智能電網(wǎng)互操作成熟度模型

周靜，劉國(guó)軍，胡紫巍，盧利峰，張威

（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209）

1 引言

智能電網(wǎng)的互操作性是指兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)、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(shí)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(wǎng)涉及從發(fā)電到用電的整個(gè)能源體系，它在先進(jìn)的技術(shù)、傳感器及控件中嵌入了智能、主動(dòng)控制和管理及交互能力，因此，高水平的互操作在實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)功能方面是必不可少的。

智能電網(wǎng)涉及運(yùn)營(yíng)方、技術(shù)提供方和監(jiān)管方，它包含不同技術(shù)和業(yè)務(wù)層面的多個(gè)彼此交互的實(shí)體，互操作性是這些實(shí)體通過(guò)共享以預(yù)定的方式共同工作的屬性，包括對(duì)交換數(shù)據(jù)的解釋和使用，也就是技術(shù)和認(rèn)知能力的共享。因此，互操作性必須考慮技術(shù)、社會(huì)、政治和組織結(jié)構(gòu)等因素。盡管互操作有著顯而易見(jiàn)的重要性，但到近年才出現(xiàn)了互操作程度的評(píng)估方法。受美國(guó)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(guó)家電子醫(yī)療執(zhí)行委員會(huì)（NEHTA）在流程改善方面的影響，電網(wǎng)智能化架構(gòu)委員會(huì)（GWAC）開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(xiàng)工作開(kāi)始于2007年，并于2011年12月出版了GWAC互操作成熟度模型的測(cè)試版[3]。本文首先對(duì)智能電網(wǎng)互操作性需求進(jìn)行了分析，闡述了智能電網(wǎng)互操作成熟度模型的主要特點(diǎn)，介紹了GWAC工作組在推進(jìn)互操作成熟度模型 （interoperability maturity model,IMM）方面的工作，并對(duì)智能電網(wǎng)互操作成熟度的評(píng)估和分析流程進(jìn)行了研究和探討。該模型將有效幫助智能電網(wǎng)規(guī)劃的制定者從戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)的維度總體考慮智能電網(wǎng)的互操作性。

2 智能電網(wǎng)互操作成熟度模型結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)的邏輯結(jié)構(gòu)保證智能電網(wǎng)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(gè)層面上的互操作類型和10個(gè)跨領(lǐng)域議題[4]，這8個(gè)層面分為了3個(gè)類別，分別是技術(shù)、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(guān)；技術(shù)類別主要強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)連接與互操作性，信息類別強(qiáng)調(diào)互操作的語(yǔ)義與環(huán)境，組織類別主要強(qiáng)調(diào)互操作事務(wù)的政策和商務(wù)驅(qū)動(dòng)力。10個(gè)跨領(lǐng)域議題也同樣分為了3類：配置和演進(jìn)、操作和性能及保障和安全方面。同時(shí)，模型還提供了二維視圖，展示了這些類別交叉所產(chǎn)生的9個(gè)互操作區(qū)域（IA），如圖2所示。IMM在每個(gè)IA內(nèi)建立目標(biāo)，并在這些領(lǐng)域內(nèi)確定評(píng)估成熟度的指標(biāo)。通過(guò)將具體、可衡量的業(yè)務(wù)和技術(shù)目標(biāo)與IMM相關(guān)聯(lián)的方式來(lái)獲取關(guān)鍵指標(biāo)，由于這些指標(biāo)與成熟度相關(guān)，因此可以用于評(píng)估互操作的成熟度等級(jí)。IMM適用于智能電網(wǎng)各個(gè)互操作領(lǐng)域，通過(guò)確定互操作成熟度評(píng)估的多重指標(biāo)，就可以為一個(gè)特定的互操作領(lǐng)域創(chuàng)建一個(gè)整體的互操作成熟度框架。IMM為框架的每個(gè)等級(jí)制定了高層次的目標(biāo)，在IMM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，這些目標(biāo)相互交叉，因此還需要?jiǎng)?chuàng)建更詳細(xì)的表述來(lái)描述這些交叉目標(biāo)。

互操作成熟度模型可促進(jìn)與改善電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備與系統(tǒng)的集成與維護(hù)，此外，該模型還可用于互操作成熟度的自評(píng)估，為提高互操作性提供改進(jìn)依據(jù)。

圖2 簡(jiǎn)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(zhǔn)的一系列特征演進(jìn)的測(cè)試和評(píng)估的方法，這些基準(zhǔn)通常代表最佳實(shí)踐案例，該基準(zhǔn)下的一系列演進(jìn)的屬性、特征、模式或?qū)嵺`被看作評(píng)估的基礎(chǔ)。

