智能配用電信息交互的典型模式

劉禹，陳星鶯，楊永標，朱紅，余昆

(1.河海大學能源與電氣學院，南京市 211100；2.南瑞科技股份有限公司，南京市 210061； 3.國網南京供電公司，南京市 210019)

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智能配用電信息交互的典型模式

劉禹1，陳星鶯1，楊永標2，朱紅3，余昆1

(1.河海大學能源與電氣學院，南京市 211100；2.南瑞科技股份有限公司，南京市 210061； 3.國網南京供電公司，南京市 210019)

鑒于多樣化業務需求的不斷增多，建立與業務需求和系統特征相適應的信息交互模式是實現智能配用電的關鍵。在分析智能配用電業務需求和系統架構的基礎上，提出集成式和一體化這2種典型的智能配用電信息交互方式及相應的部署方式；針對智能配用電的物理通信需求，形成智能配用電通信方式組合方案；結合電力系統信息安全要求，提煉二次系統安全防護體系。通過剖析業務需求、系統架構、信息交互方式及部署方式、物理通信方案和安全防護體系等幾個方面情況，建立智能配用電信息交互典型模式。該模式已應用于智能配電網優化調度等實際工程之中。

智能配用電；信息交互模式；通信方式；信息安全防護體系

0 引 言

配用電環節位于電力系統末端，直接與電力消費者相連，在智能電網理論研究和實踐過程中，靈活、高效、互動的智能配用電成為分布式清潔能源消納、需求側資源利用、用電效益提升的重要技術手段，是智能電網建設的重要組成部分。智能配用電涉及運行、檢修、營銷等多重業務，包括監控、通信、互動等多種功能[1]，需要滿足靈活、高效、安全等多樣化約束，不同業務和應用來源于相對獨立、弱耦合的不同系統平臺，由于各系統通信傳輸規約和信息交互方式存在較大差異[2]，使得不同業務和功能之間難以實現聯動，增加了智能配用電整體實現的難度。因此，研究智能配用電信息交互模式具有十分重要的意義。

目前，學者已開始對配用電各系統之間的信息交互開展研究[3-9]。主要探討了通信系統向網絡化和標準化發展的趨勢，通過統一接口標準、統一基礎網絡協議規范、采用分組傳送技術、實現多業務融合傳輸等方式，達到簡化基礎設施復雜性、降低系統設計難度、提高業務終端信息交互兼容性等目的。但還未能從智能配用電應用系統架構出發，考慮分布式電源、電動汽車充換電設施等智能電網新元素，建立體系化的智能配用電信息交互模式。

本文針對上述情況，在梳理智能配用電業務需求基礎上，基于配用電信息系統部署的現狀，提出智能配用電的集成式信息交互方式，基于未來配用電信息流的發展趨勢，提出智能配用電的一體化信息交互方式，并從信息交互系統的部署方式、數據采集方式、存儲方式、接口方式等方面進行對比分析；分析智能配用電通信方式組合方案，為信息交互提供物理支撐；結合現有電力二次系統安全防護導則和智能配用電信息安全需求，提煉智能配用電二次系統安全防護體系。本文提出信息交互模式已應用于南京智能配電網優化調度示范工程等實際項目，實現了智能配電網中各類信息的優化集成、有效交互與高效利用。

1 智能配用電業務需求與系統架構分析

配用電系統的運營過程一般涉及運行、檢修和營銷3個方面。從傳統配用電系統發展到智能配用電系統，在業務層面需要增加對分布式電源/儲能裝置/微電網、電動汽車充換電設施等新元素的監控管理，以及用電能效分析、營銷輔助決策、定制電力、用電增值服務等業務，具體如圖1所示。這些新元素的加入和新需求的生成，使智能配用電在系統架構上的復雜性和異構性大大增加。

在運行方面，要求進行分層統一調度決策，通過建立地縣一體化的SCADA/EMS/DMS，共享數據、技術和設備資源，建立省地縣一體化DMIS/OMS與PMS/GIS集成應用，支撐日常調度管理和生產管理，同時實現與SG186企業信息數據平臺的信息交換和共享。在檢修方面，遵循IEC61968標準建立配用電搶修指揮平臺，通過與EMS/DMS、PMS、GIS、CIS、客服系統、用電信息采集終端、移動作業終端集成，實現快速故障定位、派工管理和停電狀態下的用戶服務。在營銷方面，建立智能用電技術支持平臺，以SG186營銷系統為依托，構建包括用電信息采集系統、電力營銷輔助分析決策與管理系統、客戶用電能效管理系統等多樣化的營銷高級應用系統。

