智能電網互操作成熟度模型

周靜，劉國軍，胡紫巍，盧利峰，張威

（全球能源互聯(lián)網研究院，北京 102209）

1 引言

智能電網的互操作性是指兩個或多個網絡、系統(tǒng)、組件之間安全有效的交換信息和使用信息的能力，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各組成元素之間的智能控制、協(xié)作和優(yōu)化[1]。智能電網涉及從發(fā)電到用電的整個能源體系，它在先進的技術、傳感器及控件中嵌入了智能、主動控制和管理及交互能力，因此，高水平的互操作在實現(xiàn)智能電網功能方面是必不可少的。

智能電網涉及運營方、技術提供方和監(jiān)管方，它包含不同技術和業(yè)務層面的多個彼此交互的實體，互操作性是這些實體通過共享以預定的方式共同工作的屬性，包括對交換數據的解釋和使用，也就是技術和認知能力的共享。因此，互操作性必須考慮技術、社會、政治和組織結構等因素。盡管互操作有著顯而易見的重要性，但到近年才出現(xiàn)了互操作程度的評估方法。受美國軟件工程研究所（SEI）的能力成熟度模型的啟發(fā)和澳大利亞國家電子醫(yī)療執(zhí)行委員會（NEHTA）在流程改善方面的影響，電網智能化架構委員會（GWAC）開發(fā)了一個互操作成熟度模型幫助了解企業(yè)互操作能力的成熟度[2]，這項工作開始于2007年，并于2011年12月出版了GWAC互操作成熟度模型的測試版[3]。本文首先對智能電網互操作性需求進行了分析，闡述了智能電網互操作成熟度模型的主要特點，介紹了GWAC工作組在推進互操作成熟度模型 （interoperability maturity model,IMM）方面的工作，并對智能電網互操作成熟度的評估和分析流程進行了研究和探討。該模型將有效幫助智能電網規(guī)劃的制定者從戰(zhàn)略和戰(zhàn)術的維度總體考慮智能電網的互操作性。

2 智能電網互操作成熟度模型結構

智能電網互操作成熟度模型IMM使用了GWAC的互操作性環(huán)境框架，互操作性環(huán)境框架如圖1所示，它提供了一種標準的邏輯結構保證智能電網組件之間的互操作性。

圖1 GWAC互操作性框架[4]

該框架確立了8個層面上的互操作類型和10個跨領域議題[4]，這8個層面分為了3個類別，分別是技術、信息和組織，這些類別主要和電力終端用戶、發(fā)電、輸電和配電的系統(tǒng)集成和互操作相關；技術類別主要強調網絡連接與互操作性，信息類別強調互操作的語義與環(huán)境，組織類別主要強調互操作事務的政策和商務驅動力。10個跨領域議題也同樣分為了3類：配置和演進、操作和性能及保障和安全方面。同時，模型還提供了二維視圖，展示了這些類別交叉所產生的9個互操作區(qū)域（IA），如圖2所示。IMM在每個IA內建立目標，并在這些領域內確定評估成熟度的指標。通過將具體、可衡量的業(yè)務和技術目標與IMM相關聯(lián)的方式來獲取關鍵指標，由于這些指標與成熟度相關，因此可以用于評估互操作的成熟度等級。IMM適用于智能電網各個互操作領域，通過確定互操作成熟度評估的多重指標，就可以為一個特定的互操作領域創(chuàng)建一個整體的互操作成熟度框架。IMM為框架的每個等級制定了高層次的目標，在IMM的內部結構中，這些目標相互交叉，因此還需要創(chuàng)建更詳細的表述來描述這些交叉目標。

互操作成熟度模型可促進與改善電網自動化設備與系統(tǒng)的集成與維護，此外，該模型還可用于互操作成熟度的自評估，為提高互操作性提供改進依據。

圖2 簡化的互操作框架[4]

3 IMM與其他成熟度模型的區(qū)別

成熟度模型提供了一種相較于基準的一系列特征演進的測試和評估的方法，這些基準通常代表最佳實踐案例，該基準下的一系列演進的屬性、特征、模式或實踐被看作評估的基礎。

在20世紀80年代末和90年代初，美國軟件工程研究所開發(fā)出了能力成熟度模型（CMM），可以看作軟件開發(fā)捕獲過程中的最好實踐，最終CMM被CMMI（能力成熟度模型集成）所取代，以解決在軟件和系統(tǒng)的開發(fā)過程中使用不在一個組織內集成的多個模型時帶來的冗余和混亂等問題[5]。