在20世紀(jì)80年代末和90年代初，美國(guó)軟件工程研究所開(kāi)發(fā)出了能力成熟度模型（CMM），可以看作軟件開(kāi)發(fā)捕獲過(guò)程中的最好實(shí)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(kāi)發(fā)過(guò)程中使用不在一個(gè)組織內(nèi)集成的多個(gè)模型時(shí)帶來(lái)的冗余和混亂等問(wèn)題[5]。

一般成熟度模型可以分為3種類型：漸進(jìn)成熟度模型，它是指一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)展或者一個(gè)屬性、特點(diǎn)、模式或?qū)嵺`等的擴(kuò)展，這些高于成熟度等級(jí)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(chǎn)品供應(yīng)等公司自己開(kāi)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(diǎn)、模式和實(shí)踐等的組織能力，它不僅衡量執(zhí)行任務(wù)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(guò)用能力成熟度模型的能力屬性覆蓋漸進(jìn)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(jí)間的過(guò)渡，但在結(jié)構(gòu)上卻使用了漸進(jìn)模型中的屬性、特征、模式和實(shí)踐等元素，除了從評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐的角度去評(píng)估成熟度之外，這種方法在用于某個(gè)特定的主題領(lǐng)域時(shí)也是非常有用的。

智能電網(wǎng)成熟度模型（smart grid maturity model，SGMM）是一個(gè)漸進(jìn)模型的例子，用于指導(dǎo)智能電網(wǎng)發(fā)展和評(píng)估其發(fā)展階段的模型和體系。該模型從8個(gè)維度來(lái)評(píng)估智能電網(wǎng)的發(fā)展，包括智能電網(wǎng)的策略、組織、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境、電網(wǎng)運(yùn)行、人員與資產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)鏈整合、用戶體驗(yàn)與管理，該模型將智能電網(wǎng)的發(fā)展分為5個(gè)階段。它是企業(yè)規(guī)劃智能電網(wǎng)的管理工具，電力企業(yè)可以使用SGMM評(píng)估智能電網(wǎng)的當(dāng)前狀態(tài)，找出差距和需要提高的方面，指導(dǎo)制定明確的業(yè)務(wù)模型和規(guī)劃，制定下階段的發(fā)展路徑和未來(lái)目標(biāo)。CMMI是一個(gè)能力成熟度模型的例子，幫助軟件企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的不斷管理和改進(jìn)以及改進(jìn)過(guò)程的制度化問(wèn)題。而IMM則主要激勵(lì)跨組織互操作的成熟度，著重交互的自動(dòng)化系統(tǒng)之間的接口問(wèn)題，IMM主要應(yīng)用于一個(gè)多組織的系統(tǒng)中，而不是應(yīng)用在某個(gè)單一的組織中，它體現(xiàn)的是互操作的特征、模式和實(shí)踐，而并非具備更廣泛特征的組織能力，因此，IMM是一個(gè)混合成熟度模型的例子。

4 IMM在實(shí)際項(xiàng)目中的試驗(yàn)

當(dāng)前IMM的測(cè)試版本已應(yīng)用到了智能電網(wǎng)中，每個(gè)接口和利益相關(guān)方將會(huì)不同程度地對(duì)IMM進(jìn)行測(cè)試，IMM工作組成員將會(huì)收集這兩方面試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)，在試驗(yàn)中測(cè)試IMM的流程主要包括以下幾步。

（1）確定目標(biāo)

確定組件間要應(yīng)用IMM的接口。

（2）確定域

確定目標(biāo)接口區(qū)域中具有目標(biāo)一致的相關(guān)方。

（3）確定目標(biāo)

使用IMM，確定應(yīng)用于目標(biāo)接口的互操作領(lǐng)域的目標(biāo)和相關(guān)指標(biāo)。

（4）確定實(shí)踐

收集依據(jù)、描述流程和與接口相關(guān)的支撐互操作領(lǐng)域目標(biāo)的工件。

（5）評(píng)估

使用IMM評(píng)估工具去評(píng)估收集的依據(jù)和確定的互操作成熟度等級(jí)，關(guān)注優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題。

（6）建議改進(jìn)

審核評(píng)估過(guò)程，開(kāi)發(fā)一套完善的建議來(lái)改善模型，并提出改善評(píng)估工具的建議。

2011年末，IMM工作組將IMM測(cè)試版應(yīng)用到了美國(guó)能源部在太平洋西北地區(qū)的智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中確定的目標(biāo)接口是交互控制接口，該接口在相關(guān)方之間傳輸能源消耗和預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)信息，此次評(píng)估過(guò)程主要依賴于項(xiàng)目成員對(duì)該接口開(kāi)發(fā)的熟悉性，而該次IMM試驗(yàn)的目標(biāo)是測(cè)試IMM評(píng)估的基本過(guò)程，評(píng)估該試驗(yàn)的目標(biāo)描述和指標(biāo)的適用性，選擇與該項(xiàng)目相關(guān)的目標(biāo)表述，制定細(xì)化評(píng)估的步驟，為評(píng)估過(guò)程和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)IMM提供見(jiàn)解和指導(dǎo)。