相對于傳統配用電環節，智能配用電大幅擴展了業務對象和范圍，部門間孤立的計算機應用系統難以支撐配用電高度融合的業務發展需要[10]。智能配用電的業務需求與數據來源各異[11]，在各項業務間彼此交織且各有側重，具有多樣性、異構性、互動性和替代性的特征，使得智能配用電系統需采用功能兼容、數據集成、互動方便且高度安全的信息交互模式，這也是智能配用電整體實現的關鍵環節。

2 智能配用電的典型信息交互方式

以實現智能配用電中各個子業務間信息共享為目標，本文提出2種典型信息交互方式：以現狀配用電系統為基礎提出智能配用電的集成式信息交互方式；以消除配用電系統中各類信息數據的異構性為目標，提出智能配用電的一體化信息交互方式。

2.1 集成式信息交互方式

為充分利用現有資源、較快滿足新業務需求，可通過集成式信息交互實現智能配用電。該方式基于當前配用電信息系統的數據采集裝置部署，以配用電統一數據模型和交互模型為支撐，由各應用系統分別基于自身的采集裝置進行數據采集，然后在各系統間按統一標準建立接口，基于接口完成數據融合和信息共享。根據接口類型不同，分為數據中心式和信息總線式2種集成方式。

2.1.1 數據中心式集成方式

數據中心式集成方式基于統一的企業級數據倉庫實現信息集成。各業務系統基于原有的信息采集裝置分別采集本系統所需基礎數據并預處理，然后將數據統一聚集到大型數據庫中，建立統一的企業級數據倉庫[12]，各類系統和應用均可根據需要從數據倉庫中抽取數據。該方式的特點是建立統一的數據倉庫作為各類數據交互接口，形成大數據中心。

數據中心式集成系統由數據源層、數據登臺服務層、數據倉庫存儲層構成。數據源層包括SCADA/EMS/DMS、DMIS和GIS等應用系統、外部數據與歷史數據(如氣象數據、電力營銷數據、銀行代理數據等)；數據登臺服務層作為存儲區，裝載多類數據表，為輸出數據到倉庫做準備；數據倉庫是整個數據中心的頂層，建立過程是對整個數據環境的重構，通過將多個異構數據庫的數據集成到一起，對數據間的關聯模式進行整合，使數據由面向業務的“生數據”變為面向分析決策的“熟數據”。

2.1.2 信息總線式集成方式

與數據中心式集成方式不同，信息總線式集成方式在數據采集和存儲層面仍分布部署，通過構建信息交互總線、基于IEC61968等交互標準實現各類業務應用系統所需數據的互補和融合。采用面向服務的體系結構(SOA系統架構)，建立各類服務請求端和應答端，通過Web Service訪問?？梢?，信息總線式集成方式中的數據交互接口是基于IEC61968的信息交互總線，分布存儲信息是該方式區別于數據中心式集成方式的基本特征，增加了應用系統部署的靈活性。圖2是基于信息總線的智能配用電集成式信息交互方式總體架構。

2.2 一體化信息交互方式

智能配用電系統的一體化信息交互方式的思想是對傳統配用電設備或各種智能終端進行多種類型數據的統一采集、處理和管理。

在數據采集方面，一體化信息交互方式的數據源不是智能配用電各應用系統，而是與智能配用電相關功能的設備和終端；在數據處理方面，以配用電設備和智能終端為源頭，統一采集所有表征其運行的參數信息并進行統一管理，組成數據信息庫；在數據應用方面，從數據信息庫中篩選所需要的信息形成數據模塊，提取給各業務應用功能。比如，涉及電動汽車業務的應用，可提取車載電池剩余電量、電池剩余壽命、不同數量電池組的電動汽車的比例、充換電設施的運行狀況等信息；涉及搶修管理業務的應用，可提取報修電話的響應速度和效率、遠程工作站信息傳遞的準確性、急修班調度搶修工和物資的效率、故障搶修效率等數據。

一體化信息交互方式的關鍵在于采用標準化設計方法構建智能配用電統一支撐平臺，為智能配用電應用業務提供數據支撐。首先形成完整的智能配用電業務模型，然后遵從SG-EA企業架構(以國家電網公司為例)統一設計應用架構、數據架構和技術架構，建立如圖3所示的一體化信息交互模式總體框架。其中，支撐平臺由數據接入層、應用接入層和數據服務層構成：數據接入層統一接入智能配用電涉及的變電站終端、饋線終端、分布式電源監控終端、智能電表、智能用電交互終端等設備，實現相關數據的交互；應用接入層實現各類數據在應用系統中的流轉，從底層平臺上實現各類應用的接入；數據服務層則對獲取的數據進行統一存儲、查詢、災備等處理，為上層應用提供數據支撐。通過建立智能配用電統一支撐平臺，實現數據同質化，為多樣化業務高級應用提供便利。

