如下：

·電力系統(tǒng)互操作架構(gòu)遠(yuǎn)景(PS-IAP)。電力系統(tǒng)遠(yuǎn)景強(qiáng)調(diào)的是發(fā)電、輸電和用電，包括電器、應(yīng)用和運(yùn)行的理念。這個(gè)遠(yuǎn)景定義了七個(gè)域：發(fā)電、輸電、配電、服務(wù)供應(yīng)商、市場、控制/運(yùn)行和消費(fèi)者。此概念在三個(gè)遠(yuǎn)景中是相同的。

·通信技術(shù)互操作架構(gòu)遠(yuǎn)景(CT-IAP)。通信技術(shù)遠(yuǎn)景強(qiáng)調(diào)的是在智能電網(wǎng)中，系統(tǒng)、設(shè)備和應(yīng)用之間的通信連通性。這個(gè)遠(yuǎn)景包括通信網(wǎng)絡(luò)、介質(zhì)、性能和協(xié)議。

·信息技術(shù)互操作架構(gòu)遠(yuǎn)景(IT-IAP)。信息技術(shù)遠(yuǎn)景強(qiáng)調(diào)的是過程控制和數(shù)據(jù)管理。遠(yuǎn)景包括信息數(shù)據(jù)的存儲、處理、管理和控制。

每個(gè)遠(yuǎn)景由域、實(shí)體和接口或數(shù)據(jù)流組成-所有內(nèi)容都由智能電網(wǎng)互操作參考模型(SGIRM)定義。參考模型按照功能進(jìn)行闡述，可以擴(kuò)展，但不打算規(guī)定或限制。當(dāng)智能電網(wǎng)技術(shù)和架構(gòu)發(fā)展時(shí)，要求互操作是能夠維護(hù)的。參考模型的靈活性保證了智能電網(wǎng)未來發(fā)展的先進(jìn)性。

電力系統(tǒng)的互操作

電力系統(tǒng)的互操作體現(xiàn)為保證電力供給的復(fù)雜系統(tǒng)，目的是為消費(fèi)者提供高可靠、高可用和高質(zhì)量的電力，并使電力成為一種經(jīng)濟(jì)的能源。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行要確保每刻產(chǎn)生的功率(kW或MW)精確的等于消耗的功率。如果這個(gè)等式不平衡，電力系統(tǒng)會在瞬間發(fā)生問題。這些問題包括裝置的損壞和消費(fèi)者的停電。同時(shí)，產(chǎn)生的無功功率(kvar或Mvar)和消耗的無功功率，也要在每處電站取得平衡。將來的智能電網(wǎng)會對現(xiàn)存的電力系統(tǒng)進(jìn)行方案優(yōu)化，保持這些平衡。

電源的容量可以有很大變化，從幾百瓦到幾百兆瓦。有些電源通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)，具有很好的可控性，而有些電源不具備這樣的能力。這樣的電源會有很大的波動，在最差的情況下，可以從滿輸出到無輸出，反之亦然，就就是幾秒鐘的事情。

消費(fèi)者的電負(fù)載也有各自的特性，可能在不同等級快速變化。輸電系統(tǒng)是一個(gè)從發(fā)電到負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)，具有冗余輸送大電力的能力。輸電系統(tǒng)中的電流通常是雙向的。因?yàn)檩旊娤到y(tǒng)在電能傳輸?shù)闹匾?，輸電系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為具有最小損耗和高度的自動化，保持系統(tǒng)的每個(gè)部分都不失效。

配電系統(tǒng)以高效、可靠和經(jīng)濟(jì)的方式為消費(fèi)者提供電能。老式的配電系統(tǒng)，從變電站到消費(fèi)者的電流通常是單向的。很多配電系統(tǒng)具有或?qū)⒂须p向電流，因?yàn)樵诒镜嘏潆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)浠蛳M(fèi)者自備電站的發(fā)電超過負(fù)載的情況，所以需要具備這樣的能力。當(dāng)部分配電系統(tǒng)發(fā)生問題時(shí)，可以通過人工干預(yù)重啟系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)本身具有通過電流提供每處電力系統(tǒng)狀態(tài)信息的能力，因?yàn)樗蛠碜阅切┭b置。因此，遵照指南和策略可以簡化控制系統(tǒng)，在設(shè)備之間使用最小的通信量，保證電力系統(tǒng)具有良好的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。比如，沒有外部通信時(shí)，一個(gè)“波動”的發(fā)電機(jī)會帶來：頻率高時(shí)產(chǎn)生低輸出，頻率低時(shí)產(chǎn)生高輸出?？紤]使用這種天然的狀態(tài)信息和更先進(jìn)的控制設(shè)備避免電源產(chǎn)生波動。