一般成熟度模型可以分為3種類型：漸進成熟度模型，它是指一個簡單的進展或者一個屬性、特點、模式或實踐等的擴展，這些高于成熟度等級的行為就代表了成熟度的發(fā)展，該類別包括了許多諸如咨詢或產品供應等公司自己開發(fā)的專有模型；能力成熟度模型，它衡量圍繞一系列屬性、特點、模式和實踐等的組織能力，它不僅衡量執(zhí)行任務的能力，更反映成熟度的更廣泛的組織能力；混合成熟度模型，它可以通過用能力成熟度模型的能力屬性覆蓋漸進模型的特征而創(chuàng)建，這類成熟度模型可以反映出類似于能力成熟度模型的等級間的過渡，但在結構上卻使用了漸進模型中的屬性、特征、模式和實踐等元素，除了從評估標準和最佳實踐的角度去評估成熟度之外，這種方法在用于某個特定的主題領域時也是非常有用的。

智能電網成熟度模型（smart grid maturity model，SGMM）是一個漸進模型的例子，用于指導智能電網發(fā)展和評估其發(fā)展階段的模型和體系。該模型從8個維度來評估智能電網的發(fā)展，包括智能電網的策略、組織、技術、社會與環(huán)境、電網運行、人員與資產、產業(yè)鏈整合、用戶體驗與管理，該模型將智能電網的發(fā)展分為5個階段。它是企業(yè)規(guī)劃智能電網的管理工具，電力企業(yè)可以使用SGMM評估智能電網的當前狀態(tài)，找出差距和需要提高的方面，指導制定明確的業(yè)務模型和規(guī)劃，制定下階段的發(fā)展路徑和未來目標。CMMI是一個能力成熟度模型的例子，幫助軟件企業(yè)實現(xiàn)對過程的不斷管理和改進以及改進過程的制度化問題。而IMM則主要激勵跨組織互操作的成熟度，著重交互的自動化系統(tǒng)之間的接口問題，IMM主要應用于一個多組織的系統(tǒng)中，而不是應用在某個單一的組織中，它體現(xiàn)的是互操作的特征、模式和實踐，而并非具備更廣泛特征的組織能力，因此，IMM是一個混合成熟度模型的例子。

4 IMM在實際項目中的試驗

當前IMM的測試版本已應用到了智能電網中，每個接口和利益相關方將會不同程度地對IMM進行測試，IMM工作組成員將會收集這兩方面試驗得出的經驗，在試驗中測試IMM的流程主要包括以下幾步。

（1）確定目標

確定組件間要應用IMM的接口。

（2）確定域

確定目標接口區(qū)域中具有目標一致的相關方。

（3）確定目標

使用IMM，確定應用于目標接口的互操作領域的目標和相關指標。

（4）確定實踐

收集依據、描述流程和與接口相關的支撐互操作領域目標的工件。

（5）評估

使用IMM評估工具去評估收集的依據和確定的互操作成熟度等級，關注優(yōu)勢和問題。

（6）建議改進

審核評估過程，開發(fā)一套完善的建議來改善模型，并提出改善評估工具的建議。

2011年末，IMM工作組將IMM測試版應用到了美國能源部在太平洋西北地區(qū)的智能電網示范項目。在該項目中確定的目標接口是交互控制接口，該接口在相關方之間傳輸能源消耗和預期的系統(tǒng)響應信息，此次評估過程主要依賴于項目成員對該接口開發(fā)的熟悉性，而該次IMM試驗的目標是測試IMM評估的基本過程，評估該試驗的目標描述和指標的適用性，選擇與該項目相關的目標表述，制定細化評估的步驟，為評估過程和進一步開發(fā)IMM提供見解和指導。

