民用智能电网信息交互接口分析与设计

　　本文总结了各个标准制定组织在智能电网用户接口架构上进行的工作。借鉴NIST、IEEE和IEC等标准组织的智能电网规范，提出了一种基于SGAM模型的智能电网用户接口的设计思想。重点研究用户侧中居民用户与电网侧的信息交互，针对设计方案的通信架构和数据模型这2项关键技术进行了研究并制定了设计方案。

　　1 智能电网的用户域范围

　　IEC智能电网路线图1.21版提出的智能电网概念模型，见图1。智能电网由8个部分组成，即发电域（bulk generation）、输电域（transmission）、配电域（distribution）、市场域（markets）、运行域（operations）、服务提供商域（service provider）、用户域（customer）和分布式能源（DER）。图1中，实线代表信息流交互，虚线代表能量流交互。

　　如图1和图2所示，在智能电网概念模型中，用户域与市场域、运行域、服务提供商域和配电域进行信息流交互，居民用户智能电网信息交互接口用于支持用户域实体（如家庭能源管理系统、用户负荷、用户储能或分布式电源）与电网侧的各信息处理和运行控制系统之间的安全通信。

　　居民用户智能电网信息交互接口是智能电网领域中为居民用户系统和用户设备提供通信服务的实体，通过直接或间接调用通信网络提供的信息交互功能，实现居民用户应用进程与智能电网其他相关系统之间的通信，旨在促进智能电网的互操作。

　　图1 智能电网概念模型

　　图2 智能电网居民用户信息交互接口

2 居民用户信息交互架构分析　　

如图3所示，居民用户智能电网信息交互接口连接3个域，即市场域、服务域和运行域。

　　电力的运行域在智能电网的领域中不仅要控制电网实施保障电力供应，还要管理用户的电力设施，包括用户能源管理系统、用户负荷设施、用户储能和分布式能源系统进行合理用电和安全用电。

　　用电服务域包括用电服务商域和第三方服务商域。用电服务商域包括计费系统、用户管理系统、紧急服务系统、楼宇管理系统、安全管理系统、需求响应服务系统、售电市场管理系统等多种服务系统。第三方服务商域包括用户的辅助系统，例如：电能管理服务系统、辅助服务系统、电力市场管理系统、需求响应用户系统、用户聚合服务系统、安全管理系统等。用电服务商提供支持电力系统、配电和用户之间业务流程的服务。这些业务流程不仅包括传统的公用服务事业，如计费、用户账户管理等，还包括扩充的用户服务，如能源使用管理、家庭能源发电等。

　　电力市场域通过电力企业间的信息交互，对电力业务数据、电能质量、电能电量平衡等进行管控，为用户提供交易管理、计划管理、结算管理、合同管理及市场成员管理等电力市场信息，指导用户的电力消费，最终平衡供需关系。

　　图3 居民用户信息交互系统架构

　　3 用户信息接口支持的业务

　　居民用户智能电网信息交互接口的主要功能是为用户的能源管理系统和设备提供通信业务服务，用户设备使用这些基本的通信服务功能，可以注册到用电服务系统，得到用电服务系统的认证和授权后能够与各种运行、市场和服务程序进行信息交互，实现智能电网的互动化。

　　电力市场类业务

　　电力市场是智能电网的纽带，电网侧与用户侧在电力市场通过协商、竞价等方式就电能和其他相关产品进行交易。目前，各国都在电力市场域进行改革，旨在提高电能效率，促进智能电网发展。

　　市场交易业务是电力市场的根本业务。电网侧将用户侧实时的用电信息传输给电力市场，市场通过合理规划、竞价等方式确定能源交易价格，并将信息传回电网侧和用户侧。用电价格的传递在美国智能电网项目最先被提出，目前，国家发展和改革委员会在深圳开展输配电改革试点，将买电、卖电业务透明化，这种公开化的市场操作，加强了对电网企业成本的约束，同时激励了第三方电力企业的发展，更合适未来智能电网的发展。

　　用电服务类业务

　　随着电力市场的改革，用电服务日益重要，用电服务业务主要包括运行服务业务、需求响应业务、设备维护业务、分布式能源业务以及辅助服务业务等。

　　1）运行服务业务是电力生产部门与客户之间的特殊纽带，用户购电后，服务侧将信息传回给电网，进行电力的升压、输送、降压、稳压，最后将电能传送回用户侧。

　　2）需求响应业务是指电力用户针对市场价格信号或激励机制做出响应并改变电力消费模式的行为。用电服务商向用户提供合理的用电策略，传递需求响应和分布式能源事件信息，包括请求和响应信息等，通过调控用户的用电以保证电力系统的运行稳定和市场运行效率。

　　3）设备维护业务包括能源服务商给电网运行商或用户的电力设备提供的运维服务。

　　4）分布式能源业务主要包括传递分布式发电能力信息［包括分布式发电能力、当前和未来的状态信息。分布式发电包括旋转式存储（此种发电机可以非常快的被唤醒，典型是少于15min）和非旋转式存储（此种发电机需要15min或大于15min被唤醒）］、分布式能量存储信息（包括分布式能量存储能力、当前和未来的状态信息）、分布式热能源存储的容量和可用性。

　　5）辅助业务包括传递调频和备用等信息。辅助服务需要通过“快速需求响应”实现，即通过快速削减或增加负荷实现服务。

　　电网运行管理类业务

　　电力运行域是智能电网的枢纽，直接操作于电网侧。电力运行域主要提供以配电调度管理和电厂直供业务，例如：传递电力故障信息，通知用户一个电力故障即将到来；传递自然灾害信息，预测天气和其他信息；传递定向交互信息，解决特定设备响应问题；传递能源使用量信息，包括历史、现在和未来预测的信息；传递紧急控制命令等。