圖3 一體化信息交互方式總體架構

2.3 智能配用電信息交互系統的部署

2.3.1 信息交互系統的部署方式

如表1所示，考慮到智能配用電涉及多類業務系統，在應用目標上各有側重，因此對于集成式信息交互方式宜采用“省級集中部署+多級分布式應用”的部署方式：在省級層面，通過集中建立大容量數據存儲區和應用服務器、接口服務器等共同構成核心主機平臺，并基于多種強隔離裝置進行外部網絡隔離，在此基礎上通過企業內網實現各地市的數據遠程/分布應用。

表1 智能配用電信息交互系統的部署方式

Table 1 Deployment patterns of information interactive system in smart distribution grid and utilization

一體化信息交互方式在部署過程中所需的硬件設備包括采集服務器集群、數據處理服務器集群、應用接入服務器集群以及各類應用系統服務器集群。由于一體化方式以配用電設備和智能終端為唯一數據源頭，所涉及的數據量特別巨大，當前現狀下宜采用地市公司部署方式，以減小數據量過于龐大而帶來的信息系統處理能力不足等風險，技術成熟的配用電系統也可逐步向省級部署方式過渡。

2.3.2 基于部署方式的信息交互方式對比分析

對于數據中心式集成方式，數據倉庫包含了大量歷史數據、數據質量較高，為決策分析提供了數據基礎。通過構建電力企業數據中心，以數據倉庫的方式來實現信息集成，整體結構簡單，系統間接口少，但數據倉庫模型隨應用變動、重復存儲、數據不一致。如果以信息總線方式進行信息集成，則結構靈活，改變局部系統不會對其他系統內部產生影響，但系統接口復雜，應用越多接口就越多。可見：集成式信息交互方式充分利用現有資源，獨立部署各子系統，業務功能耦合程度低，系統結構弱關聯；但由于智能配用電環境中的業務應用系統較多，各種系統底層平臺互異，存在重復建設。由于廠商對標準理解不一致等原因，還存在大量私有接口和數據復制方式，增加了綜合應用的難度。

如果采用一體化信息交互方式，可從底層平臺上消除配用電不同系統間的數據異構性，實現智能配用電數據采集、存儲、處理、管控一體化，使得系統的接口設計大大簡化，如果架構設計存在缺陷，將給后期應用平臺的運行帶來巨大隱患，因此該方式需基于完備的統一架構設計?？紤]到智能配用電涉及應用種類多、各應用的核心數據相同或相近，設計完善的一體化信息交互方式有利于智能配用電系統的整體實現，是未來智能配用電信息交互方式發展的趨勢。

3 智能配用電物理通信方式組合方案

物理通信系統是智能配用電信息交互的物理平臺和硬件支撐，適當的物理通信方式是實現數據信息安全、靈活交互的重要保障。由于智能配用電系統所需通信的數據信息類型和可能的通信渠道類型眾多，選取適當的物理通信方式組合方案是智能配用電信息交互模式的重要內容。鑒于光纖通信等技術的迅速普及，智能配用電信息交互過程宜采用以光纖通信為主，綜合應用配電線載波通信、無線微波中繼通信等混合通信方式的組合方案。

如圖4所示，在配電網建立光纖骨干通信網，在光纖通信網無法到達的區域，以配電線載波通信、無線微波中繼通信等作為補充，接入諸如FTU、TTU、DTU、分布式電源監控終端等數據源；在用電側，構建無線專網，接入智能用電信息采集終端、智能用電信息交互終端、搶修現場移動作業終端等數據源。在通信中心站，建立配用電通信綜合接入平臺，實現主干網、無線專網的綜合接入，并與EMS/DMS、GIS、PMS、CIS等系統相連，通過配用電通信綜合管理系統進行通信管理。

圖4 智能配用電的物理通信方式組合方案

智能配用電通信系統的核心設備是各類服務器：后臺應用服務器通過通信專網與采集服務器連接，將數據存儲到數據庫服務器中；應用服務器雙機實現負載均衡，數據庫服務器通過磁盤陣列和光纖交換機實現主備熱運行；web服務器提供發布功能，網絡中設置雙網保護、網絡防火墻、強隔離裝置等措施，提高對開放接入安全風險的預防能力。