初步評估工作確定了IMM的一些不足，并提出了改善建議。IMM并沒有確定目標描述成熟度得分是如何計算的，也沒有明確具體要訪問的對象。這些問題將通過開發(fā)IMM評估指導來解決，并對評估過程標準化，完善IMM。針對主管級別的決策層需要用文件來說明IMM的目標、潛在優(yōu)勢以及它的評估過程，需以可操作的形式向運行人員總結和呈現(xiàn)結果。

IMM的另外一次試驗是在2012年6月，應用在美國能源部另一個智能電網示范項目中。通過用戶信息系統(tǒng)（CIS）與計量前端系統(tǒng)（MHE）進行交互來采集遠程電表的讀數，然后計量前端系統(tǒng)將數據反饋給用戶信息系統(tǒng)，這只是一個復雜的CIS-MHE接口的一部分，而該接口作為一個簡單的集成區(qū)域對IMM進行測試。

此次評估使用了IMM目標和指標描述的完整列表，該試驗得到了以下結論：選擇的接口對于美國俄亥俄州電力公司而言是個內部接口，這樣的試驗側重于企業(yè)集成方面，而不是多個利益相關方之間的組件互操作問題，它應用在這方面可以幫助闡明一些企業(yè)集成問題。IMM在項目層面辨識成熟度，當應用在集成方面的時候，它跳轉到了成熟度的更高層面。但作為一個混合模型，它無法支持一個企業(yè)內的多個項目。術語“業(yè)務流程”應用在IMM中用來說明任何流程交互，當這些流程在IMM中沒有區(qū)別的時候，IMM的使用者在技術流程中區(qū)分一個業(yè)務流程時會比較困難。雖然在IMM中有大量關于接口測試的說明，但卻沒有細節(jié)描述，這也是需要改進的一點，該模型未來的版本應該體現(xiàn)出在細節(jié)方面的加強。

成熟度水平的高低主要體現(xiàn)在IMM模型的信息層，上述接口就采用了一個國際標準信息模型，消息的語法與計量信息的交換有關。由于實踐的結果會被反饋到相關標準組織，以便于推出未來版本的標準，因此該模型也非常有必要隨之改進。

5 結束語

互操作對于智能電網將會有著越來越重要的作用，用改進成熟度的方式去解決互操作方面的問題將會是一個非常有效的手段?；ゲ僮鞒墒於饶Ｐ屯ㄟ^發(fā)掘矛盾、歧義和影響集成的地區(qū)差異以及衡量運行可靠性、維護成本等各方面因素，幫助利益相關方推進互操作的不斷改進。

早期試驗表明，IMM還有許多方面需要改進，由于每個接口和系統(tǒng)都會出現(xiàn)不同的問題，因此IMM在解決多樣性問題方面還需進一步的完善和改進。對于多目標評估，例如需要考慮用有限的資源優(yōu)先去解決首要問題時，還可能需要創(chuàng)建新的工具。

智能電網需要多方面的成熟度模型以解決不同領域的問題，這包括用以指導和支持在智能電網方面的努力和投資的智能電網成熟度模型，同時還有網絡安全能力成熟度模型和互操作成熟度模型。這些模型之間需要進行協(xié)調，以保證它們之間的互補性。

[1]候義明,于輝.IEEE P2030儲能系統(tǒng)接入電網的互操作架構標準研究[J].電器與能效管理技術,2014(19):68-73.

HOU Y M,YU H.Research on IEEE P2030 interoperability framework standard about energy storage system connected to grid[J].Electrical&Energy Management Technology,2014(19):68-73.

[2]WIDERGREN S,LEVINSON A,MATER J,et al.Smart grid interoperability maturity model[J].IEEE Power and Energy Society General Meeting,July 25-29,2010,Minneapolis,USA.New Jersy:IEEE Press,2010:1-6.

[3]Smart grid interoperability maturity model beta version[EB/OL].[2011-12-02].http://www.osti.gov/scitech/biblio/1105107/.

[4]GridWise interoperability context-setting framework (v1.1)[EB/OL].[2013-01-15].http://www.docin.com/p-582081531.html.

[5]賈楠，劉建賓，賈迎輝.關于從能力成熟度模型(CMMs)向能力成熟度模型集成(CMMI)轉換的探討[J].計算機應用研究,2002(7):29-35.

JIA N,LIU J B,JIA Y H.A probing about changing CMMs into CMMI[J].Application Research of Computers,2002(7):29-35.