客戶能源管理終端的相關技術標準解讀

馮子煜，陳飛杰，程 崗，王 曼

（1.上海久隆電力（集團）有限公司，上海 200070；2.國網上海市電力公司市區供電公司，上海 200080；3.上海新電后勤服務有限公司，上海 200025；4.上海申瑞繼保電氣有限公司，上海 200233）

0 引言

在當前電力供需不平衡、能源緊張、環保等問題下，智能電網用電側技術以其潛力巨大而得到研究者的關注。電網運行時除了線路輸送損耗外，80%～90%的電耗是由客戶側使用的，如果能對客戶側的用電方式、用電規律等采用智能化方式進行管控，則可以從源頭上提高節能效果。在用電客戶側，各種新技術正在開發與應用，其中需求側管理（Demand Side Management，DSM）、能效電廠（Efficiency Power Plant，EPP）等技術發展迅速，成為近年來行業深受關注和研發的技術。

客戶能源管理終端（Energy Management Controller，EMC）是支撐智能電網客戶側技術的基礎設備，而用電側技術標準的制定，引領了技術的發展，關鍵是要提高多角度研發的協同性以及避免產品的不通用性。本文通過對國際電工委員會標準（IEC）與EMC設備的相關標準解讀，給EMC在國內的設備研發和應用，提供一些借鑒。

1 客戶能源管理終端

EMC設備是智能電網客戶側技術的基礎。目前正在研究的DSM、EPP，都離不開EMC的研發。

DSM在20世紀70年代世界能源危機時得到電力公司的青睞，當初的目標是終端節電、降低能耗、提高能源使用效率。隨著電力工業及智能電網的發展，DSM逐漸被賦予了新的含義，發展到今天，DSM是指通過采取有效措施，引導客戶優化用電方式、提高終端用電效率、實現最小成本電力服務所進行的用電管理活動的總稱。DSM的基本目標是通過挖潛增效、設備改造，減少總能源的使用；通過改變用電方式，進行移峰填谷。

而EPP是一種虛擬電廠，屬于DSM的一項具體內容，即采用投資項目的形式，形成某個地區、行業或企業電力需求節約的一攬子行動方案，對用電設備進行節電改造，鼓勵客戶采用節能新設備、新技術，達到降低用電負荷、提高能源的使用效率，起到移峰填谷的作用，從而達到與新建電廠和擴建電力系統異曲同工的效果，并使節電項目實現產業化。

無論是DSM，還是EPP，最終都要落實到電網與終端用電系統之間的互動層面。在傳統電網中，客戶的信息被單向傳送到電力公司，使電力公司可以根據負荷的變化進行調度，修正運行方式，但電力公司的信息并沒有同時傳送給客戶端，客戶無法根據電網的供應能力改變自己的用電習慣。智能電網的實現，在很大程度上要依托雙向互動機制。因此，在被譽為智能電網“高速公路”最后1 km的客戶端領域，如何讓廣大客戶真正感知智能電網的成效和收益，已日益成為智能電網建設取得應用成效的關鍵之一。

EMC是特指部署在終端用電系統中的客戶能源管理控制系統。該系統是連接電網控制中心與終端用電系統或用電設備之間的樞紐與橋梁，主要用于實現電網與客戶之間的互動聯系，是實現各種客戶側技術手段的重要基礎設施。

EMC的功能主要體現在三個方面：首先，EMC采用先進科技手段對用電系統的設備進行能耗采集和能耗展示，通過分類賬單等方式，讓管理者了解電能主要消耗在哪里，什么時間消耗了多少，對用能狀況有個全面了解。其次，EMC可以對客戶能效狀況進行評估，指出電能浪費的漏洞在哪里，改善的機會有哪些，進而指導客戶通過管理手段達到節能目標。最后，EMC可以實現與電網控制中心以及與用電設備之間的互動通信，通過標準化的通信接口規約實現自動需求響應，從而達到消峰填谷的目標。

2 客戶能源管理終端的相關標準

EMC在智能電網中具有基礎支撐作用，面臨整合客戶設備信息的要求，在用電系統中安裝互動設備，所面臨的最大挑戰是為數眾多的各種用電設備之間的接口和互操作性。為實現這些用電設備之間的互操作性，最好的辦法是提前出臺規范標準。

