適合國際標準 IEC 61970 和 IEC 61968 的智能樓宇能源管理系統設計

袁心怡，邵崢達，陳 博，曾 真，高非池，趙艷敏（國網上海市電力公司， 上海 200051）

1 背景概述

1.1 智能樓宇能源管理系統現狀

在我國經濟高速發展的趨勢下，公共建筑（大型商場、酒店、辦公樓、賓館等）的能源消耗問題日益顯現。公共建筑中暖通空調系統和照明系統的用能占據了建筑整體能耗的絕大部分。

智能樓宇能源管理系統的建設目的是實現新建公共建筑的節能降耗，其主要功能是通過建筑能耗模型的建立，對建筑樓宇、用能系統設備的能耗數據進行監測和分析，挖掘建筑節能潛力，實現建筑用能系統高效運行。

1.2 IEC 61970 和 61968 應用情況

隨著計算機通信技術的發展，國際電工技術委員會（IEC）的第 57 技術委員會（IEC TC 57）為了解決建筑電力系統對數據信息的集成共享問題，制定了一系列標準，包括電力標準 IEC 61970 和 IEC 61968。通過電力系統信息模型進行數據的共享，實現能源數據的獲取、分析和動態調控管理。

1.3 目 標

本文將提出一系列思路，即通過借鑒 IEC 61970 與 IEC 61968 標準，以及電力系統的實踐經驗，為智能樓宇能源管理系統提出一系列設計規范，為此類系統的標準化實施提供依據。

2 應用 IEC 標準設計智能樓宇能源管理系統

2.1 智能樓宇能源管理系統功能分析

通過對當前各類智能樓宇能源管理系統的調研，總結其主要功能，具體有如下幾個方面。

（1）樓宇整體用能監測：對建筑分類、分項、分區域能源數據并且逐時、逐日、逐月能耗趨勢進行監測。

（2）設備用能監測：對建筑主要用能系統設備的實時用能負荷和運行參數的監測。

（3）建筑配電網絡監測：對建筑配電系統的線路運行狀態進行監測。

電力需求響應雙向互動，分布式新能源控制。

（1）綜合指標分析：對各建筑區域能耗數據、用能趨勢、能耗費用進行同比、環比分析，并以圖、表、曲線的方式進行展示。

（2）設備耗能分析：通過對設備的運行負荷、運行狀態的監測，對設備運行效率進行分析。

（3）能效對標分析：對建筑用能系統建立對標評價指標體系，以曲線、圖表等多種方式進行建筑能源使用單耗分析。

（4）高級分析：通過大數據智能計算，對建筑能源使用負荷進行預測，方便用戶對當前發電、用電的趨勢進行動態掌握，進行智能動態供需匹配，輔助用戶實現能源調度策略。

通過以上分析可以發現，該類系統大量業務功能與電網能量管理系統有重疊，IEC 61970、61968 中的公共信息模型（CIM）能夠描述這些功能涉及的信息模型。

2.2 應用公共信息模型

IEC 61970 與 IEC 61968 標準中，已定義了大量規范的CIM，根據對智能樓宇能源管理系統業務架構的研究，可以發現可應用于系統設計過程中的以下信息模型。

2.2.1 電力用戶檔案管理

IEC 61968 中的 Customers（用戶檔案包） 包含了對電力用戶相關信息的管理功能，能描述用戶戶號、電價組成、賬單明細等信息，可為智能樓宇能源管理系統實現用戶電費管理提供借鑒。

2.2.2 抄表管理

IEC 61968 中的 Metering （測量包）包含了完整的電能表抄表管理功能，對智能樓宇能源管理系統分項計量有借鑒作用。

2.2.3 用戶電力設備拓撲管理

IEC 61970 中的 Topology （拓撲包）能描述智能樓宇內部電力設備的拓撲關系，能實現智能樓宇的變配電設備監控、電源追溯能力。

2.2.4 用戶電力設備管理

IEC 61970 中的 Wires （電網包）是對建模輸電和配電網絡的電氣特性的信息的 Core 和 Topology 包的擴展，描述了高壓輸電網、中壓輸電網、變電站、配電饋線設備以及其相互間如何連接的定義。這部分信息能用于智能樓宇電力設備的狀態管理、安全分析等網絡分析應用。

