外企帶你詳細了解智能電網(wǎng)用戶接口標準化

全國范圍內(nèi)的電網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展被人們認為是20世紀的最高工程成就。盡管它取得了成功和巨大的影響，但是美國及其他國家的電網(wǎng)都在經(jīng)受著來自日益增長的需求和正在老化的基礎設施的雙重壓力。在一些經(jīng)濟上仍處于發(fā)展中的國家，現(xiàn)有的電網(wǎng)無法滿足大量人口的需求。這些壓力引發(fā)了人們對于如何設計和操作電網(wǎng)，及電網(wǎng)與終端用戶交互方式的新想法。重新設計電網(wǎng)的愿景仍然不斷涌現(xiàn)，但是這種現(xiàn)代化已經(jīng)被稱為“智能電網(wǎng)”。在美國，一個發(fā)展智能電網(wǎng)的國家政策已經(jīng)在2007年通過公共法律建立了起來。

現(xiàn)在的電網(wǎng)可以描述成為一個電能單向流動的自上而下系統(tǒng)，電能從中央發(fā)電廠發(fā)出，經(jīng)地區(qū)輸電系統(tǒng)傳送至本地的配電系統(tǒng)和終端負荷。市場運營中心和發(fā)輸電系統(tǒng)會根據(jù)有限的態(tài)勢感知及消費者交互信息來采取控制措施，以平衡供給與需求。由于自動化水平有限，在大多數(shù)情況下，除非消費者主動報送信息，否則設備無法自己檢測出服務中斷。在未來智能電網(wǎng)的背后，部分想法是改進用于管理電能發(fā)送和分配的監(jiān)控技術，但最主要的想法是通過信息技術的基礎設施與電網(wǎng)結(jié)合來轉(zhuǎn)變電網(wǎng)的基礎架構(gòu)，這將使電力流與信息流的雙向流動成為現(xiàn)實。

電網(wǎng)現(xiàn)代化的驅(qū)動力之一是希望大幅增加可再生發(fā)電資源的利用，主要是風電及光伏發(fā)電。這些資源的波動性很大，而利用大規(guī)模的儲能來平緩這種波動性目前還未被證實是經(jīng)濟可行的。隨著這些波動性能源的利用不斷增加，匹配瞬時的發(fā)電與需求變得困難了起來。結(jié)合了自動控制技術的電網(wǎng)與消費者間的雙向通信能夠快速地調(diào)節(jié)家庭和樓宇系統(tǒng)中的負荷或發(fā)電資源，能夠使家庭和樓宇在管控電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性方面成為伙伴。利用預測和轉(zhuǎn)移負荷所增加的能力有助于更好地利用電網(wǎng)資源，因為平滑負荷意味著只需較少的資源就能管理電力峰值。

圖1 智能電網(wǎng)將雙向通信的基礎設施和本地發(fā)電與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)結(jié)合起來

智能電網(wǎng)與設備間接口的主要概念

在智能電網(wǎng)的環(huán)境中，正在形成的國際共識認為各種交互最有可能位于能源供應者與消費者之間。這些交互過程以用例的形式被記錄。能源供應者與消費者之間實現(xiàn)交互動作的接口的目的與特征也正在不斷取得共識。這些特征包括集成能力，即能夠輕易地集成各種各樣的、基于設施管理標準的環(huán)境。

已經(jīng)有國際標準支撐著的成熟產(chǎn)業(yè)，這些國際標準用于工業(yè)過程和商業(yè)樓宇的自動化和控制系統(tǒng)。在住宅應用的自動化和控制系統(tǒng)方面，正在不斷涌現(xiàn)新的產(chǎn)業(yè)和一些新興的標準。在這些環(huán)境中，技術、需求和成本約束是不同的。用于消費者設施領域（居民、商業(yè)、工業(yè)）的技術和標準不同于支撐電網(wǎng)運行的控制技術和標準。

為了使消費者設備領域的控制和自動化系統(tǒng)與智能電網(wǎng)系統(tǒng)以協(xié)作的方式交互，在這兩個領域之間需要接口的存在。圖2對此做出了圖例說明。這種接口必須具備以下特征：

它定義了經(jīng)接口傳送的信息，并允許應用靈活地使用這些信息；

它能使兩側(cè)的系統(tǒng)各自獨立地升級；

它的特性應豐富至足以滿足可能在商業(yè)和工業(yè)設備上發(fā)現(xiàn)的復雜控制系統(tǒng)的需求，簡單至對于居民消費者所使用的簡單系統(tǒng)也是經(jīng)濟可行的；