初步評(píng)估工作確定了IMM的一些不足，并提出了改善建議。IMM并沒(méi)有確定目標(biāo)描述成熟度得分是如何計(jì)算的，也沒(méi)有明確具體要訪問(wèn)的對(duì)象。這些問(wèn)題將通過(guò)開(kāi)發(fā)IMM評(píng)估指導(dǎo)來(lái)解決，并對(duì)評(píng)估過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，完善IMM。針對(duì)主管級(jí)別的決策層需要用文件來(lái)說(shuō)明IMM的目標(biāo)、潛在優(yōu)勢(shì)以及它的評(píng)估過(guò)程，需以可操作的形式向運(yùn)行人員總結(jié)和呈現(xiàn)結(jié)果。

IMM的另外一次試驗(yàn)是在2012年6月，應(yīng)用在美國(guó)能源部另一個(gè)智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目中。通過(guò)用戶信息系統(tǒng)（CIS）與計(jì)量前端系統(tǒng)（MHE）進(jìn)行交互來(lái)采集遠(yuǎn)程電表的讀數(shù)，然后計(jì)量前端系統(tǒng)將數(shù)據(jù)反饋給用戶信息系統(tǒng)，這只是一個(gè)復(fù)雜的CIS-MHE接口的一部分，而該接口作為一個(gè)簡(jiǎn)單的集成區(qū)域?qū)MM進(jìn)行測(cè)試。

此次評(píng)估使用了IMM目標(biāo)和指標(biāo)描述的完整列表，該試驗(yàn)得到了以下結(jié)論：選擇的接口對(duì)于美國(guó)俄亥俄州電力公司而言是個(gè)內(nèi)部接口，這樣的試驗(yàn)側(cè)重于企業(yè)集成方面，而不是多個(gè)利益相關(guān)方之間的組件互操作問(wèn)題，它應(yīng)用在這方面可以幫助闡明一些企業(yè)集成問(wèn)題。IMM在項(xiàng)目層面辨識(shí)成熟度，當(dāng)應(yīng)用在集成方面的時(shí)候，它跳轉(zhuǎn)到了成熟度的更高層面。但作為一個(gè)混合模型，它無(wú)法支持一個(gè)企業(yè)內(nèi)的多個(gè)項(xiàng)目。術(shù)語(yǔ)“業(yè)務(wù)流程”應(yīng)用在IMM中用來(lái)說(shuō)明任何流程交互，當(dāng)這些流程在IMM中沒(méi)有區(qū)別的時(shí)候，IMM的使用者在技術(shù)流程中區(qū)分一個(gè)業(yè)務(wù)流程時(shí)會(huì)比較困難。雖然在IMM中有大量關(guān)于接口測(cè)試的說(shuō)明，但卻沒(méi)有細(xì)節(jié)描述，這也是需要改進(jìn)的一點(diǎn)，該模型未來(lái)的版本應(yīng)該體現(xiàn)出在細(xì)節(jié)方面的加強(qiáng)。

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(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信息模型，消息的語(yǔ)法與計(jì)量信息的交換有關(guān)。由于實(shí)踐的結(jié)果會(huì)被反饋到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織，以便于推出未來(lái)版本的標(biāo)準(zhǔn)，因此該模型也非常有必要隨之改進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

早期試驗(yàn)表明，IMM還有許多方面需要改進(jìn)，由于每個(gè)接口和系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題，因此IMM在解決多樣性問(wèn)題方面還需進(jìn)一步的完善和改進(jìn)。對(duì)于多目標(biāo)評(píng)估，例如需要考慮用有限的資源優(yōu)先去解決首要問(wèn)題時(shí)，還可能需要?jiǎng)?chuàng)建新的工具。

智能電網(wǎng)需要多方面的成熟度模型以解決不同領(lǐng)域的問(wèn)題，這包括用以指導(dǎo)和支持在智能電網(wǎng)方面的努力和投資的智能電網(wǎng)成熟度模型，同時(shí)還有網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行協(xié)調(diào)，以保證它們之間的互補(bǔ)性。

[1]候義明,于輝.IEEE P2030儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的互操作架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].電器與能效管理技術(shù),2014(19):68-73.

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[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(guān)于從能力成熟度模型(CMMs)向能力成熟度模型集成(CMMI)轉(zhuǎn)換的探討[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2002(7):29-35.

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