適合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61970 和 IEC 61968 的智能樓宇能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁心怡，邵崢達(dá)，陳 博，曾 真，高非池，趙艷敏（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司， 上海 200051）

1 背景概述

1.1 智能樓宇能源管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的趨勢(shì)下，公共建筑（大型商場(chǎng)、酒店、辦公樓、賓館等）的能源消耗問(wèn)題日益顯現(xiàn)。公共建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的用能占據(jù)了建筑整體能耗的絕大部分。

智能樓宇能源管理系統(tǒng)的建設(shè)目的是實(shí)現(xiàn)新建公共建筑的節(jié)能降耗，其主要功能是通過(guò)建筑能耗模型的建立，對(duì)建筑樓宇、用能系統(tǒng)設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，挖掘建筑節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)建筑用能系統(tǒng)高效運(yùn)行。

1.2 IEC 61970 和 61968 應(yīng)用情況

隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）的第 57 技術(shù)委員會(huì)（IEC TC 57）為了解決建筑電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的集成共享問(wèn)題，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括電力標(biāo)準(zhǔn) IEC 61970 和 IEC 61968。通過(guò)電力系統(tǒng)信息模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享，實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的獲取、分析和動(dòng)態(tài)調(diào)控管理。

1.3 目 標(biāo)

本文將提出一系列思路，即通過(guò)借鑒 IEC 61970 與 IEC 61968 標(biāo)準(zhǔn)，以及電力系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為智能樓宇能源管理系統(tǒng)提出一系列設(shè)計(jì)規(guī)范，為此類系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施提供依據(jù)。

2 應(yīng)用 IEC 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)智能樓宇能源管理系統(tǒng)

2.1 智能樓宇能源管理系統(tǒng)功能分析

通過(guò)對(duì)當(dāng)前各類智能樓宇能源管理系統(tǒng)的調(diào)研，總結(jié)其主要功能，具體有如下幾個(gè)方面。

（1）樓宇整體用能監(jiān)測(cè)：對(duì)建筑分類、分項(xiàng)、分區(qū)域能源數(shù)據(jù)并且逐時(shí)、逐日、逐月能耗趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）設(shè)備用能監(jiān)測(cè)：對(duì)建筑主要用能系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)用能負(fù)荷和運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

（3）建筑配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)：對(duì)建筑配電系統(tǒng)的線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

電力需求響應(yīng)雙向互動(dòng)，分布式新能源控制。

（1）綜合指標(biāo)分析：對(duì)各建筑區(qū)域能耗數(shù)據(jù)、用能趨勢(shì)、能耗費(fèi)用進(jìn)行同比、環(huán)比分析，并以圖、表、曲線的方式進(jìn)行展示。

（2）設(shè)備耗能分析：通過(guò)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行效率進(jìn)行分析。

（3）能效對(duì)標(biāo)分析：對(duì)建筑用能系統(tǒng)建立對(duì)標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以曲線、圖表等多種方式進(jìn)行建筑能源使用單耗分析。

（4）高級(jí)分析：通過(guò)大數(shù)據(jù)智能計(jì)算，對(duì)建筑能源使用負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，方便用戶對(duì)當(dāng)前發(fā)電、用電的趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掌握，進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)供需匹配，輔助用戶實(shí)現(xiàn)能源調(diào)度策略。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，該類系統(tǒng)大量業(yè)務(wù)功能與電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)有重疊，IEC 61970、61968 中的公共信息模型（CIM）能夠描述這些功能涉及的信息模型。

2.2 應(yīng)用公共信息模型

IEC 61970 與 IEC 61968 標(biāo)準(zhǔn)中，已定義了大量規(guī)范的CIM，根據(jù)對(duì)智能樓宇能源管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)的研究，可以發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的以下信息模型。

2.2.1 電力用戶檔案管理

IEC 61968 中的 Customers（用戶檔案包） 包含了對(duì)電力用戶相關(guān)信息的管理功能，能描述用戶戶號(hào)、電價(jià)組成、賬單明細(xì)等信息，可為智能樓宇能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶電費(fèi)管理提供借鑒。

2.2.2 抄表管理

IEC 61968 中的 Metering （測(cè)量包）包含了完整的電能表抄表管理功能，對(duì)智能樓宇能源管理系統(tǒng)分項(xiàng)計(jì)量有借鑒作用。

2.2.3 用戶電力設(shè)備拓?fù)涔芾?/p>

IEC 61970 中的 Topology （拓?fù)浒┠苊枋鲋悄軜怯顑?nèi)部電力設(shè)備的拓?fù)潢P(guān)系，能實(shí)現(xiàn)智能樓宇的變配電設(shè)備監(jiān)控、電源追溯能力。

2.2.4 用戶電力設(shè)備管理

IEC 61970 中的 Wires （電網(wǎng)包）是對(duì)建模輸電和配電網(wǎng)絡(luò)的電氣特性的信息的 Core 和 Topology 包的擴(kuò)展，描述了高壓輸電網(wǎng)、中壓輸電網(wǎng)、變電站、配電饋線設(shè)備以及其相互間如何連接的定義。這部分信息能用于智能樓宇電力設(shè)備的狀態(tài)管理、安全分析等網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用。