它應該被標準化，以使可互操作的商業(yè)產(chǎn)品的廣泛應用成為現(xiàn)實。

圖2 電網(wǎng)域與用戶域之間用戶接口（藍線）的高層級視圖

美國的新興標準

在美國，一個公共/私營伙伴關系，智能電網(wǎng)互操作委員會（Smart Grid Interoperability Panel ，SGIP）已經(jīng)成立，用以加快開發(fā)和實現(xiàn)互操作的智能電網(wǎng)設備和系統(tǒng)。SGIP的部分努力旨在通過和眾多的標準發(fā)展組織合作以促進所需標準的開發(fā)，并從SGIP的標準目錄上識別出重要的智能電網(wǎng)標準。SGIP也支持產(chǎn)品檢測、認證過程和行業(yè)利益相關者教育的開發(fā)工作。一些已經(jīng)被標準名錄認定的現(xiàn)有標準或正在SGIP的影響下編制的標準與電網(wǎng)及消費者之間的接口相關。這些標準包括OASIS能源互操作協(xié)議，OpenADR 2.0 ， IEEE 2030.5智能能源協(xié)議2.0［12］和能源服務供應者接口（Energy Services Provider Interface ，ESPI）。下一節(jié)會討論這些標準。

OASIS能源互操作協(xié)議

能源互操作協(xié)議1.0（Energy Interoperation ，EI）發(fā)布于2011年12月，結(jié)構(gòu)化信息標準促進組織（Organization for the Advancement of Structured Information Standards ，OASIS）的一個技術委員會負責對該協(xié)議進行維護。EI指定了一種信息模型和報文來實現(xiàn)需求響應事件、實時電價、市場參與投標和報價、負荷和發(fā)電預測的標準通信。該項標準包括：規(guī)范文檔的范圍、架構(gòu)、含有統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language ，UML）圖表的服務描述以及可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）架構(gòu)形式的服務描述（網(wǎng)絡服務報文必須與此架構(gòu)一致）。該規(guī)范和架構(gòu)可從OASIS免費獲取。

EI服務于電網(wǎng)域和消費者域之間的需求響應和其他的市場通信。EI的架構(gòu)很簡單，減少至兩方之間的服務交互。一方可以是設備能源管理系統(tǒng)或裝置、需求響應供應者、市場運營商、配電系統(tǒng)運營商、微網(wǎng)及任何其他的需求響應事件或能源市場交易的參與者。

EI標準指定了三種配置文件，在已發(fā)布的標準描述中，可被看作為三種基本的用例。

（1）OpenADR-該配置文件定義了需求響應事件和價格通信所要求的服務。它是以OpenADR 1.0規(guī)范的現(xiàn)場經(jīng)驗所提煉出的功能和經(jīng)驗教訓為基礎建立起來的；

（2）價格分布-該配置文件定義了在純粹的價格分布環(huán)境中交互所需的最小服務集，不要求能源市場交易和基于事件的需求響應交互；

（3）TEMIX-該配置文件定義了實現(xiàn)更多的通用能源市場交互功能所需的服務，這些交互取決于協(xié)商性的基于價格的交易。

開放式自動需求響應

對電網(wǎng)而言，最為緊迫和普遍的壓力之一即對短期峰值需求的管理。各式各樣的示范工程已經(jīng)表明，消費者響應來自電網(wǎng)服務提供商請求從而減少電力消費的需求響應項目有助于降低高峰負荷。OpenADR 1.0為了實現(xiàn)DR信號和響應的自動化而發(fā)展起來。自動化提供了一種同時增加DR項目規(guī)模（參與響應的消費者數(shù)量）和確保響應更為可靠且可預測的方法。從OpenADR 1.0的部署所學到的經(jīng)驗促進了對其的改進，并發(fā)展出了OpenADR 2.0.

