智能電網(wǎng)中的三個(gè)互操作架構遠景

IEEE P2030標準-帶有電力系統和終端用戶(hù)應用和負載的智能電網(wǎng)能源技術(shù)和信息技術(shù)互操作運營(yíng)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)標準是圍繞著(zhù)三個(gè)遠景(Perspective)而展開(kāi)的，本文就對這三個(gè)遠景做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，希望能對讀者起到拋磚引玉的作用。

概述

據上海.羿歌所了解，這個(gè)標準從互操作架構的視點(diǎn)討論了電力系統, 通信系統和信息系統的遠景。提出遠景架構的目的是增強智能電網(wǎng)各系統之間的互操作。三個(gè)系統完成同一個(gè)公共目標，每個(gè)系統又有各自的特點(diǎn)。

三個(gè)互操作架構遠景(IAP)主要考慮電力系統、通信系統和信息系統接口的邏輯和功能，實(shí)現智能電網(wǎng)的互操作。三種遠景的摘要如下：

·電力系統互操作架構遠景(PS-IAP)。電力系統遠景強調的是發(fā)電、輸電和用電，包括電器、應用和運行的理念。這個(gè)遠景定義了七個(gè)域：發(fā)電、輸電、配電、服務(wù)供應商、市場(chǎng)、控制/運行和消費者。此概念在三個(gè)遠景中是相同的。

·通信技術(shù)互操作架構遠景(CT-IAP)。通信技術(shù)遠景強調的是在智能電網(wǎng)中，系統、設備和應用之間的通信連通性。這個(gè)遠景包括通信網(wǎng)絡(luò )、介質(zhì)、性能和協(xié)議。

·信息技術(shù)互操作架構遠景(IT-IAP)。信息技術(shù)遠景強調的是過(guò)程控制和數據管理。遠景包括信息數據的存儲、處理、管理和控制。

每個(gè)遠景由域、實(shí)體和接口或數據流組成-所有內容都由智能電網(wǎng)互操作參考模型(SGIRM)定義。參考模型按照功能進(jìn)行闡述，可以擴展，但不打算規定或限制。當智能電網(wǎng)技術(shù)和架構發(fā)展時(shí)，要求互操作是能夠維護的。參考模型的靈活性保證了智能電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的先進(jìn)性。

電力系統的互操作

電力系統的互操作體現為保證電力供給的復雜系統，目的是為消費者提供高可靠、高可用和高質(zhì)量的電力，并使電力成為一種經(jīng)濟的能源。為了達到這個(gè)目標，電力系統的運行要確保每刻產(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，電力系統會(huì )在瞬間發(fā)生問(wèn)題。這些問(wèn)題包括裝置的損壞和消費者的停電。同時(shí)，產(chǎn)生的無(wú)功功率(kvar或Mvar)和消耗的無(wú)功功率，也要在每處電站取得平衡。將來(lái)的智能電網(wǎng)會(huì )對現存的電力系統進(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(guò)系統調節，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(huì )有很大的波動(dòng)，在最差的情況下，可以從滿(mǎn)輸出到無(wú)輸出，反之亦然，就就是幾秒鐘的事情。

消費者的電負載也有各自的特性，可能在不同等級快速變化。輸電系統是一個(gè)從發(fā)電到負載的網(wǎng)絡(luò )，具有冗余輸送大電力的能力。輸電系統中的電流通常是雙向的。因為輸電系統在電能傳輸的重要性，輸電系統通常設計為具有最小損耗和高度的自動(dòng)化，保持系統的每個(gè)部分都不失效。

配電系統以高效、可靠和經(jīng)濟的方式為消費者提供電能。老式的配電系統，從變電站到消費者的電流通常是單向的。很多配電系統具有或將有雙向電流，因為在本地配電系統設計拓撲或消費者自備電站的發(fā)電超過(guò)負載的情況，所以需要具備這樣的能力。當部分配電系統發(fā)生問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)人工干預重啟系統。

電力系統本身具有通過(guò)電流提供每處電力系統狀態(tài)信息的能力，因為它就來(lái)自那些裝置。因此，遵照指南和策略可以簡(jiǎn)化控制系統，在設備之間使用最小的通信量，保證電力系統具有良好的設計和運行。比如，沒(méi)有外部通信時(shí)，一個(gè)“波動(dòng)”的發(fā)電機會(huì )帶來(lái)：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)的控制設備避免電源產(chǎn)生波動(dòng)。

傳統的方法可以保證電力系統能夠很好的運行，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。使電力系統具有足夠可控的發(fā)電量，滿(mǎn)足瞬時(shí)最遭的負載變化。

