客戶能源管理終端的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)解讀

馮子煜，陳飛杰，程 崗，王 曼

（1.上海久隆電力（集團(tuán)）有限公司，上海 200070；2.國網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080；3.上海新電后勤服務(wù)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(dāng)前電力供需不平衡、能源緊張、環(huán)保等問題下，智能電網(wǎng)用電側(cè)技術(shù)以其潛力巨大而得到研究者的關(guān)注。電網(wǎng)運(yùn)行時除了線路輸送損耗外，80%～90%的電耗是由客戶側(cè)使用的，如果能對客戶側(cè)的用電方式、用電規(guī)律等采用智能化方式進(jìn)行管控，則可以從源頭上提高節(jié)能效果。在用電客戶側(cè)，各種新技術(shù)正在開發(fā)與應(yīng)用，其中需求側(cè)管理（Demand Side Management，DSM）、能效電廠（Efficiency Power Plant，EPP）等技術(shù)發(fā)展迅速，成為近年來行業(yè)深受關(guān)注和研發(fā)的技術(shù)。

客戶能源管理終端（Energy Management Controller，EMC）是支撐智能電網(wǎng)客戶側(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)備，而用電側(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，引領(lǐng)了技術(shù)的發(fā)展，關(guān)鍵是要提高多角度研發(fā)的協(xié)同性以及避免產(chǎn)品的不通用性。本文通過對國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)（IEC）與EMC設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)解讀，給EMC在國內(nèi)的設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用，提供一些借鑒。

1 客戶能源管理終端

EMC設(shè)備是智能電網(wǎng)客戶側(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。目前正在研究的DSM、EPP，都離不開EMC的研發(fā)。

DSM在20世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)時得到電力公司的青睞，當(dāng)初的目標(biāo)是終端節(jié)電、降低能耗、提高能源使用效率。隨著電力工業(yè)及智能電網(wǎng)的發(fā)展，DSM逐漸被賦予了新的含義，發(fā)展到今天，DSM是指通過采取有效措施，引導(dǎo)客戶優(yōu)化用電方式、提高終端用電效率、實(shí)現(xiàn)最小成本電力服務(wù)所進(jìn)行的用電管理活動的總稱。DSM的基本目標(biāo)是通過挖潛增效、設(shè)備改造，減少總能源的使用；通過改變用電方式，進(jìn)行移峰填谷。

而EPP是一種虛擬電廠，屬于DSM的一項(xiàng)具體內(nèi)容，即采用投資項(xiàng)目的形式，形成某個地區(qū)、行業(yè)或企業(yè)電力需求節(jié)約的一攬子行動方案，對用電設(shè)備進(jìn)行節(jié)電改造，鼓勵客戶采用節(jié)能新設(shè)備、新技術(shù)，達(dá)到降低用電負(fù)荷、提高能源的使用效率，起到移峰填谷的作用，從而達(dá)到與新建電廠和擴(kuò)建電力系統(tǒng)異曲同工的效果，并使節(jié)電項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

無論是DSM，還是EPP，最終都要落實(shí)到電網(wǎng)與終端用電系統(tǒng)之間的互動層面。在傳統(tǒng)電網(wǎng)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(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)度，修正運(yùn)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(jù)電網(wǎng)的供應(yīng)能力改變自己的用電習(xí)慣。智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，在很大程度上要依托雙向互動機(jī)制。因此，在被譽(yù)為智能電網(wǎng)“高速公路”最后1 km的客戶端領(lǐng)域，如何讓廣大客戶真正感知智能電網(wǎng)的成效和收益，已日益成為智能電網(wǎng)建設(shè)取得應(yīng)用成效的關(guān)鍵之一。

EMC是特指部署在終端用電系統(tǒng)中的客戶能源管理控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是連接電網(wǎng)控制中心與終端用電系統(tǒng)或用電設(shè)備之間的樞紐與橋梁，主要用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與客戶之間的互動聯(lián)系，是實(shí)現(xiàn)各種客戶側(cè)技術(shù)手段的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

EMC的功能主要體現(xiàn)在三個方面：首先，EMC采用先進(jìn)科技手段對用電系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)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(jìn)行評估，指出電能浪費(fèi)的漏洞在哪里，改善的機(jī)會有哪些，進(jìn)而指導(dǎo)客戶通過管理手段達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。最后，EMC可以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)控制中心以及與用電設(shè)備之間的互動通信，通過標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口規(guī)約實(shí)現(xiàn)自動需求響應(yīng)，從而達(dá)到消峰填谷的目標(biāo)。

2 客戶能源管理終端的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

EMC在智能電網(wǎng)中具有基礎(chǔ)支撐作用，面臨整合客戶設(shè)備信息的要求，在用電系統(tǒng)中安裝互動設(shè)備，所面臨的最大挑戰(zhàn)是為數(shù)眾多的各種用電設(shè)備之間的接口和互操作性。為實(shí)現(xiàn)這些用電設(shè)備之間的互操作性，最好的辦法是提前出臺規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

