廣州市需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理中的若干關(guān)鍵技術(shù)

伍偉華,陳廣開(kāi),龐建軍,江 迪

（廣州供電局有限公司，510000）

0 引言

近年來(lái)，廣州市內(nèi)各類(lèi)產(chǎn)業(yè)高度發(fā)展，原有的大型制造業(yè)也向著高技術(shù)附加值的精密制造模式轉(zhuǎn)換。越來(lái)越多的用戶(hù)，諸如鋼鐵、制藥、精密制造和加工行業(yè)等，對(duì)電力需求側(cè)均提出了更高的要求。面對(duì)電力營(yíng)銷(xiāo)現(xiàn)代化規(guī)劃及加強(qiáng)需求側(cè)管理的雙重需求，廣州市從2009 年起啟用大客戶(hù)信息服務(wù)中心，對(duì)區(qū)內(nèi)的用電大戶(hù)提供全新的信息互動(dòng)服務(wù)。大客戶(hù)信息服務(wù)中心的投入使用，為供電部門(mén)積累了寶貴的現(xiàn)代化電力營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)驗(yàn)，也為廣州市的用電大客戶(hù)提供了獨(dú)特的專(zhuān)享的“一對(duì)一”、“一站式”的個(gè)性化用電服務(wù)項(xiàng)目。

智能電網(wǎng)的突出貢獻(xiàn)就是利用先進(jìn)的信息技術(shù)靈活地整合、調(diào)度需求側(cè)資源，實(shí)現(xiàn)信息和電能的雙向互動(dòng)。然而，現(xiàn)有的客戶(hù)與供電部門(mén)的信息溝通方式在技術(shù)上還不能完全滿(mǎn)足智能電網(wǎng)需求側(cè)管理與需求側(cè)響應(yīng)的“智能互動(dòng)”要求?！爸悄芑?dòng)”作為需求側(cè)智能電網(wǎng)的主要特點(diǎn)和建設(shè)目標(biāo)，包括信息和電能的雙向互動(dòng)，鼓勵(lì)用戶(hù)改變傳統(tǒng)的用電方式，積極參與電網(wǎng)運(yùn)行，根據(jù)電力供求調(diào)整用電模式等內(nèi)容。因此，需求側(cè)管理的深入發(fā)展需要引入新的需求側(cè)管理方式，研究新的綜合管理服務(wù)系統(tǒng)中客戶(hù)端智能單元與供電部門(mén)之間的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理電力客戶(hù)與供電部門(mén)之間的信息互動(dòng)平臺(tái)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

廣州市需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)將建立適應(yīng)于廣州市的需求側(cè)綜合管理的業(yè)務(wù)集群，實(shí)現(xiàn)該地區(qū)可行的應(yīng)用需求側(cè)用電管理技術(shù)方案和適合該地區(qū)電力客戶(hù)特點(diǎn)的可視化管理方式，為用電客戶(hù)和供電部門(mén)的管理決策提供直觀的圖表和分析數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)需求側(cè)用電客戶(hù)主要是企業(yè)客戶(hù)與供電部門(mén)之間的分布式服務(wù)與互動(dòng)方式；實(shí)現(xiàn)對(duì)用電數(shù)據(jù)的安全可靠采集，最終在需求側(cè)智能電網(wǎng)的技術(shù)框架下，于供電端建立需求側(cè)綜合服務(wù)管理系統(tǒng)，于客戶(hù)端建立電能綜合管理系統(tǒng)（智能用電單元）。

1.1 符合IEC61970 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)接口與CIM 數(shù)據(jù)格式

IEC 第57 技術(shù)委員會(huì)的第13 工作組在美國(guó)EPRI-CCAPI 項(xiàng)目的基礎(chǔ)上制定了IEC61970 系列標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(EMS-API)。該標(biāo)準(zhǔn)是在公共信息模型的基礎(chǔ)上建立的，它希望通過(guò)定義標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口，使得應(yīng)用和系統(tǒng)能夠不依賴(lài)于信息的內(nèi)部表示而存取公共數(shù)據(jù)和交換信息。IEC61970標(biāo)準(zhǔn)可以減少?gòu)V州市需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)與廣州市其它EMS 系統(tǒng)進(jìn)行互操作的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和時(shí)間，使廣州市其它EMS 系統(tǒng)在廣州市需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)投入使用后可以有效工作。

圖1 CIM 最高層次包及其依賴(lài)關(guān)系

圖2 使用CIM 文件實(shí)現(xiàn)需求側(cè)綜合管理服務(wù)的系統(tǒng)接口

CIM 模型是在IEC61970 協(xié)議中，是協(xié)議整體框架的基礎(chǔ)。它是一種描述電力系統(tǒng)所有對(duì)象邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)系的信息模型，為各應(yīng)用提供了與平臺(tái)無(wú)關(guān)的統(tǒng)一的電力系統(tǒng)邏輯描述，尤其是在EMS 領(lǐng)域。