4 智能配用電的信息安全防護體系

智能配用電環境中二次系統信息交互、共享程度很高，信息安全防護問題應放在更加迫切的位置上考慮[13]。在《電力二次系統安全防護規定》等傳統安全防護體系基礎上，應針對不同應用系統所涉及信息和數據的用途和類型，將分布式電源監控管理系統、電動汽車充換電設施監控管理系統、智能用電信息監測和信息交互管理系統等智能配用電新型應用配置于傳統的4個信息安全分區中，從而實現基于傳統電力信息安全分區完成對智能配用電環境中多樣化的應用系統的信息安全防護。表2展示了部分典型應用的信息安全防護分區。

表2 智能配用電部分典型應用的信息安全防護分區

Table 2 Information security protection zone of typical application in smart distribution grid and utilization

對安全防護措施而言，傳統的橫向安全隔離(例如設置安全隔離裝置或物理防火墻)、縱向安全防護(例如采用加密認證機制)則應在智能配用電系統中予以繼承和擴展，本文不再詳細論述。

5 結 語

對屬于不同業務范疇的應用系統中數據信息進行有序的交互融合，實現各種業務應用彼此兼容、相互支撐、聯動運行是智能配用電系統設計的核心環節。本文建立的智能配用電的典型信息交互模式包括以下幾個方面：

(1)針對不同類型配用電業務應用的實際情況，通過分別采用集成式和一體化2種典型的信息交互方式實現業務應用系統之間的信息交換與融合；

(2)分別針對配電網與用電環節中數據源及數據傳輸信道的不同特點，通過構建光纖骨干網、無線專網等物理通信網絡，基于通信綜合接入平臺和綜合管理系統完成多種物理通信網絡的接入與管理；

(3)針對分布式電源管理、電動汽車充換電設施管理、智能用電互動管理等新型應用系統在信息交互過程中對信息安全的差異化要求，將各應用配置于相應的安全防護分區中，采用分區、專用、隔離、防護等方式實現對二次系統信息交互的安全防護。

在南京智能配電網優化調度示范工程、西安智能配電網自愈控制示范工程等實際工程中，普遍考慮了分布式電源、電動汽車充換電設施、多樣性負荷及用戶互動等新型元素，因此，都面臨著多類型數據集成、交互與融合的信息設計需求。實際工程表明：本文所述信息交互模式適合智能配用電的信息環境特征，可實現多樣化信息的高效利用。在本文研究成果的基礎上，下一步應著重完善二次系統運維管理標準，加強通信網標準化建設，從而為智能配用電系統的大規模實用化應用提供有效支撐。

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(編輯:張媛媛)

Information Interaction Typical Mode in Smart Distribution Grid and Utilization

LIU Yu1，CHEN Xingying1，YANG Yongbiao2，Zhu Hong3，YU Kun1

(1.College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China; 2.NARI Technology Development Co., Ltd, Nanjing 210061, China; 3.State Grid Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, China)

Due to the growing demand for diversified business, the information interaction mode which is compatible with the business requirements and system characteristics is the implementation foundation of smart distribution grid and utilization.Firstly, two typical information interaction modes and corresponding deployment patterns were proposed, which were called the interface adapter way and the integrated way, based on the analysis on the business requirements and architecture of smart distribution grid and utilization.Then, the combination scheme of communication mode of smart distribution grid and utilization was proposed, according to its physical demand.The information security protection system of the secondary system was analyzed combined with the requirements of power system information security.Finally, through the analysis on the business requirements, system architecture, information interaction mode and deployment patterns, physical communication solution and security protection system, this paper established the typical mode of information interaction in smart distribution grid and utilization.The proposed mode has been applied in practical engineering such as the optimal operation of smart distribution grid and utilization.

smart distribution grid and utilization; information interaction mode; communication mode; information security protection system

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃) (2012AA050214)；國家自然科學基金項目(51077043)；國家電網公司重點科技項目(智能配用電的技術體系及仿真基礎性問題研究)。

TM 614

A

1000-7229(2015)08-0001-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.001

2015-06-25

2015-07-11

劉禹(1991)，男，碩士研究生，研究方向為配用電系統的規劃與評估；

陳星鶯(1964)，女，博士、教授、博士生導師，副校長，江蘇省配用電與能效工程技術研究中心主任，研究方向為配用電規劃與評估、配電網運行分析、配電網智能調度與控制、高效用電與節能、能源管理與能源經濟；

楊永標(1978)，男，高級工程師，研究方向為智能配用電技術、電力系統需求側響應、電力系統低碳調度技術；

朱紅(1971)，女，高級工程師，研究方向為配電網運行調度與管理；

余昆(1978)，男，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為配用電規劃與評估、智能配電網運行分析、配電網智能調度與控制。

Project Supported by the National High Technology Research & Development Program of China(863Program) (2012AA050214); National Natural Science Foundation of China(51077043).