2.3 應用 IEC 61970 組件接口規范

IEC 61970 組件接口規范是 （CIS） 在 OMG 和 OPC 標準基礎上編制出來的公共通用服務標準。組件接口體系如圖 1 所示。圖 1 用圖形的方式說明定義的每一部分和底層OMG 與 OPC 標準的關系。每一部分包括了整個通用服務的一個不可再細化的子集。雖然任何具體組件使用哪部分的服務是設計選擇問題，但是遵循這個技術規范就需要完全實現將來的公共服務，加上一個或多個其他部分規定的服務。

圖1 組件接口體系圖

2.4 IEC 61968 消息適配器

IEC 61968 的消息適配器對企業應用軟件基礎架構的要求是，應有一個邏輯的信息交換模型（IEM）。其實現在物理上可以是分布式的，允許以公開的可訪問的方式進行組件間的信息交換。消息類型有效的內容可以通過以下幾種方式來定義。

（1）對一個 XML 模式定義的復雜類型的強類型引用。

（2）對 XML:any 聲明的無類型引用。接收消息的應用程序將利用消息頭中的名詞來對內容進行解碼。

（3）編碼的 XML 字符串，其中的數據可能遵從一個XML 模式（由消息頭中的名詞指定）或者一個 RDF 模式。

IEC 61968 系列標準中的消息類型是指定了必需和可選元素的消息模式，同時還指定了元素之間導航關系。所有的元素和導航連接分別對應 CIM 中定義的類和關聯。CIM 類屬性以及其數據類型和定義見 IEC 61968-11 和 IEC 161970-301 部分定義。

2.5 參考架構

架構是系統的基本組織，建立企業能源管理系統架構應該由一個架構框架支持。一個架構框架是基于多個實施的一個抽象，并成為一套工具（如模式建模和管理工具，或用來邏輯和物理數據建模的工具）。這些工具使用特定領域的分類、方法、準則和最佳做法，并融入一些重要方面，如標準和規章。

參考架構封裝在一個抽象的層面，其結果和最佳實踐從給定業務問題的多個部署解決方案中得到，要求建立完整系統任務形成邏輯順序。參考架構提供了一個共同的格式，有利于方式一致的解決方案的反復設計和部署。因此，其對 IT架構師是一個有價值的工具，以下是參考架構的關鍵特點。

（1）主要基礎部件或構件—幫助描述端對端的架構解決方案。

（2）公用語言—簡化了說到給定系統類型時的溝通交流。

（3）框架—一個用來范圍確定、路線圖定義、風險評估和差距評估的框架。

（4）基礎—被證實的基礎，可以用在一個領域的所有解決方案設計中。

該參考架構框架概括并總結了具有重大意義的架構需求，并為項目工程師提供了一個與技術無關的架構體系。

2.6 應用案例

項目組的主要工作成果是定義了參考架構框架（Reference Architecture Framework），一個面向電力行業信息基礎設施需求的架構框架。該框架包括以下方面。

（1）電力行業的業務需求，如電力系統運行功能的獲取以及對電力系統環境加以分類。

（2）基于分布式信息的高層概念的策略視圖。

（3）基于公共服務、信息模型和接口的與具體技術無關的技術戰術途徑。

（4）能夠用于電力行業的標準、技術以及最優實踐。

智能樓宇能源管理系統使用 CIM 設計了數據持久層，并通過 IEC 61970 的組件接口實現了統一的數據訪問服務，通過 IEC 61968 實現了與企業內部其他系統的標準集成。

3 結 語

應用 IEC 61970、IEC 61968 能夠為智能樓宇能源管理系統的設計提供有力的架構標準。同時，當前流行的OPENADR、EI 和 SEP 2.0 等需求側與電網的接口標準都傳承自這兩項標準。因此，應用 IEC 61970、61968 標準設計的智能樓宇能源管理系統能具備優秀的業務擴展能力。