廣州市需求側智能電網(wǎng)綜合管理中的若干關鍵技術

伍偉華,陳廣開,龐建軍,江 迪

（廣州供電局有限公司，510000）

0 引言

近年來，廣州市內(nèi)各類產(chǎn)業(yè)高度發(fā)展，原有的大型制造業(yè)也向著高技術附加值的精密制造模式轉換。越來越多的用戶，諸如鋼鐵、制藥、精密制造和加工行業(yè)等，對電力需求側均提出了更高的要求。面對電力營銷現(xiàn)代化規(guī)劃及加強需求側管理的雙重需求，廣州市從2009 年起啟用大客戶信息服務中心，對區(qū)內(nèi)的用電大戶提供全新的信息互動服務。大客戶信息服務中心的投入使用，為供電部門積累了寶貴的現(xiàn)代化電力營銷經(jīng)驗，也為廣州市的用電大客戶提供了獨特的專享的“一對一”、“一站式”的個性化用電服務項目。

智能電網(wǎng)的突出貢獻就是利用先進的信息技術靈活地整合、調(diào)度需求側資源，實現(xiàn)信息和電能的雙向互動。然而，現(xiàn)有的客戶與供電部門的信息溝通方式在技術上還不能完全滿足智能電網(wǎng)需求側管理與需求側響應的“智能互動”要求。“智能互動”作為需求側智能電網(wǎng)的主要特點和建設目標，包括信息和電能的雙向互動，鼓勵用戶改變傳統(tǒng)的用電方式，積極參與電網(wǎng)運行，根據(jù)電力供求調(diào)整用電模式等內(nèi)容。因此，需求側管理的深入發(fā)展需要引入新的需求側管理方式，研究新的綜合管理服務系統(tǒng)中客戶端智能單元與供電部門之間的通信技術，實現(xiàn)需求側智能電網(wǎng)綜合管理電力客戶與供電部門之間的信息互動平臺。

1 關鍵技術

廣州市需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)將建立適應于廣州市的需求側綜合管理的業(yè)務集群，實現(xiàn)該地區(qū)可行的應用需求側用電管理技術方案和適合該地區(qū)電力客戶特點的可視化管理方式，為用電客戶和供電部門的管理決策提供直觀的圖表和分析數(shù)據(jù)，并設計并實現(xiàn)需求側用電客戶主要是企業(yè)客戶與供電部門之間的分布式服務與互動方式；實現(xiàn)對用電數(shù)據(jù)的安全可靠采集，最終在需求側智能電網(wǎng)的技術框架下，于供電端建立需求側綜合服務管理系統(tǒng)，于客戶端建立電能綜合管理系統(tǒng)（智能用電單元）。

1.1 符合IEC61970 標準的系統(tǒng)接口與CIM 數(shù)據(jù)格式

IEC 第57 技術委員會的第13 工作組在美國EPRI-CCAPI 項目的基礎上制定了IEC61970 系列標準，稱為能量管理系統(tǒng)應用程序接口(EMS-API)。該標準是在公共信息模型的基礎上建立的，它希望通過定義標準應用程序接口，使得應用和系統(tǒng)能夠不依賴于信息的內(nèi)部表示而存取公共數(shù)據(jù)和交換信息。IEC61970標準可以減少廣州市需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)與廣州市其它EMS 系統(tǒng)進行互操作的開發(fā)費用和時間，使廣州市其它EMS 系統(tǒng)在廣州市需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)投入使用后可以有效工作。

圖1 CIM 最高層次包及其依賴關系

圖2 使用CIM 文件實現(xiàn)需求側綜合管理服務的系統(tǒng)接口

CIM 模型是在IEC61970 協(xié)議中，是協(xié)議整體框架的基礎。它是一種描述電力系統(tǒng)所有對象邏輯結構和關系的信息模型，為各應用提供了與平臺無關的統(tǒng)一的電力系統(tǒng)邏輯描述，尤其是在EMS 領域。

CIM 由包組成。包是一種將相關模型元件分組的通用方法，沒有特殊的語義意義。包的選擇是為了使模型更易于設計、理解與查看。公共信息模型由完整的一組包組成。實體可以具有越過許多包邊界的關聯(lián)。每一個應用將使用多個包中所表示的信息。為了方便，整個CIM 劃分為下面幾個包，其中各包在單獨的標準文檔中分組處理。

圖1 展示了IEC61970-301 中定義的CIM 基本包及它們之間的依賴關系。虛線表示依賴關系，箭頭從依賴性包指向它所依賴的包。

如圖2 所示，CIM 文件在系統(tǒng)接口的實現(xiàn)上起到電力數(shù)據(jù)的承載作用，不僅實現(xiàn)了電力客戶的企業(yè)用電智能單元與廣州市需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，達到了需求側智能電網(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 標準作為系統(tǒng)接口的其它EMS/SCADA 系統(tǒng)進入系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)對接。

需要指出的是，在使用CIM 進入數(shù)據(jù)交互前必須對各系統(tǒng)自身進行標準互操作測試，以驗證各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能否能以CIM 的方式正確的生成和解析。另外，由于廣州市需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)進行客戶電力信息計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、實時功率因數(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、以及各類電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，故給定的CIM 文件必須進行擴展定義，以包括以上的需求側用電數(shù)據(jù)。

1.2 需求側數(shù)據(jù)通信安全技術綜述

廣州開發(fā)區(qū)需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)必須確保發(fā)布的基于數(shù)據(jù)通信服務的業(yè)務事務和處理是安全、可靠和可用的，因此安全已成為數(shù)據(jù)通信服務中最重要的問題。從業(yè)務的角度看，要取得并保持電力客戶的信任，并避免數(shù)據(jù)通信服務提供者和消費者面臨的危險，必須保護和保障已公開的服務。要提供Web 服務安全，必須采用基于XML 的安全標準和技術來支持安全服務。安全服務包括認證、授權、信任策略、傳略安全、消息級安全、單點登錄、身份管理和身份認證聯(lián)合。