傳統(tǒng)的方法可以保證電力系統(tǒng)能夠很好的運(yùn)行，方法如下：

·在發(fā)電有限不能提供足夠電能時(shí)，安裝新的可控發(fā)電裝置。使電力系統(tǒng)具有足夠可控的發(fā)電量，滿足瞬時(shí)最遭的負(fù)載變化。

·裝置等級足夠大，可以應(yīng)對最遭情況運(yùn)行條件。

智能電網(wǎng)技術(shù)提供了使用新方法的機(jī)會，可優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行。這些方法可以與智能電網(wǎng)技術(shù)一起運(yùn)行，包括：

·使用更多的可控發(fā)電、存儲和負(fù)載，優(yōu)化發(fā)電和負(fù)載的平衡。

改變當(dāng)前條件優(yōu)化裝置容量。條件可以包括室溫、電流和維護(hù)等。

·使用本地控制的發(fā)電、存儲和負(fù)載，減小裝置容量變化和電源質(zhì)量問題。

IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)中SGIRM電力系統(tǒng)互操作架構(gòu)遠(yuǎn)景

IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)中SGIRM 的PS-IAP主要表現(xiàn)為一種傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)景象，CT-IAP提供一種從一地到另一地得到數(shù)據(jù)的方法，IT-IAP提供一種使用數(shù)據(jù)獲得有用信息的方法。

PS-IAP(圖1)是主要實(shí)體的邏輯表示，描述了電力系統(tǒng)的功能。圖1顯示了來自電力系統(tǒng)遠(yuǎn)景的域、實(shí)體和接口。PS- IAP的域(在所有遠(yuǎn)景中相同)表現(xiàn)了一種接近于現(xiàn)存電力設(shè)施的劃分方法。PS-IAP的實(shí)體(在所有遠(yuǎn)景中具有獨(dú)特性)反應(yīng)了電力系統(tǒng)的裝置或功能。在電力系統(tǒng)遠(yuǎn)景實(shí)體間的接口可以通過多個(gè)數(shù)據(jù)連接的多種數(shù)據(jù)流表示。比如，在配電站和運(yùn)行中心的通信，在同一個(gè)接口可能有SCADA、聲音和視頻多種信息。在圖中僅畫出了數(shù)據(jù)通道。因?yàn)榇嬖诤芏嗫蛇x的電流，為了保持圖的簡單，電流被省略了。

圖1 IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)中的PS-IAP

智能電網(wǎng)的部署可以覆蓋一個(gè)小型地區(qū)、一個(gè)電力設(shè)施、一個(gè)控制區(qū)域或一個(gè)全國范圍的系統(tǒng)。對于一個(gè)完成的部署，每個(gè)實(shí)體可以代表任何數(shù)量的物理或邏輯設(shè)備。

通信系統(tǒng)的互操作

端到端的智能電網(wǎng)通信模型可以在圖2看到。這些通信架構(gòu)映射到發(fā)電、輸電、配電和消費(fèi)者的域上。每個(gè)特定通信塊映射到特定劃分域上的設(shè)施。

圖2 智能電網(wǎng)端到端通信模型

它還顯示了端到端通信的安保層和管理層，橫跨了每個(gè)智能電網(wǎng)的通信域。通信安保和管理架構(gòu)需要在IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)中SGIRM部分定義和規(guī)范。

IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)SGIRM 通信技術(shù)互操作架構(gòu)遠(yuǎn)景

IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)中SGIRM 的CT-IAP通過圖3表現(xiàn)出來，可以包括出現(xiàn)的新技術(shù)，也可以使用由開發(fā)者定義的目標(biāo)架構(gòu)。它是智能電網(wǎng)中通信系統(tǒng)、變電站和關(guān)鍵組件等所有相關(guān)系統(tǒng)的圖形表示，是一種通用、靈活和動態(tài)的體系架構(gòu)，會隨著技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展。

圖3 IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)中的CT-IAP

CT-IAP(圖3)顯示了通信系統(tǒng)遠(yuǎn)景中的域、實(shí)體和接口。CT-IAP域(所有的遠(yuǎn)景都相同)劃分出了7個(gè)部分，接近于現(xiàn)存的電力設(shè)施。這些域包括：

·發(fā)電;

·輸電;

·配電;

·消費(fèi)者;

·服務(wù)供應(yīng)商;

·控制和運(yùn)行;