4 用户信息交互接口设计

　　接口信息流分析

　　总体来看，目前国外智能电网研究侧重于分布式能源的接入和发电用电侧的互动，我国智能电网的研究工作侧重于大电网系统的信息获取与稳定控制，这与我国电力网络耦合性强的特点有关。作为电网企业（发电、输电、配电）首先要为用户提供能量，用户通过能量接口与电网的配电设施连接，获取电能，同时用户也可通过这个能量接口向电网提供电能，把用户分布式能源系统的电能反向输送给电网。电网企业与用户主要进行能量流的交互。而电力运行企业、电力市场、用电服务商和第三方服务商主要与用户进行信息流的传递。智能电网信息的流向见图4。

　　图4 用户与电网的信息流分析

　　以居民用户量测系统为例，量测系统主要用于测量用户使用电力的情况，每一户使用智能电网表获取用户家庭不同用电设备的用电数据，将数据上传到运行域、市场域和服务域并下载3个域回传信息，结合电网运行情况进行分析，给用户提供省电节能的建议，完成信息流双向传递。

　　接口内部层次

　　ISO/IEC开放系统互连基本参考模型（ISO/IEC 7498-1）标准中的分层思想是将庞大而复杂的问题分为若干较小的易于处理的局部问题，通过对开放系统复杂结构7个层次的划分，将开放系统互连中的服务、接口和协议明确地区分开来，使不同的系统之间实现方便可靠的通信。按照ISO/IEC 7498-1标准的分层思想，遵循IEC Smart Grid Standardization Roadmapv1.21draft中提出的SGAM方法，并结合智能电网的架构，将支持智能电网用户接口划分为功能层、信息层、通信层和基础平台层4个层次，用户接口的设计主要是对功能层、信息层、通信层和组件层的设计。居民用户信息交互接口功能层主要用于支持通信业务，在功能层对接口提供的服务进行定义，智能电网业务应用进程通过调用功能层实现居民用户侧与电网侧的信息交互。

　　用户域的信息处理级别

　　图5定义了用户信息交互接口的四级结构，显示了不同智能电网域与居民用户域信息交互的示意图。此结构遵循电力管理系统的数据聚合、空间聚合以及功能分离的概念。用户域可以通过智能电网用户接口直接与电力域进行交互，居民用户信息交互接口适用于具有不同能力和约束的不同类型用户的交互，接口的物理位置并不重要，当进行不同的通信业务时对应调用不同的接口级协议。

　　图5 用户信息交互接口的四级结构

　　在四级结构中：

　　①负荷级包括物理、化学或空间的能量转换过程，调用此级实现物理设备（如发电机、变压器、断路器、架空线、电缆、传感器和电力负荷）的直接接入和断开等；

　　②区间级包括对用户负荷系统的各个过程进行保护、控制和监控的设备，如继电保护设备、机柜控制器以及所有采集和处理电力系统数据的智能电子设备；

　　③系统级表示对“区间级”层次的聚合，如数据集中、功能聚合、用户家庭自动化、本地监测控制、数据采集系统和能源管理；

　　④高级应用级包括对用户进行电力系统控制操作，如能量管理系统（EMS）、微电网管理系统、虚拟电厂管理系统（聚合多个DER）、电动汽车（EV）充电管理系统、客户关系管理、计费、能源交易市场等。

　　对于智能电网居民用户来说，其特点是网络节点数据量大，如何收集这些数据并保证数据的实时性和完整性是智能电网要解决的问题之一。而从信息利用角度来看，使用多级信息接口将分散在各类信息系统的数据进行集成，方便不同业务关注人员对数据进行应用，实现智能电网的高级分析应用功能。

信息交互接口应用实现设计

　　居民用户信息交互接口实体由一组软件组成，智能电网域通过调用软件，实现功能层、信息层和通信层的功能。

　　目前，定义居民用户信息交互接口连接5个域，即用户域、电力市场域、电力运行域、用电服务域和第三方服务域。居民用户信息交互接口旨在满足居民用户业务层应用需求。因此，信息交互接口主要向用户提供信息管理功能和用电服务功能。

　　以需求响应（DR）系统为例，DR服务提供商通过居民用户信息交互接口与用户实现4个层面的信息交互。用户通过接口信息管理功能在DR服务系统注册。①在高级应用级，DR服务提供商向用户提供电价信息、价格谈判信息、削峰填谷预期效果信息，由用户进行预判并指导设备运行；②在系统级，DR服务商将提出的请求行为直接发送到DR客户端响应，由DR客户端进行家电下一步行为设定，设计******方案，并向下级设备发送控制指令，如“减少1kW的负荷”；③在区间级，DR服务提供商使用智能插座、恒温器等自动化设备发送信号来控制家电的运行，如能源服务提供商可能会发送一个命令到用户冰箱恒温器设定特定的温度期望值；④在负荷级，DR服务提供商直接控制家电负荷，例如第三方服务可以通过DLC直接控制居民用户空调和热水器。

　　结语

　　智能电网用户接口研究涉及领域众多，且有用户域用电结构的复杂性和多变性带来的相关问题，对于数据传输的安全性和可靠性等问题更值得研究和关注，而本文对居民用户信息交互的研究只是其中的一部分，并且，现阶段研究主要在逻辑层面。因此，必须进一步研究适应我国需求的智能电网用户接口并将成果进行推广和应用，而这些必须根据我国电网发展来进行自主创新的研究、设计和具体实施，并针对电网建设情况进一步优化，从而促进智能电网的推广。