·裝置等級足夠大，可以應對最遭情況運行條件。

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

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

改變當前條件優(yōu)化裝置容量。條件可以包括室溫、電流和維護等。

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

IEEE P2030標準中SGIRM電力系統互操作架構遠景

IEEE P2030標準中SGIRM 的PS-IAP主要表現為一種傳統的電力系統景象，CT-IAP提供一種從一地到另一地得到數據的方法，IT-IAP提供一種使用數據獲得有用信息的方法。

PS-IAP(圖1)是主要實(shí)體的邏輯表示，描述了電力系統的功能。圖1顯示了來(lái)自電力系統遠景的域、實(shí)體和接口。PS- IAP的域(在所有遠景中相同)表現了一種接近于現存電力設施的劃分方法。PS-IAP的實(shí)體(在所有遠景中具有獨特性)反應了電力系統的裝置或功能。在電力系統遠景實(shí)體間的接口可以通過(guò)多個(gè)數據連接的多種數據流表示。比如，在配電站和運行中心的通信，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(huà)出了數據通道。因為存在很多可選的電流，為了保持圖的簡(jiǎn)單，電流被省略了。

圖1 IEEE P2030標準中的PS-IAP

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

通信系統的互操作

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

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需要在IEEE P2030標準中SGIRM部分定義和規范。

IEEE P2030標準SGIRM 通信技術(shù)互操作架構遠景

IEEE P2030標準中SGIRM 的CT-IAP通過(guò)圖3表現出來(lái)，可以包括出現的新技術(shù)，也可以使用由開(kāi)發(fā)者定義的目標架構。它是智能電網(wǎng)中通信系統、變電站和關(guān)鍵組件等所有相關(guān)系統的圖形表示，是一種通用、靈活和動(dòng)態(tài)的體系架構，會(huì )隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展。

圖3 IEEE P2030標準中的CT-IAP

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

·發(fā)電;

·輸電;

·配電;

·消費者;

·服務(wù)供應商;

·控制和運行;

·市場(chǎng)。

在每個(gè)域中或在域之間(內部域)，實(shí)體通過(guò)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(lái)使用)和多種互連變化。如果在不遠的將來(lái)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(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，或相關(guān)的通信系統元件。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(lèi)型和其他需求進(jìn)一步確定規范。

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

信息系統的互操作

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

分層的方法簡(jiǎn)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，可以設計一種傳輸層協(xié)議，完成對很多種數據鏈路類(lèi)型的操作。很多老協(xié)議和直接連接數據鏈路層的技術(shù)(比如，專(zhuān)用電話(huà)線(xiàn)路)仍在電網(wǎng)中運行。這些通信鏈接可能還要在智能電網(wǎng)中存在很多年。在開(kāi)發(fā)新的應用和使用新的協(xié)議時(shí)，要考慮與現存的協(xié)議的兼容問(wèn)題，確保今后通信網(wǎng)絡(luò )中的各層能夠平滑地過(guò)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(guò)配置和操作條件的進(jìn)步，智能電網(wǎng)會(huì )更加動(dòng)態(tài)，為優(yōu)化使用信息創(chuàng )造更多的機會(huì )。

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施中計算機系統監視、分析、優(yōu)化和控制運轉而一起推動(dòng)的。因此，系統受到了很多分布式自動(dòng)化技術(shù)的影響，針對來(lái)自IT遠景，今后還要解決諸如數據交換的互操作、計算機網(wǎng)絡(luò )安保、現存系統與將來(lái)系統數據通信和應用集成等問(wèn)題。

IEEE P2030標準SGIRM 信息技術(shù)架構遠景

IEEE P2030標準中智能電網(wǎng)IT-IAP描繪了智能電網(wǎng)從IT應用和與應用相關(guān)數據流的遠景，到完成操作和管理電力系統的主要目標：允許獨立開(kāi)發(fā)系統的互操作。IT-IAP(圖4)按照功能和IEEE P2030標準SGIRM中7個(gè)域的互操作來(lái)定義。

圖4 IEEE P2030標準中的IT-IAP

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

在IT-IAP中表示的一些實(shí)體是協(xié)議或數據庫的集合，其他實(shí)體可以分布在多個(gè)域中，但應該放在最恰當的地方。連接實(shí)體所標出的線(xiàn)代表了數據流。在本文中，數據流在應用級定義，從數據的生產(chǎn)者到數據的消費者。

結論

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(cháng)，為我所用，避免在實(shí)施智能電網(wǎng)的過(guò)程中走彎路，提前考慮在發(fā)電、輸電、配電、用電中的互連問(wèn)題，協(xié)調好市場(chǎng)、運營(yíng)、服務(wù)的責任劃分，建設好有中國特色的智能電網(wǎng)。