盡管ISO、IEC、JTC1等國際標準化組織針對家庭電子系統（Home Electronic System，HES），已經制定了一系列與通信相關的技術標準，如Lon Works，KNX，Echonet，UPnP，IGRS等；但由于設備和供應商千差萬別，不可能有任何上述一種通信標準在HES中占據主導地位。因此，上述通信規約最好能在盡量少動或者不改動的情況下進行協調工作。在這個前提下，國際標準化組織進行了大量工作，針對HES設備互操作、建筑物網關以及能源管理，制定了一系列標準。作者對上述標準進行了翻譯和研究，其中與客戶能源管理相關度較大的有三個標準：HES設備互操作性導則（ISO／IEC 18012）、HES家庭網關模型（ISO／IEC 15045）、HES能量管理模型（ISO／IEC 15067-3）。

2.1 HES設備互操作性導則

2.1.1 ISO／IEC 18012標準

ISO／IEC 18012標準是針對建筑或家庭用電設備與外部網絡之間通信集成的相關標準，它是美國國家標準與技術研究院（NIST）設備互操作計劃的組成部分。

為了讓眾多家庭電子產品能統一到一個平臺上，這就要求所有的電子產品都遵循一種互操作性機制。這種機制可保證來自不同供應商的產品能協同工作，最好的方法就是這些設備在不修改其底層網絡規范和規約的前提下可以無縫協同工作，為終端客戶提供各種集成應用。

《ISO／IEC 18012-1設備互操作性導則》第Ⅰ部分（分類和詞匯）針對設備互操作性的基本方法和一些系統問題（安全性、管理性、操作性等）給出了描述；第Ⅱ部分針對設備互操作性，在應用層面給出了一種描述機制。通過這種機制，為異構的底層系統，提供了一種通用的應用描述方法。同時，為了便于互操作性透明實施，這種機制也針對一些關鍵執行元素（如數據原語等）給出了明確的語義映射。

2.1.2 主要內容

通過對家用電子設備的通信標準及其應用、交互和實現模型進行深入研究，發現了不同方法與實現的共性，在于更高層面上所執行的應用功能，而差異在于這些功能如何表達和實現的細節。簡言之，各種自動化系統應用功能在語義層面存在大量共性，但在句法層面卻各不相同。

英國：在中小學教材中增添個人理財內容，并列入考試范圍。1998年7月，蘇格蘭課程咨詢委員會在蘇格蘭皇家銀行的贊助下，設置了5～18歲學生的理財教育目標；到了2005年年底，英國教育當局在教材編寫過程中，出臺了一項引人注目的舉措——在中小學教材中增添兩個教學單元的個人理財內容，著重教學生如何管理自己的錢財，如何存錢和花錢。并在2006年9月開始全國實施課程教授。2010年9月起，英國政府教育主管部門已經決定，“基礎財務技能”將成為英國初中畢業考試中數學考試的一個組成部分。盡管英國家庭普遍富裕，但英國每年都會有50萬的報童。這與父母鼓勵孩子“打工賺零花錢”是分不開的。

針對任何家庭網絡系統，都可創建一個與之對應的描述系統：通用的互操作性框架（Common Interoperability Framework，CIF）。CIF包含3個層面，如圖1所示。規約層：定義了要交換的消息；詞法層：定義了消息的結構；語義層：定義了消息中包含的意義。

圖1 通用的互操作性框架

如圖1所示，針對某種特定的客戶網絡系統，CIF框架首先創建與之對應的通用的交互功能（Generic Inter Working Function，GIWF）；在GIWF基礎上應用抽象中間語言（HES Abstract Intermediate Language，AIL），針對每種消息單元產生對應的公共表達。這種公共表達經由實時“事件總線”傳遞給另一個GIWF，由GIWF在對應的客戶網絡中將這種近似于自然語言的描述轉換為對應的具體網絡信息。

當新的客戶端網絡引入時，只需創建對應的GIWF即可。GWIF可以采取一個可訪問的公共注冊元數據庫中的已經存在的轉換表格式。這種方法避免了依賴于特定原始制造商而帶來的不能進行規約語義轉換的缺陷。這種方法具有模塊化特點，可無限擴展而不受引入未來新型客戶端網絡的局限。