CIM 由包組成。包是一種將相關(guān)模型元件分組的通用方法，沒(méi)有特殊的語(yǔ)義意義。包的選擇是為了使模型更易于設(shè)計(jì)、理解與查看。公共信息模型由完整的一組包組成。實(shí)體可以具有越過(guò)許多包邊界的關(guān)聯(lián)。每一個(gè)應(yīng)用將使用多個(gè)包中所表示的信息。為了方便，整個(gè)CIM 劃分為下面幾個(gè)包，其中各包在單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)文檔中分組處理。

圖1 展示了IEC61970-301 中定義的CIM 基本包及它們之間的依賴(lài)關(guān)系。虛線(xiàn)表示依賴(lài)關(guān)系，箭頭從依賴(lài)性包指向它所依賴(lài)的包。

如圖2 所示，CIM 文件在系統(tǒng)接口的實(shí)現(xiàn)上起到電力數(shù)據(jù)的承載作用，不僅實(shí)現(xiàn)了電力客戶(hù)的企業(yè)用電智能單元與廣州市需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，達(dá)到了需求側(cè)智能電網(wǎng)供電和用電雙方的信息互通，還可以與廣州市現(xiàn)有的使用IEC61970 標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)接口的其它EMS/SCADA 系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)的數(shù)據(jù)對(duì)接。

需要指出的是，在使用CIM 進(jìn)入數(shù)據(jù)交互前必須對(duì)各系統(tǒng)自身進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)互操作測(cè)試，以驗(yàn)證各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能否能以CIM 的方式正確的生成和解析。另外，由于廣州市需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行客戶(hù)電力信息計(jì)算需要使用各相電壓、電流、各相及三相有功功率與電度、三相有功功率與電度、實(shí)時(shí)功率因數(shù)與基波功率因數(shù)、各相各次電壓諧波含有率和電流諧波均方根值、以及各類(lèi)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，故給定的CIM 文件必須進(jìn)行擴(kuò)展定義，以包括以上的需求側(cè)用電數(shù)據(jù)。

1.2 需求側(cè)數(shù)據(jù)通信安全技術(shù)綜述

廣州開(kāi)發(fā)區(qū)需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)必須確保發(fā)布的基于數(shù)據(jù)通信服務(wù)的業(yè)務(wù)事務(wù)和處理是安全、可靠和可用的，因此安全已成為數(shù)據(jù)通信服務(wù)中最重要的問(wèn)題。從業(yè)務(wù)的角度看，要取得并保持電力客戶(hù)的信任，并避免數(shù)據(jù)通信服務(wù)提供者和消費(fèi)者面臨的危險(xiǎn)，必須保護(hù)和保障已公開(kāi)的服務(wù)。要提供Web 服務(wù)安全，必須采用基于XML 的安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)來(lái)支持安全服務(wù)。安全服務(wù)包括認(rèn)證、授權(quán)、信任策略、傳略安全、消息級(jí)安全、單點(diǎn)登錄、身份管理和身份認(rèn)證聯(lián)合。

廣州開(kāi)發(fā)區(qū)需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)通信采用OSI 七層模型，其中面向Web 服務(wù)安全通信實(shí)現(xiàn)了Web 服務(wù)安全協(xié)議、安全層。為了便于數(shù)據(jù)通信，OSI 棧共分為7 層。每層為上一層提供服務(wù)，包括原語(yǔ)和相關(guān)數(shù)據(jù)。每層又都依賴(lài)于下一層。

OSI 結(jié)構(gòu)中的TCP/IP 表示方法是因特網(wǎng)通信的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)鏈路層和物理層表示主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路；IP 在網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行；TCP/IP 在傳輸層運(yùn)行，提供用于傳輸分組的虛電路。應(yīng)用層、表示層和會(huì)話(huà)層幫助用戶(hù)交換數(shù)據(jù)。Web 服務(wù)通信中，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層之間使用安全協(xié)議機(jī)制

圖3 OSI 堆棧和Web 服務(wù)通信安全

Web 服務(wù)解決方案的端到端安全由三個(gè)安全層解決的。圖3清晰的說(shuō)明了這3 個(gè)安全層在保護(hù)Web 服務(wù)通信、消息和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的安全方面的職責(zé)和使用機(jī)制。

網(wǎng)絡(luò)層安全在IP 層和TCP 層運(yùn)行，為運(yùn)行服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供外圍安全及過(guò)濾未經(jīng)授權(quán)的入侵者的連接。網(wǎng)絡(luò)路由器和防火墻設(shè)備使用的是這種解決方案，這種保護(hù)措施只能防止基于IP 地址、TCP 端口、協(xié)議和分組的攻擊。

傳輸層安全保護(hù)通信，確保通信端點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)的保密性、機(jī)密性和完整性。它確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和會(huì)話(huà)不被竊聽(tīng)。這種解決方案使用加密算法和雙向SSL/TLS 機(jī)制，通過(guò)加密消息確保通過(guò)線(xiàn)路傳輸和數(shù)據(jù)交換的安全性。在傳輸過(guò)程中，傳輸層安全還確保數(shù)據(jù)不會(huì)被非目標(biāo)接收者或中間件查看。