盡管ISO、IEC、JTC1等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織針對家庭電子系統(tǒng)（Home Electronic System，HES），已經(jīng)制定了一系列與通信相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如Lon Works，KNX，Echonet，UPnP，IGRS等；但由于設(shè)備和供應(yīng)商千差萬別，不可能有任何上述一種通信標(biāo)準(zhǔn)在HES中占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，上述通信規(guī)約最好能在盡量少動或者不改動的情況下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。在這個前提下，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織進(jìn)行了大量工作，針對HES設(shè)備互操作、建筑物網(wǎng)關(guān)以及能源管理，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。作者對上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了翻譯和研究，其中與客戶能源管理相關(guān)度較大的有三個標(biāo)準(zhǔn)：HES設(shè)備互操作性導(dǎo)則（ISO／IEC 18012）、HES家庭網(wǎng)關(guān)模型（ISO／IEC 15045）、HES能量管理模型（ISO／IEC 15067-3）。

2.1 HES設(shè)備互操作性導(dǎo)則

2.1.1 ISO／IEC 18012標(biāo)準(zhǔn)

ISO／IEC 18012標(biāo)準(zhǔn)是針對建筑或家庭用電設(shè)備與外部網(wǎng)絡(luò)之間通信集成的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，它是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）設(shè)備互操作計(jì)劃的組成部分。

為了讓眾多家庭電子產(chǎn)品能統(tǒng)一到一個平臺上，這就要求所有的電子產(chǎn)品都遵循一種互操作性機(jī)制。這種機(jī)制可保證來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品能協(xié)同工作，最好的方法就是這些設(shè)備在不修改其底層網(wǎng)絡(luò)規(guī)范和規(guī)約的前提下可以無縫協(xié)同工作，為終端客戶提供各種集成應(yīng)用。

《ISO／IEC 18012-1設(shè)備互操作性導(dǎo)則》第Ⅰ部分（分類和詞匯）針對設(shè)備互操作性的基本方法和一些系統(tǒng)問題（安全性、管理性、操作性等）給出了描述；第Ⅱ部分針對設(shè)備互操作性，在應(yīng)用層面給出了一種描述機(jī)制。通過這種機(jī)制，為異構(gòu)的底層系統(tǒng)，提供了一種通用的應(yīng)用描述方法。同時，為了便于互操作性透明實(shí)施，這種機(jī)制也針對一些關(guān)鍵執(zhí)行元素（如數(shù)據(jù)原語等）給出了明確的語義映射。

2.1.2 主要內(nèi)容

通過對家用電子設(shè)備的通信標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用、交互和實(shí)現(xiàn)模型進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)了不同方法與實(shí)現(xiàn)的共性，在于更高層面上所執(zhí)行的應(yīng)用功能，而差異在于這些功能如何表達(dá)和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。簡言之，各種自動化系統(tǒng)應(yīng)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(xué)教材中增添個人理財(cái)內(nèi)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(shè)置了5～18歲學(xué)生的理財(cái)教育目標(biāo)；到了2005年年底，英國教育當(dāng)局在教材編寫過程中，出臺了一項(xiàng)引人注目的舉措——在中小學(xué)教材中增添兩個教學(xué)單元的個人理財(cái)內(nèi)容，著重教學(xué)生如何管理自己的錢財(cái)，如何存錢和花錢。并在2006年9月開始全國實(shí)施課程教授。2010年9月起，英國政府教育主管部門已經(jīng)決定，“基礎(chǔ)財(cái)務(wù)技能”將成為英國初中畢業(yè)考試中數(shù)學(xué)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，都可創(chuàng)建一個與之對應(yīng)的描述系統(tǒng)：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(guī)約層：定義了要交換的消息；詞法層：定義了消息的結(jié)構(gòu)；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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，CIF框架首先創(chuàng)建與之對應(yīng)的通用的交互功能（Generic Inter Working Function，GIWF）；在GIWF基礎(chǔ)上應(yīng)用抽象中間語言（HES Abstract Intermediate Language，AIL），針對每種消息單元產(chǎn)生對應(yīng)的公共表達(dá)。這種公共表達(dá)經(jīng)由實(shí)時“事件總線”傳遞給另一個GIWF，由GIWF在對應(yīng)的客戶網(wǎng)絡(luò)中將這種近似于自然語言的描述轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的具體網(wǎng)絡(luò)信息。

當(dāng)新的客戶端網(wǎng)絡(luò)引入時，只需創(chuàng)建對應(yīng)的GIWF即可。GWIF可以采取一個可訪問的公共注冊元數(shù)據(jù)庫中的已經(jīng)存在的轉(zhuǎn)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(jìn)行規(guī)約語義轉(zhuǎn)換的缺陷。這種方法具有模塊化特點(diǎn)，可無限擴(kuò)展而不受引入未來新型客戶端網(wǎng)絡(luò)的局限。

2.2 HES家庭網(wǎng)關(guān)模型

2.2.1 ISO／IEC 15045標(biāo)準(zhǔn)

ISO／IEC 15045家庭網(wǎng)關(guān)模型則在前述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，以網(wǎng)關(guān)模型的方式，對設(shè)備互操作給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。

