外企带你详细了解智能电网用户接口标准化

全国范围内的电网大规模发展被人们认为是20世纪的最高工程成就。尽管它取得了成功和巨大的影响，但是美国及其他国家的电网都在经受着来自日益增长的需求和正在老化的基础设施的双重压力。在一些经济上仍处于发展中的国家，现有的电网无法满足大量人口的需求。这些压力引发了人们对于如何设计和操作电网，及电网与终端用户交互方式的新想法。重新设计电网的愿景仍然不断涌现，但是这种现代化已经被称为“智能电网”。在美国，一个发展智能电网的国家政策已经在2007年通过公共法律建立了起来。

现在的电网可以描述成为一个电能单向流动的自上而下系统，电能从中央发电厂发出，经地区输电系统传送至本地的配电系统和终端负荷。市场运营中心和发输电系统会根据有限的态势感知及消费者交互信息来采取控制措施，以平衡供给与需求。由于自动化水平有限，在大多数情况下，除非消费者主动报送信息，否则设备无法自己检测出服务中断。在未来智能电网的背后，部分想法是改进用于管理电能发送和分配的监控技术，但最主要的想法是通过信息技术的基础设施与电网结合来转变电网的基础架构，这将使电力流与信息流的双向流动成为现实。

电网现代化的驱动力之一是希望大幅增加可再生发电资源的利用，主要是风电及光伏发电。这些资源的波动性很大，而利用大规模的储能来平缓这种波动性目前还未被证实是经济可行的。随着这些波动性能源的利用不断增加，匹配瞬时的发电与需求变得困难了起来。结合了自动控制技术的电网与消费者间的双向通信能够快速地调节家庭和楼宇系统中的负荷或发电资源，能够使家庭和楼宇在管控电网可靠性和稳定性方面成为伙伴。利用预测和转移负荷所增加的能力有助于更好地利用电网资源，因为平滑负荷意味着只需较少的资源就能管理电力峰值。

图1 智能电网将双向通信的基础设施和本地发电与传统的配电系统结合起来

智能电网与设备间接口的主要概念

在智能电网的环境中，正在形成的国际共识认为各种交互最有可能位于能源供应者与消费者之间。这些交互过程以用例的形式被记录。能源供应者与消费者之间实现交互动作的接口的目的与特征也正在不断取得共识。这些特征包括集成能力，即能够轻易地集成各种各样的、基于设施管理标准的环境。

已经有国际标准支撑着的成熟产业，这些国际标准用于工业过程和商业楼宇的自动化和控制系统。在住宅应用的自动化和控制系统方面，正在不断涌现新的产业和一些新兴的标准。在这些环境中，技术、需求和成本约束是不同的。用于消费者设施领域（居民、商业、工业）的技术和标准不同于支撑电网运行的控制技术和标准。

为了使消费者设备领域的控制和自动化系统与智能电网系统以协作的方式交互，在这两个领域之间需要接口的存在。图2对此做出了图例说明。这种接口必须具备以下特征：

它定义了经接口传送的信息，并允许应用灵活地使用这些信息；

它能使两侧的系统各自独立地升级；

它的特性应丰富至足以满足可能在商业和工业设备上发现的复杂控制系统的需求，简单至对于居民消费者所使用的简单系统也是经济可行的；

它应该被标准化，以使可互操作的商业产品的广泛应用成为现实。

图2 电网域与用户域之间用户接口（蓝线）的高层级视图

美国的新兴标准

在美国，一个公共/私营伙伴关系，智能电网互操作委员会（Smart Grid Interoperability Panel ，SGIP）已经成立，用以加快开发和实现互操作的智能电网设备和系统。SGIP的部分努力旨在通过和众多的标准发展组织合作以促进所需标准的开发，并从SGIP的标准目录上识别出重要的智能电网标准。SGIP也支持产品检测、认证过程和行业利益相关者教育的开发工作。一些已经被标准名录认定的现有标准或正在SGIP的影响下编制的标准与电网及消费者之间的接口相关。这些标准包括OASIS能源互操作协议，OpenADR 2.0 ， IEEE 2030.5智能能源协议2.0［12］和能源服务供应者接口（Energy Services Provider Interface ，ESPI）。下一节会讨论这些标准。

OASIS能源互操作协议

能源互操作协议1.0（Energy Interoperation ，EI）发布于2011年12月，结构化信息标准促进组织（Organization for the Advancement of Structured Information Standards ，OASIS）的一个技术委员会负责对该协议进行维护。EI指定了一种信息模型和报文来实现需求响应事件、实时电价、市场参与投标和报价、负荷和发电预测的标准通信。该项标准包括：规范文档的范围、架构、含有统一建模语言（Unified Modeling Language ，UML）图表的服务描述以及可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）架构形式的服务描述（网络服务报文必须与此架构一致）。该规范和架构可从OASIS免费获取。