2.3 應(yīng)用 IEC 61970 組件接口規(guī)范

IEC 61970 組件接口規(guī)范是 （CIS） 在 OMG 和 OPC 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上編制出來(lái)的公共通用服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。組件接口體系如圖 1 所示。圖 1 用圖形的方式說(shuō)明定義的每一部分和底層OMG 與 OPC 標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。每一部分包括了整個(gè)通用服務(wù)的一個(gè)不可再細(xì)化的子集。雖然任何具體組件使用哪部分的服務(wù)是設(shè)計(jì)選擇問(wèn)題，但是遵循這個(gè)技術(shù)規(guī)范就需要完全實(shí)現(xiàn)將來(lái)的公共服務(wù)，加上一個(gè)或多個(gè)其他部分規(guī)定的服務(wù)。

圖1 組件接口體系圖

2.4 IEC 61968 消息適配器

IEC 61968 的消息適配器對(duì)企業(yè)應(yīng)用軟件基礎(chǔ)架構(gòu)的要求是，應(yīng)有一個(gè)邏輯的信息交換模型（IEM）。其實(shí)現(xiàn)在物理上可以是分布式的，允許以公開(kāi)的可訪問(wèn)的方式進(jìn)行組件間的信息交換。消息類型有效的內(nèi)容可以通過(guò)以下幾種方式來(lái)定義。

（1）對(duì)一個(gè) XML 模式定義的復(fù)雜類型的強(qiáng)類型引用。

（2）對(duì) XML:any 聲明的無(wú)類型引用。接收消息的應(yīng)用程序?qū)⒗孟㈩^中的名詞來(lái)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行解碼。

（3）編碼的 XML 字符串，其中的數(shù)據(jù)可能遵從一個(gè)XML 模式（由消息頭中的名詞指定）或者一個(gè) RDF 模式。

IEC 61968 系列標(biāo)準(zhǔn)中的消息類型是指定了必需和可選元素的消息模式，同時(shí)還指定了元素之間導(dǎo)航關(guān)系。所有的元素和導(dǎo)航連接分別對(duì)應(yīng) CIM 中定義的類和關(guān)聯(lián)。CIM 類屬性以及其數(shù)據(jù)類型和定義見(jiàn) IEC 61968-11 和 IEC 161970-301 部分定義。

2.5 參考架構(gòu)

架構(gòu)是系統(tǒng)的基本組織，建立企業(yè)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該由一個(gè)架構(gòu)框架支持。一個(gè)架構(gòu)框架是基于多個(gè)實(shí)施的一個(gè)抽象，并成為一套工具（如模式建模和管理工具，或用來(lái)邏輯和物理數(shù)據(jù)建模的工具）。這些工具使用特定領(lǐng)域的分類、方法、準(zhǔn)則和最佳做法，并融入一些重要方面，如標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章。

參考架構(gòu)封裝在一個(gè)抽象的層面，其結(jié)果和最佳實(shí)踐從給定業(yè)務(wù)問(wèn)題的多個(gè)部署解決方案中得到，要求建立完整系統(tǒng)任務(wù)形成邏輯順序。參考架構(gòu)提供了一個(gè)共同的格式，有利于方式一致的解決方案的反復(fù)設(shè)計(jì)和部署。因此，其對(duì) IT架構(gòu)師是一個(gè)有價(jià)值的工具，以下是參考架構(gòu)的關(guān)鍵特點(diǎn)。

（1）主要基礎(chǔ)部件或構(gòu)件—幫助描述端對(duì)端的架構(gòu)解決方案。

（2）公用語(yǔ)言—簡(jiǎn)化了說(shuō)到給定系統(tǒng)類型時(shí)的溝通交流。

（3）框架—一個(gè)用來(lái)范圍確定、路線圖定義、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和差距評(píng)估的框架。

（4）基礎(chǔ)—被證實(shí)的基礎(chǔ)，可以用在一個(gè)領(lǐng)域的所有解決方案設(shè)計(jì)中。

該參考架構(gòu)框架概括并總結(jié)了具有重大意義的架構(gòu)需求，并為項(xiàng)目工程師提供了一個(gè)與技術(shù)無(wú)關(guān)的架構(gòu)體系。

2.6 應(yīng)用案例

項(xiàng)目組的主要工作成果是定義了參考架構(gòu)框架（Reference Architecture Framework），一個(gè)面向電力行業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施需求的架構(gòu)框架。該框架包括以下方面。

（1）電力行業(yè)的業(yè)務(wù)需求，如電力系統(tǒng)運(yùn)行功能的獲取以及對(duì)電力系統(tǒng)環(huán)境加以分類。

（2）基于分布式信息的高層概念的策略視圖。

（3）基于公共服務(wù)、信息模型和接口的與具體技術(shù)無(wú)關(guān)的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)途徑。

（4）能夠用于電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)以及最優(yōu)實(shí)踐。

智能樓宇能源管理系統(tǒng)使用 CIM 設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)持久層，并通過(guò) IEC 61970 的組件接口實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)，通過(guò) IEC 61968 實(shí)現(xiàn)了與企業(yè)內(nèi)部其他系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成。

3 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用 IEC 61970、IEC 61968 能夠?yàn)橹悄軜怯钅茉垂芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有力的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，當(dāng)前流行的OPENADR、EI 和 SEP 2.0 等需求側(cè)與電網(wǎng)的接口標(biāo)準(zhǔn)都傳承自這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)用 IEC 61970、61968 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的智能樓宇能源管理系統(tǒng)能具備優(yōu)秀的業(yè)務(wù)擴(kuò)展能力。