廣州開發(fā)區(qū)需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)通信采用OSI 七層模型，其中面向Web 服務安全通信實現(xiàn)了Web 服務安全協(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，包括原語和相關數(shù)據(jù)。每層又都依賴于下一層。

OSI 結構中的TCP/IP 表示方法是因特網(wǎng)通信的基礎。數(shù)據(jù)鏈路層和物理層表示主機和網(wǎng)絡之間的鏈路；IP 在網(wǎng)絡層運行；TCP/IP 在傳輸層運行，提供用于傳輸分組的虛電路。應用層、表示層和會話層幫助用戶交換數(shù)據(jù)。Web 服務通信中，在網(wǎng)絡層和傳輸層之間使用安全協(xié)議機制

圖3 OSI 堆棧和Web 服務通信安全

Web 服務解決方案的端到端安全由三個安全層解決的。圖3清晰的說明了這3 個安全層在保護Web 服務通信、消息和網(wǎng)絡基礎設施的安全方面的職責和使用機制。

網(wǎng)絡層安全在IP 層和TCP 層運行，為運行服務的網(wǎng)絡基礎設施提供外圍安全及過濾未經(jīng)授權的入侵者的連接。網(wǎng)絡路由器和防火墻設備使用的是這種解決方案，這種保護措施只能防止基于IP 地址、TCP 端口、協(xié)議和分組的攻擊。

傳輸層安全保護通信，確保通信端點之間傳輸數(shù)據(jù)的保密性、機密性和完整性。它確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和會話不被竊聽。這種解決方案使用加密算法和雙向SSL/TLS 機制，通過加密消息確保通過線路傳輸和數(shù)據(jù)交換的安全性。在傳輸過程中，傳輸層安全還確保數(shù)據(jù)不會被非目標接收者或中間件查看。

消息層安全保護Web 服務端點的安全，這些服務端點以XML元數(shù)據(jù)的方式存儲了應用特定的安全信息。在Web 服務通信中，XML 消息可能包含來自未授予權的第三方的惡意內(nèi)容，這對服務端點構成了威脅。傳統(tǒng)的安全機制(如防火墻和HTTP/SSL)不能檢測XML 內(nèi)容級威脅，這些內(nèi)容可能導致緩沖區(qū)溢出、SQL/QUERY 注入或基于XML 的拒絕服務(X-DoS)。使用消息級安全機制，可以用 XML 元數(shù)據(jù)或 SOAP 報頭塊定義應用或服務特定的安全，這些內(nèi)容包含與用戶身份、認證、授權、加密/解密和數(shù)字簽名相關的信息。

1.3 基于SVG 的可視化管理方式

目前，可視化技術在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。廣州開發(fā)區(qū)需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)可視化利用計算機可視化技術，將用以表示電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)以圖形或圖像方式顯示，可以在計算機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數(shù)據(jù)，給系統(tǒng)運行人員提供更加直觀的操作平臺，極大地提高運行人員發(fā)現(xiàn)需求側運行問題的速度和管理電力需求側的效率。

為實現(xiàn)不同系統(tǒng)、不同電力客戶和供電企業(yè)間的圖形交換， 廣州開發(fā)區(qū)需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)采用了基于SVG的EMS/SCADA 系統(tǒng)間的系統(tǒng)圖和一次接線圖的圖形交互規(guī)則及EMS/SCADA 系統(tǒng)與GIS 系統(tǒng)等其他應用系統(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)應用程序接口）的方針準則及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)存儲之間是一種松耦合的關系，并且容易支持每個對象表示的多樣性、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，同時可以方便地使用SVG瀏覽器。該方式主要針對EMS系統(tǒng)和電力客戶的瀏覽器。

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 實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)管理

面對需求側電力客戶的海量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要對海量數(shù)據(jù)作有效的管理。使用Oracle 實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)管理的系統(tǒng)架構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，自動存儲管理）軟件。

第二部分叫做Oracle RAC，包括了數(shù)據(jù)庫軟件。系統(tǒng)的RAC結構為典型兩節(jié)點RAC 架構，Grid Infrastructure 和Oracle軟件安裝在本地磁盤，而數(shù)據(jù)庫的物理文件則必須存放在共享存儲上，這是為了讓所有的數(shù)據(jù)庫實例都能訪問到相同的數(shù)據(jù)。OCR 和Voting Disk 是Oracle Clusterware 集群軟件在運行時必須讀寫的兩個重要文件，它們也必須存放在共享存儲上。

2 總結

廣州市需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)采用基于IEC 61970 標準的電力系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)訪問服務及其CIM 模型，實現(xiàn)與現(xiàn)有能量管理系統(tǒng)的應用程序接口的兼容，采用改進的面向Web服務的安全通信模型，針對廣州開發(fā)區(qū)需求側海量電力信息數(shù)據(jù)的優(yōu)化技術，利用可視化技術，在計算機生成的圖像中顯示大量的有用信息表示電力需求側運行狀態(tài)。廣州市需求側智能電網(wǎng)綜合管理服務系統(tǒng)的應用，將提高運行人員發(fā)現(xiàn)需求側運行問題的速度和管理電力需求側的效率，滿足需求側智能電網(wǎng)的信息互動要求，并為日后實現(xiàn)快速需求響應提供技術應用基礎。

圖4 基于SVG 的圖形交互方式

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