EI服务于电网域和消费者域之间的需求响应和其他的市场通信。EI的架构很简单，减少至两方之间的服务交互。一方可以是设备能源管理系统或装置、需求响应供应者、市场运营商、配电系统运营商、微网及任何其他的需求响应事件或能源市场交易的参与者。

EI标准指定了三种配置文件，在已发布的标准描述中，可被看作为三种基本的用例。

（1）OpenADR-该配置文件定义了需求响应事件和价格通信所要求的服务。它是以OpenADR 1.0规范的现场经验所提炼出的功能和经验教训为基础建立起来的；

（2）价格分布-该配置文件定义了在纯粹的价格分布环境中交互所需的最小服务集，不要求能源市场交易和基于事件的需求响应交互；

（3）TEMIX-该配置文件定义了实现更多的通用能源市场交互功能所需的服务，这些交互取决于协商性的基于价格的交易。

开放式自动需求响应

对电网而言，最为紧迫和普遍的压力之一即对短期峰值需求的管理。各式各样的示范工程已经表明，消费者响应来自电网服务提供商请求从而减少电力消费的需求响应项目有助于降低高峰负荷。OpenADR 1.0为了实现DR信号和响应的自动化而发展起来。自动化提供了一种同时增加DR项目规模（参与响应的消费者数量）和确保响应更为可靠且可预测的方法。从OpenADR 1.0的部署所学到的经验促进了对其的改进，并发展出了OpenADR 2.0.

OpenADR 2.0是一种用于DR和价格信号的通信协议，并定义了安全性配置文件。OpenADR的设计初衷是为电网域和设施域之间的DR事件所涉及到的重要信息的通信提供服务（图2）。OpenADR中涉及电力、能源相关的信息要素均符合IEC的通用信息模型（Common Information Model ，CIM）标准。目前，IEC PC 118正在考虑接纳OpenADR为IEC标准。OpenADR 2.0是OASIS EI 1.0的一个子集，除了一项详尽的执行规范之外，还有扩展以支持零售DR需求。

OpenADR是应用层的数据模型，拥有简单的面向服务的架构/网络服务协议，能够使用任意的传输机制。测试和认证项目支持两种传输机制：简单的RESTful网络服务和可扩展通信和表示协议服务，包含安全性测试。OpenADR联盟正致力于其他传输绑定的研究。

OpenADR联盟是一个专门研制详细的OpenADR执行规范的工业协会，同时也支持一致性、测试和认证等套件。该联盟有超过120个成员，已认证通过了超过60个的符合OpenADR 2.0的产品。OpenADR联盟已经研发出了两种满足DR的不同产品和市场需求的协议。OpenADR 2.0a适用于简单的DR应用，包括了全面的安全性解决方案。OpenADR 2.0b协议增加了能够支持更为复杂的DR客户端的内容。

2030.5 智慧能源协议2.0

IEEE 2030.5 智能能源协议2.0（ Smart Energy Profile 2.0 ，SEP 2.0）使用互联网协议，利用有线和无线连接，使家庭能源信息、控制和应用程序管理以及电力设施到家中装置的通信成为可能。SEP 2.0是由ZigBee联盟、HomePlug联盟、Wi-Fi联盟等协作开发的。SEP 2.0为家庭域控制网络中执行的而设计的，涵盖范围从表计（或其他连接至电力设施的实体，比如互联网）到家庭中的装置。

SEP 2.0提供了多种功能，包括能源使用信息、价格、需求响应信号和负荷控制信号的通信。SEP 2.0可以与多种装置交互，包括智能电表、恒温控制器、池泵、智能家电、太阳能逆变器、插电式电动汽车、前提下的显示器、移动设备和与支付终端。

SEP 2.0的测试和认证是由SEP 2.0互操作联盟（Consortium for SEP 2.0 Interoperability，CSEP）提供支持的。CSEP的根本使命是通过定义用于SEP 2.0一致性和认证的测试标准，来帮助具有互操作性的SEP 2.0产品的交付。在2015年1月，CSEP发布了首个用于SEP 2.0一致性和认证的官方SEP 2.0测试工具，使众多的认证实验室能够开展SEP 2.0产品具有统一的认证程序。