OpenADR 2.0是一種用于DR和價格信號的通信協(xié)議，并定義了安全性配置文件。OpenADR的設計初衷是為電網(wǎng)域和設施域之間的DR事件所涉及到的重要信息的通信提供服務（圖2）。OpenADR中涉及電力、能源相關的信息要素均符合IEC的通用信息模型（Common Information Model ，CIM）標準。目前，IEC PC 118正在考慮接納OpenADR為IEC標準。OpenADR 2.0是OASIS EI 1.0的一個子集，除了一項詳盡的執(zhí)行規(guī)范之外，還有擴展以支持零售DR需求。

OpenADR是應用層的數(shù)據(jù)模型，擁有簡單的面向服務的架構(gòu)/網(wǎng)絡服務協(xié)議，能夠使用任意的傳輸機制。測試和認證項目支持兩種傳輸機制：簡單的RESTful網(wǎng)絡服務和可擴展通信和表示協(xié)議服務，包含安全性測試。OpenADR聯(lián)盟正致力于其他傳輸綁定的研究。

OpenADR聯(lián)盟是一個專門研制詳細的OpenADR執(zhí)行規(guī)范的工業(yè)協(xié)會，同時也支持一致性、測試和認證等套件。該聯(lián)盟有超過120個成員，已認證通過了超過60個的符合OpenADR 2.0的產(chǎn)品。OpenADR聯(lián)盟已經(jīng)研發(fā)出了兩種滿足DR的不同產(chǎn)品和市場需求的協(xié)議。OpenADR 2.0a適用于簡單的DR應用，包括了全面的安全性解決方案。OpenADR 2.0b協(xié)議增加了能夠支持更為復雜的DR客戶端的內(nèi)容。

2030.5 智慧能源協(xié)議2.0

IEEE 2030.5 智能能源協(xié)議2.0（ Smart Energy Profile 2.0 ，SEP 2.0）使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，利用有線和無線連接，使家庭能源信息、控制和應用程序管理以及電力設施到家中裝置的通信成為可能。SEP 2.0是由ZigBee聯(lián)盟、HomePlug聯(lián)盟、Wi-Fi聯(lián)盟等協(xié)作開發(fā)的。SEP 2.0為家庭域控制網(wǎng)絡中執(zhí)行的而設計的，涵蓋范圍從表計（或其他連接至電力設施的實體，比如互聯(lián)網(wǎng)）到家庭中的裝置。

SEP 2.0提供了多種功能，包括能源使用信息、價格、需求響應信號和負荷控制信號的通信。SEP 2.0可以與多種裝置交互，包括智能電表、恒溫控制器、池泵、智能家電、太陽能逆變器、插電式電動汽車、前提下的顯示器、移動設備和與支付終端。

SEP 2.0的測試和認證是由SEP 2.0互操作聯(lián)盟（Consortium for SEP 2.0 Interoperability，CSEP）提供支持的。CSEP的根本使命是通過定義用于SEP 2.0一致性和認證的測試標準，來幫助具有互操作性的SEP 2.0產(chǎn)品的交付。在2015年1月，CSEP發(fā)布了首個用于SEP 2.0一致性和認證的官方SEP 2.0測試工具，使眾多的認證實驗室能夠開展SEP 2.0產(chǎn)品具有統(tǒng)一的認證程序。

為了支持互操作性，并廣泛地應用SEP 2.0，標準中的需求不依賴于任何特別的物理網(wǎng)絡技術。SEP 2.0構(gòu)建于IP堆棧和其他常見的基礎協(xié)議之上。

SEP 2.0是按IEC CIM設計而成的一個配置文件，直接映射于可能之處，在所需之處使用子集和擴展。SEP 2.0使用RESTful架構(gòu)。該標準包括一個UML模型，衍生出的架構(gòu)（XSD）和一個網(wǎng)絡應用描述語言（Web Application Description Language ，WADL）文檔。XSD和WADL屬于規(guī)范性文檔，都可以公開獲取和參考。

綠色按鈕

綠色按鈕是一個行業(yè)主導努力的名稱，它使電力客戶簡易、安全地獲取能源使用信息 ［17］。這個叫法源自于客戶從網(wǎng)絡上獲取數(shù)據(jù)時只需簡單地用鼠標點擊字面意思上的綠色按鈕。綠色按鈕計劃基于北美能源標準局開發(fā)的能源服務提供商接口（Energy Services Provider Interface ，ESPI）標準。

ESPI標準包含兩部分：一個用于能源使用信息的XML格式和一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議?？蛻艨梢灾苯荧@取并下載他們的詳細的能源使用情況，或通過使用“連接我的數(shù)據(jù)”的功能，客戶能夠授權(quán)電力企業(yè)使得是由客戶選擇的第三方服務供應商獲取相關數(shù)據(jù)。