·市場。

在每個(gè)域中或在域之間(內(nèi)部域)，實(shí)體通過一個(gè)或多個(gè)接口相互連接。多個(gè)接口連接一個(gè)或多個(gè)實(shí)體表示了可用性(將來使用)和多種互連變化。如果在不遠(yuǎn)的將來需要增加新實(shí)體或接口，可以按這個(gè)方法加入。

通信實(shí)體可以是有線或無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，或相關(guān)的通信系統(tǒng)元件。接口要按照通用互連要求進(jìn)行定義，建立兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體間最小等級的互操作。接口還要按照性能要求、安保等級、協(xié)議類型和其他需求進(jìn)一步確定規(guī)范。

實(shí)體的通信鏈路連接，通過兩個(gè)實(shí)體間的線路來表示;因此，這個(gè)線路表現(xiàn)為在兩個(gè)實(shí)體間的“接口”或“連接”。應(yīng)該注意，兩個(gè)實(shí)體間的單線不意味著僅有一個(gè)或單一接口。這根線代表一個(gè)—兩個(gè)實(shí)體間接口的“集合”。這種方法簡化了圖形且容易閱讀。

信息系統(tǒng)的互操作

IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)的SGIRM涉及了在7個(gè)域之間的信息交換，在ISO OSI(開放系統(tǒng)互連)模型中，位于傳輸層(第4層)之上。所以，智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)互操作的焦點(diǎn)是在第4層到第7層。

分層的方法簡化了使用新技術(shù)替換老技術(shù)的任務(wù)。比如，只要服務(wù)接口兼容，可以設(shè)計(jì)一種傳輸層協(xié)議，完成對很多種數(shù)據(jù)鏈路類型的操作。很多老協(xié)議和直接連接數(shù)據(jù)鏈路層的技術(shù)(比如，專用電話線路)仍在電網(wǎng)中運(yùn)行。這些通信鏈接可能還要在智能電網(wǎng)中存在很多年。在開發(fā)新的應(yīng)用和使用新的協(xié)議時(shí)，要考慮與現(xiàn)存的協(xié)議的兼容問題，確保今后通信網(wǎng)絡(luò)中的各層能夠平滑地過渡。

IT功能可以把信息迅速、安全和可靠地發(fā)送到電網(wǎng)的任何點(diǎn)，為決策提供支撐。通過配置和操作條件的進(jìn)步，智能電網(wǎng)會更加動態(tài)，為優(yōu)化使用信息創(chuàng)造更多的機(jī)會。

智能電網(wǎng)是隨電力裝置技術(shù)的發(fā)展和由配電和輸電設(shè)施中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)視、分析、優(yōu)化和控制運(yùn)轉(zhuǎn)而一起推動的。因此，系統(tǒng)受到了很多分布式自動化技術(shù)的影響，針對來自IT遠(yuǎn)景，今后還要解決諸如數(shù)據(jù)交換的互操作、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安保、現(xiàn)存系統(tǒng)與將來系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和應(yīng)用集成等問題。

IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)SGIRM 信息技術(shù)架構(gòu)遠(yuǎn)景

IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)中智能電網(wǎng)IT-IAP描繪了智能電網(wǎng)從IT應(yīng)用和與應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)流的遠(yuǎn)景，到完成操作和管理電力系統(tǒng)的主要目標(biāo)：允許獨(dú)立開發(fā)系統(tǒng)的互操作。IT-IAP(圖4)按照功能和IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)SGIRM中7個(gè)域的互操作來定義。

圖4 IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)中的IT-IAP

目標(biāo)不是定義新信息交換架構(gòu)，而是與當(dāng)前的最佳實(shí)踐和技術(shù)一起工作，彌補(bǔ)在7個(gè)域之間信息交換的不足。為了在智能電網(wǎng)中確保一致性結(jié)構(gòu)框架，要盡可能使用與NIST和SGIP相同的術(shù)語。

在IT-IAP中表示的一些實(shí)體是協(xié)議或數(shù)據(jù)庫的集合，其他實(shí)體可以分布在多個(gè)域中，但應(yīng)該放在最恰當(dāng)?shù)牡胤?。連接實(shí)體所標(biāo)出的線代表了數(shù)據(jù)流。在本文中，數(shù)據(jù)流在應(yīng)用級定義，從數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者到數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。

結(jié)論

美國智能電網(wǎng)的互操作參考模型可以為中國的智能電網(wǎng)提供某些借鑒，取人之長，為我所用，避免在實(shí)施智能電網(wǎng)的過程中走彎路，提前考慮在發(fā)電、輸電、配電、用電中的互連問題，協(xié)調(diào)好市場、運(yùn)營、服務(wù)的責(zé)任劃分，建設(shè)好有中國特色的智能電網(wǎng)。