为了支持互操作性，并广泛地应用SEP 2.0，标准中的需求不依赖于任何特别的物理网络技术。SEP 2.0构建于IP堆栈和其他常见的基础协议之上。

SEP 2.0是按IEC CIM设计而成的一个配置文件，直接映射于可能之处，在所需之处使用子集和扩展。SEP 2.0使用RESTful架构。该标准包括一个UML模型，衍生出的架构（XSD）和一个网络应用描述语言（Web Application Description Language ，WADL）文档。XSD和WADL属于规范性文档，都可以公开获取和参考。

绿色按钮

绿色按钮是一个行业主导努力的名称，它使电力客户简易、安全地获取能源使用信息 ［17］。这个叫法源自于客户从网络上获取数据时只需简单地用鼠标点击字面意思上的绿色按钮。绿色按钮计划基于北美能源标准局开发的能源服务提供商接口（Energy Services Provider Interface ，ESPI）标准。

ESPI标准包含两部分：一个用于能源使用信息的XML格式和一个数据交换协议。客户可以直接获取并下载他们的详细的能源使用情况，或通过使用“连接我的数据”的功能，客户能够授权电力企业使得是由客户选择的第三方服务供应商获取相关数据。

一个叫做绿色按钮联盟的产业集团已经建立了起来，用以技术支持并为绿色按钮的实实施提供测试和认证。自2015年3月起，大约有6000万的美国电力客户和250万的加拿大客户通过使用绿色按钮获取到了他们的能源使用信息。这一数字仍在快速增长，其他的国家也正在考虑采用这一计划。

设施智能电网信息模型

美国采暖、制冷与空调工程师学会（American Society of Heating， Refrigerating， and Air-Conditioning Engineers ，ASHRAE）与全国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association ，NEMA）已经联合开发设施智能电网信息模型标准（Facility Smart Grid Information Model Standard ，FSGIM） ［7］。该标准草案定义了一种公共信息模型，能够使家用电器、空间空调系统和家庭控制系统、非住宅楼宇和工业设施来管理电力负荷和发电资源，以响应智能电网的通信。该信息模型具备的功能包括：

现场发电管理

需求响应

电力储能管理

峰值需求管理

前向功率使用估值

负荷削减能力估值

终端负荷监测（辅助计量）

电能质量服务监测

历史能源消费数据利用率

直接负荷控制

标准草案中的一个重要概念即“设施”，此处“设施”的定义很宽泛，从一个独立的家庭住宅到一个商业楼宇或用作公共设施的楼宇或工业、制造业的设施。借由开发一个适用于以上所有类型设施的公共信息模型，电力供应商能够以同一种方式与所有的客户进行信息交互，从而从中获益。该公共信息模型也能够使消费者获益，因为不同种类的设施之间的分界线并不总是清晰的。使用通用信息模型能够使产品在设计之初就能更容易的从一种类型的设备应用至其他类型的设备。同时也能够为制造商创造一种机遇，使他们更有意地设计出能不仅仅适用于一种设备领域的产品或软件应用。

所设计的FSGIM与OASIS EI、OpenADR 2.0、SEP 2.0和绿色按钮是兼容的。它的角色主要是提供一种用于不同种类设施的控制技术标准的标准方式以增加功能性，这将会利用到经由接口交换的信息，此处的接口基于本文所讨论到的标准。实际上，它增加了客户控制系统的所需功能，是客户设备管理及控制的一部分。

国际反应

本文所讨论的所有标准都有一个国际组件。OpenADR 2.0和绿色按钮在美国之外已经有了实施。IEC PC 118智能电网用户接口也正在考虑接纳OASIS EI和OpenADR 2.0为国际标准草案。IEC PC 118同时也正在考虑将SEP 2.0改进并发展为国际标准，但该项决议仍未最终通过。ISO TC/205楼宇环境设计正在将FSGIM发展为一项国际标准草案。

图3展示了图2 所描述接口概念的一种更为细致入微的视图，把本文所提到的标准都考虑了进来。图3表明就接口自身而言，拥有共通的逻辑概念，但在现实世界，这将最终是一系列标准来完成这个角色。

图3 电网域与用户域之间的用户接口（蓝线）的详细视图

要实现智能电网的愿景，就需要将电网域与用户域连接起来。这需要以一种方式来完成，即需要承认在这两个领域已经产生的重大的历史和基础设施投资。接口是必需的，因为它提供了两个域之间交互重要信息的方法，但仍可以使各域涉及到的技术和实践保持独立，不会打断连接。基本的理念很简单，但是产业实践和新兴标准的当下状态预示着，最终的结果可能是一些相关标准的集合，而非一个单一的适合所有情况的标准。IEC和ISO正在进行的活动涉及众多公司、行业贸易组织和标准发展组织，这些活动为我们取得国际共识带来了希望，这种共识能够为新技术在市场上的推广繁荣带来所需的稳定性。