一個叫做綠色按鈕聯(lián)盟的產(chǎn)業(yè)集團已經(jīng)建立了起來，用以技術支持并為綠色按鈕的實實施提供測試和認證。自2015年3月起，大約有6000萬的美國電力客戶和250萬的加拿大客戶通過使用綠色按鈕獲取到了他們的能源使用信息。這一數(shù)字仍在快速增長，其他的國家也正在考慮采用這一計劃。

設施智能電網(wǎng)信息模型

美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會（American Society of Heating， Refrigerating， and Air-Conditioning Engineers ，ASHRAE）與全國電氣制造商協(xié)會（National Electrical Manufacturers Association ，NEMA）已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)設施智能電網(wǎng)信息模型標準（Facility Smart Grid Information Model Standard ，F(xiàn)SGIM） ［7］。該標準草案定義了一種公共信息模型，能夠使家用電器、空間空調(diào)系統(tǒng)和家庭控制系統(tǒng)、非住宅樓宇和工業(yè)設施來管理電力負荷和發(fā)電資源，以響應智能電網(wǎng)的通信。該信息模型具備的功能包括：

現(xiàn)場發(fā)電管理

需求響應

電力儲能管理

峰值需求管理

前向功率使用估值

負荷削減能力估值

終端負荷監(jiān)測（輔助計量）

電能質(zhì)量服務監(jiān)測

歷史能源消費數(shù)據(jù)利用率

直接負荷控制

標準草案中的一個重要概念即“設施”，此處“設施”的定義很寬泛，從一個獨立的家庭住宅到一個商業(yè)樓宇或用作公共設施的樓宇或工業(yè)、制造業(yè)的設施。借由開發(fā)一個適用于以上所有類型設施的公共信息模型，電力供應商能夠以同一種方式與所有的客戶進行信息交互，從而從中獲益。該公共信息模型也能夠使消費者獲益，因為不同種類的設施之間的分界線并不總是清晰的。使用通用信息模型能夠使產(chǎn)品在設計之初就能更容易的從一種類型的設備應用至其他類型的設備。同時也能夠為制造商創(chuàng)造一種機遇，使他們更有意地設計出能不僅僅適用于一種設備領域的產(chǎn)品或軟件應用。

所設計的FSGIM與OASIS EI、OpenADR 2.0、SEP 2.0和綠色按鈕是兼容的。它的角色主要是提供一種用于不同種類設施的控制技術標準的標準方式以增加功能性，這將會利用到經(jīng)由接口交換的信息，此處的接口基于本文所討論到的標準。實際上，它增加了客戶控制系統(tǒng)的所需功能，是客戶設備管理及控制的一部分。

國際反應

本文所討論的所有標準都有一個國際組件。OpenADR 2.0和綠色按鈕在美國之外已經(jīng)有了實施。IEC PC 118智能電網(wǎng)用戶接口也正在考慮接納OASIS EI和OpenADR 2.0為國際標準草案。IEC PC 118同時也正在考慮將SEP 2.0改進并發(fā)展為國際標準，但該項決議仍未最終通過。ISO TC/205樓宇環(huán)境設計正在將FSGIM發(fā)展為一項國際標準草案。

圖3展示了圖2 所描述接口概念的一種更為細致入微的視圖，把本文所提到的標準都考慮了進來。圖3表明就接口自身而言，擁有共通的邏輯概念，但在現(xiàn)實世界，這將最終是一系列標準來完成這個角色。

圖3 電網(wǎng)域與用戶域之間的用戶接口（藍線）的詳細視圖

要實現(xiàn)智能電網(wǎng)的愿景，就需要將電網(wǎng)域與用戶域連接起來。這需要以一種方式來完成，即需要承認在這兩個領域已經(jīng)產(chǎn)生的重大的歷史和基礎設施投資。接口是必需的，因為它提供了兩個域之間交互重要信息的方法，但仍可以使各域涉及到的技術和實踐保持獨立，不會打斷連接?；镜睦砟詈芎唵?，但是產(chǎn)業(yè)實踐和新興標準的當下狀態(tài)預示著，最終的結(jié)果可能是一些相關標準的集合，而非一個單一的適合所有情況的標準。IEC和ISO正在進行的活動涉及眾多公司、行業(yè)貿(mào)易組織和標準發(fā)展組織，這些活動為我們?nèi)〉脟H共識帶來了希望，這種共識能夠為新技術在市場上的推廣繁榮帶來所需的穩(wěn)定性。