《ISO／IEC 15045-1 HES設(shè)備互操作性導(dǎo)則》第Ⅰ部分（HES家庭網(wǎng)關(guān)模型）描述了家庭網(wǎng)關(guān)的基本架構(gòu)及其功能需求；第Ⅱ部分（模塊化和協(xié)議）描述了3種針對不同網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的模塊化結(jié)構(gòu)。即簡單網(wǎng)關(guān)：實(shí)現(xiàn)一對一網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，不具備擴(kuò)展性；多網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)：實(shí)現(xiàn)兩個以上的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；分布式網(wǎng)關(guān)：實(shí)現(xiàn)多個網(wǎng)關(guān)單元互聯(lián)。

2.2.2 主要內(nèi)容

圖2 模塊化網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

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

各模塊要求具備足夠的處理運(yùn)輸能力，除了實(shí)現(xiàn)與該網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的GWIF外，還需要支持模塊所能提供的服務(wù)需求。網(wǎng)關(guān)鏈接總線作為一個整體以類似以太網(wǎng)的形式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的所有服務(wù)。各模塊在硬件結(jié)構(gòu)上無需局限于同一設(shè)備內(nèi)，集中式網(wǎng)關(guān)架構(gòu)和分布式網(wǎng)關(guān)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 集中式網(wǎng)關(guān)和分布式網(wǎng)關(guān)

除了對應(yīng)于各具體局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口模塊外，還有一種鏈接于網(wǎng)關(guān)鏈接總線上的擴(kuò)展模塊，稱之為“服務(wù)模塊”（Service Module）。服務(wù)模塊不對應(yīng)到具體的局域網(wǎng)，可以透過網(wǎng)關(guān)鏈接總線訪問到其他網(wǎng)絡(luò)接口模塊。服務(wù)模塊提供各種應(yīng)用服務(wù)，并可具有任意層次的復(fù)雜性，如圖4所示。

圖4 服務(wù)模塊

2.3 HES能量管理模型

2.3.1 ISO／IEC 15067標(biāo)準(zhǔn)

EMC的一個應(yīng)用領(lǐng)域是能源管理，涉及到微網(wǎng)環(huán)境下的分布能源、用電管理、需求響應(yīng)等，終端設(shè)備是能源管理的采集和控制基礎(chǔ)。而《ISO／IEC 15067-3 HES能量管理模型》就是針對這一應(yīng)用，對如何管理與用電相關(guān)的設(shè)備和應(yīng)用而制定的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)分為4個部分：應(yīng)用服務(wù)和協(xié)議；HES照明模型；HES能源管理模型；HES安全系統(tǒng)模型。這些應(yīng)用模型，對處于不同制造商產(chǎn)品之間的互操作性，起到了重要的推動作用。在類似應(yīng)用HES標(biāo)準(zhǔn)這樣的場合，產(chǎn)品互操作是必不可少的。

2.3.2 主要內(nèi)容

在《ISO／IEC 15067-3 HES能量管理模型》標(biāo)準(zhǔn)中，HES能量管理系統(tǒng)模型定義了能源管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，給出了所必須的通信服務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了基于HES的高層能源管理系統(tǒng)模型，為家庭或建筑能源管理系統(tǒng)架構(gòu)和功能集合，提供了標(biāo)準(zhǔn)。在這個標(biāo)準(zhǔn)中，提出一種能源管理代理模式，對外與公用事業(yè)公司或者其他服務(wù)提供商通信，實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)、遠(yuǎn)程抄表、實(shí)時電價等功能；對內(nèi)與智能用電設(shè)備通信，管理電力負(fù)荷。

一些可能與能源管理代理模式相關(guān)的功能和設(shè)備，例如：智能家居或者智能用電設(shè)備；智能溫度調(diào)節(jié)器和其他傳感器；太陽能光伏發(fā)電設(shè)備及逆變設(shè)備；微型燃?xì)廨啓C(jī)或者其他發(fā)電設(shè)備；智能蓄電池或充放電設(shè)備（包括混合動力或者電動汽車）；電力補(bǔ)償設(shè)備（諧波治理、無功補(bǔ)償、三相平衡設(shè)備）；智能電表和電能質(zhì)量表；需求響應(yīng)協(xié)議；實(shí)時電價協(xié)議及參與負(fù)荷控制的用電設(shè)備響應(yīng)。

3 結(jié)語

上述標(biāo)準(zhǔn)互相支持，為智能電網(wǎng)客戶端管理的發(fā)展、客戶能源管理終端的研發(fā)，給出可遵循的標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)群里，針對智能電網(wǎng)還有很多其它的標(biāo)準(zhǔn)已制定，或即將制定。這些標(biāo)準(zhǔn)集合在一起，規(guī)定了用電和分布式能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)交互，成為智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的重要組成部分。

他山之石，可以攻玉?？蛻裟茉垂芾斫K端的研究，將重新構(gòu)建新型電網(wǎng)關(guān)系，使客戶側(cè)電源系統(tǒng)與電網(wǎng)之間形成新的反饋機(jī)制。通過對國際標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹和解讀，希望能起到拋磚引玉的作用，給國內(nèi)研究客戶能源管理終端的同行們提供進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。