消息層安全保護(hù)Web 服務(wù)端點(diǎn)的安全，這些服務(wù)端點(diǎn)以XML元數(shù)據(jù)的方式存儲(chǔ)了應(yīng)用特定的安全信息。在Web 服務(wù)通信中，XML 消息可能包含來(lái)自未授予權(quán)的第三方的惡意內(nèi)容，這對(duì)服務(wù)端點(diǎn)構(gòu)成了威脅。傳統(tǒng)的安全機(jī)制(如防火墻和HTTP/SSL)不能檢測(cè)XML 內(nèi)容級(jí)威脅，這些內(nèi)容可能導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出、SQL/QUERY 注入或基于XML 的拒絕服務(wù)(X-DoS)。使用消息級(jí)安全機(jī)制，可以用 XML 元數(shù)據(jù)或 SOAP 報(bào)頭塊定義應(yīng)用或服務(wù)特定的安全，這些內(nèi)容包含與用戶(hù)身份、認(rèn)證、授權(quán)、加密/解密和數(shù)字簽名相關(guān)的信息。

1.3 基于SVG 的可視化管理方式

目前，可視化技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。廣州開(kāi)發(fā)區(qū)需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)可視化利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，將用以表示電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)以圖形或圖像方式顯示，可以在計(jì)算機(jī)生成的圖像中顯示大量的有用信息，幫助系統(tǒng)人員更有效的處理和分析紛繁的需求側(cè)數(shù)據(jù)，給系統(tǒng)運(yùn)行人員提供更加直觀的操作平臺(tái)，極大地提高運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)需求側(cè)運(yùn)行問(wèn)題的速度和管理電力需求側(cè)的效率。

為實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)、不同電力客戶(hù)和供電企業(yè)間的圖形交換， 廣州開(kāi)發(fā)區(qū)需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)采用了基于SVG的EMS/SCADA 系統(tǒng)間的系統(tǒng)圖和一次接線(xiàn)圖的圖形交互規(guī)則及EMS/SCADA 系統(tǒng)與GIS 系統(tǒng)等其他應(yīng)用系統(tǒng)的圖形交互規(guī)則-公共圖形交互要求與EMS-API（能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口）的方針準(zhǔn)則及IEC61970 通用要求相一致。

以圖形為中心的交互方式中，可視化與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之間是一種松耦合的關(guān)系，并且容易支持每個(gè)對(duì)象表示的多樣性、容易支持圖表中的背景數(shù)據(jù)、容易將圖形集成到圖表中，同時(shí)可以方便地使用SVG瀏覽器。該方式主要針對(duì)EMS系統(tǒng)和電力客戶(hù)的瀏覽器。

以圖形為中心的交互方式互操作的流程如下圖4 所示。

1.4 使用Oracle 實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)管理

面對(duì)需求側(cè)電力客戶(hù)的海量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要對(duì)海量數(shù)據(jù)作有效的管理。使用Oracle 實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)管理的系統(tǒng)架構(gòu)在軟件上主要是分成兩大部分。第一部分叫做Grid Infrastructure，包括了Oracle Clusterware 集群軟件和Oracle ASM（Automatic Storage Management，自動(dòng)存儲(chǔ)管理）軟件。

第二部分叫做Oracle RAC，包括了數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。系統(tǒng)的RAC結(jié)構(gòu)為典型兩節(jié)點(diǎn)RAC 架構(gòu)，Grid Infrastructure 和Oracle軟件安裝在本地磁盤(pán)，而數(shù)據(jù)庫(kù)的物理文件則必須存放在共享存儲(chǔ)上，這是為了讓所有的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例都能訪(fǎng)問(wèn)到相同的數(shù)據(jù)。OCR 和Voting Disk 是Oracle Clusterware 集群軟件在運(yùn)行時(shí)必須讀寫(xiě)的兩個(gè)重要文件，它們也必須存放在共享存儲(chǔ)上。

2 總結(jié)

廣州市需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)采用基于IEC 61970 標(biāo)準(zhǔn)的電力系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)及其CIM 模型，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口的兼容，采用改進(jìn)的面向Web服務(wù)的安全通信模型，針對(duì)廣州開(kāi)發(fā)區(qū)需求側(cè)海量電力信息數(shù)據(jù)的優(yōu)化技術(shù)，利用可視化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)生成的圖像中顯示大量的有用信息表示電力需求側(cè)運(yùn)行狀態(tài)。廣州市需求側(cè)智能電網(wǎng)綜合管理服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用，將提高運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)需求側(cè)運(yùn)行問(wèn)題的速度和管理電力需求側(cè)的效率，滿(mǎn)足需求側(cè)智能電網(wǎng)的信息互動(dòng)要求，并為日后實(shí)現(xiàn)快速需求響應(yīng)提供技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)。

圖4 基于SVG 的圖形交互方式

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