2.2 HES家庭網關模型

2.2.1 ISO／IEC 15045標準

ISO／IEC 15045家庭網關模型則在前述標準的基礎上，以網關模型的方式，對設備互操作給出了具體實現方法。

《ISO／IEC 15045-1 HES設備互操作性導則》第Ⅰ部分（HES家庭網關模型）描述了家庭網關的基本架構及其功能需求；第Ⅱ部分（模塊化和協議）描述了3種針對不同網關實現的模塊化結構。即簡單網關：實現一對一網絡互聯，不具備擴展性；多網絡網關：實現兩個以上的網絡互聯；分布式網關：實現多個網關單元互聯。

2.2.2 主要內容

圖2 模塊化網關架構

從理論上講，任意多的網關鏈接模塊都可以插入到網關鏈接母線上，從而構成一個可擴展的系統。圖2架構圖中，包含了廣域網（Wide Area Networks，WAN）、家域網（Home Area Networks，HAN）和接口模塊（Interface Module）。在整個架構中，廣域網模塊和家域網模塊的地位是完全等同的。

各模塊要求具備足夠的處理運輸能力，除了實現與該網絡對應的GWIF外，還需要支持模塊所能提供的服務需求。網關鏈接總線作為一個整體以類似以太網的形式實現網關的所有服務。各模塊在硬件結構上無需局限于同一設備內，集中式網關架構和分布式網關架構如圖3所示。

圖3 集中式網關和分布式網關

除了對應于各具體局域網的網絡接口模塊外，還有一種鏈接于網關鏈接總線上的擴展模塊，稱之為“服務模塊”（Service Module）。服務模塊不對應到具體的局域網，可以透過網關鏈接總線訪問到其他網絡接口模塊。服務模塊提供各種應用服務，并可具有任意層次的復雜性，如圖4所示。

圖4 服務模塊

2.3 HES能量管理模型

2.3.1 ISO／IEC 15067標準

EMC的一個應用領域是能源管理，涉及到微網環境下的分布能源、用電管理、需求響應等，終端設備是能源管理的采集和控制基礎。而《ISO／IEC 15067-3 HES能量管理模型》就是針對這一應用，對如何管理與用電相關的設備和應用而制定的標準。標準分為4個部分：應用服務和協議；HES照明模型；HES能源管理模型；HES安全系統模型。這些應用模型，對處于不同制造商產品之間的互操作性，起到了重要的推動作用。在類似應用HES標準這樣的場合，產品互操作是必不可少的。

2.3.2 主要內容

在《ISO／IEC 15067-3 HES能量管理模型》標準中，HES能量管理系統模型定義了能源管理系統標準，給出了所必須的通信服務。該標準定義了基于HES的高層能源管理系統模型，為家庭或建筑能源管理系統架構和功能集合，提供了標準。在這個標準中，提出一種能源管理代理模式，對外與公用事業公司或者其他服務提供商通信，實現需求響應、遠程抄表、實時電價等功能；對內與智能用電設備通信，管理電力負荷。

一些可能與能源管理代理模式相關的功能和設備，例如：智能家居或者智能用電設備；智能溫度調節器和其他傳感器；太陽能光伏發電設備及逆變設備；微型燃氣輪機或者其他發電設備；智能蓄電池或充放電設備（包括混合動力或者電動汽車）；電力補償設備（諧波治理、無功補償、三相平衡設備）；智能電表和電能質量表；需求響應協議；實時電價協議及參與負荷控制的用電設備響應。

3 結語

上述標準互相支持，為智能電網客戶端管理的發展、客戶能源管理終端的研發，給出可遵循的標準。在標準群里，針對智能電網還有很多其它的標準已制定，或即將制定。這些標準集合在一起，規定了用電和分布式能源子系統之間的協調交互，成為智能電網標準中的重要組成部分。

他山之石，可以攻玉。客戶能源管理終端的研究，將重新構建新型電網關系，使客戶側電源系統與電網之間形成新的反饋機制。通過對國際標準的相關標準介紹和解讀，希望能起到拋磚引玉的作用，給國內研究客戶能源管理終端的同行們提供進一步研究的基礎。