广州市需求侧智能电网综合管理中的若干关键技术

2014-04-14伍伟华陈广开庞建军

电子测试 2014年8期

伍伟华,陈广开,庞建军,江迪

（广州供电局有限公司，510000）

0 引言

近年来，广州市内各类产业高度发展，原有的大型制造业也向着高技术附加值的精密制造模式转换。越来越多的用户，诸如钢铁、制药、精密制造和加工行业等，对电力需求侧均提出了更高的要求。面对电力营销现代化规划及加强需求侧管理的双重需求，广州市从2009 年起启用大客户信息服务中心，对区内的用电大户提供全新的信息互动服务。大客户信息服务中心的投入使用，为供电部门积累了宝贵的现代化电力营销经验，也为广州市的用电大客户提供了独特的专享的“一对一”、“一站式”的个性化用电服务项目。

智能电网的突出贡献就是利用先进的信息技术灵活地整合、调度需求侧资源，实现信息和电能的双向互动。然而，现有的客户与供电部门的信息沟通方式在技术上还不能完全满足智能电网需求侧管理与需求侧响应的“智能互动”要求。“智能互动”作为需求侧智能电网的主要特点和建设目标，包括信息和电能的双向互动，鼓励用户改变传统的用电方式，积极参与电网运行，根据电力供求调整用电模式等内容。因此，需求侧管理的深入发展需要引入新的需求侧管理方式，研究新的综合管理服务系统中客户端智能单元与供电部门之间的通信技术，实现需求侧智能电网综合管理电力客户与供电部门之间的信息互动平台。

1 关键技术

广州市需求侧智能电网综合管理服务系统将建立适应于广州市的需求侧综合管理的业务集群，实现该地区可行的应用需求侧用电管理技术方案和适合该地区电力客户特点的可视化管理方式，为用电客户和供电部门的管理决策提供直观的图表和分析数据，并设计并实现需求侧用电客户主要是企业客户与供电部门之间的分布式服务与互动方式；实现对用电数据的安全可靠采集，最终在需求侧智能电网的技术框架下，于供电端建立需求侧综合服务管理系统，于客户端建立电能综合管理系统（智能用电单元）。

1.1 符合IEC61970 标准的系统接口与CIM 数据格式

IEC 第57 技术委员会的第13 工作组在美国EPRI-CCAPI 项目的基础上制定了IEC61970 系列标准，称为能量管理系统应用程序接口(EMS-API)。该标准是在公共信息模型的基础上建立的，它希望通过定义标准应用程序接口，使得应用和系统能够不依赖于信息的内部表示而存取公共数据和交换信息。IEC61970标准可以减少广州市需求侧智能电网综合管理服务系统与广州市其它EMS 系统进行互操作的开发费用和时间，使广州市其它EMS 系统在广州市需求侧智能电网综合管理服务系统投入使用后可以有效工作。

图1 CIM 最高层次包及其依赖关系

图2 使用CIM 文件实现需求侧综合管理服务的系统接口

CIM 模型是在IEC61970 协议中，是协议整体框架的基础。它是一种描述电力系统所有对象逻辑结构和关系的信息模型，为各应用提供了与平台无关的统一的电力系统逻辑描述，尤其是在EMS 领域。

CIM 由包组成。包是一种将相关模型元件分组的通用方法，没有特殊的语义意义。包的选择是为了使模型更易于设计、理解与查看。公共信息模型由完整的一组包组成。实体可以具有越过许多包边界的关联。每一个应用将使用多个包中所表示的信息。为了方便，整个CIM 划分为下面几个包，其中各包在单独的标准文档中分组处理。

图1 展示了IEC61970-301 中定义的CIM 基本包及它们之间的依赖关系。虚线表示依赖关系，箭头从依赖性包指向它所依赖的包。

如图2 所示，CIM 文件在系统接口的实现上起到电力数据的承载作用，不仅实现了电力客户的企业用电智能单元与广州市需求侧智能电网综合管理服务系统之间的数据交互，达到了需求侧智能电网供电和用电双方的信息互通，还可以与广州市现有的使用IEC61970 标准作为系统接口的其它EMS/SCADA 系统进入系统级的数据对接。

需要指出的是，在使用CIM 进入数据交互前必须对各系统自身进行标准互操作测试，以验证各系统的数据能否能以CIM 的方式正确的生成和解析。另外，由于广州市需求侧智能电网综合管理服务系统进行客户电力信息计算需要使用各相电压、电流、各相及三相有功功率与电度、三相有功功率与电度、实时功率因数与基波功率因数、各相各次电压谐波含有率和电流谐波均方根值、以及各类电能质量数据，故给定的CIM 文件必须进行扩展定义，以包括以上的需求侧用电数据。

1.2 需求侧数据通信安全技术综述

广州开发区需求侧智能电网综合管理服务系统必须确保发布的基于数据通信服务的业务事务和处理是安全、可靠和可用的，因此安全已成为数据通信服务中最重要的问题。从业务的角度看，要取得并保持电力客户的信任，并避免数据通信服务提供者和消费者面临的危险，必须保护和保障已公开的服务。要提供Web 服务安全，必须采用基于XML 的安全标准和技术来支持安全服务。安全服务包括认证、授权、信任策略、传略安全、消息级安全、单点登录、身份管理和身份认证联合。

广州开发区需求侧智能电网综合管理服务系统通信采用OSI 七层模型，其中面向Web 服务安全通信实现了Web 服务安全协议、安全层。为了便于数据通信，OSI 栈共分为7 层。每层为上一层提供服务，包括原语和相关数据。每层又都依赖于下一层。

OSI 结构中的TCP/IP 表示方法是因特网通信的基础。数据链路层和物理层表示主机和网络之间的链路；IP 在网络层运行；TCP/IP 在传输层运行，提供用于传输分组的虚电路。应用层、表示层和会话层帮助用户交换数据。Web 服务通信中，在网络层和传输层之间使用安全协议机制

图3 OSI 堆栈和Web 服务通信安全

Web 服务解决方案的端到端安全由三个安全层解决的。图3清晰的说明了这3 个安全层在保护Web 服务通信、消息和网络基础设施的安全方面的职责和使用机制。

网络层安全在IP 层和TCP 层运行，为运行服务的网络基础设施提供外围安全及过滤未经授权的入侵者的连接。网络路由器和防火墙设备使用的是这种解决方案，这种保护措施只能防止基于IP 地址、TCP 端口、协议和分组的攻击。

传输层安全保护通信，确保通信端点之间传输数据的保密性、机密性和完整性。它确保传输的数据和会话不被窃听。这种解决方案使用加密算法和双向SSL/TLS 机制，通过加密消息确保通过线路传输和数据交换的安全性。在传输过程中，传输层安全还确保数据不会被非目标接收者或中间件查看。

消息层安全保护Web 服务端点的安全，这些服务端点以XML元数据的方式存储了应用特定的安全信息。在Web 服务通信中，XML 消息可能包含来自未授予权的第三方的恶意内容，这对服务端点构成了威胁。传统的安全机制(如防火墙和HTTP/SSL)不能检测XML 内容级威胁，这些内容可能导致缓冲区溢出、SQL/QUERY 注入或基于XML 的拒绝服务(X-DoS)。使用消息级安全机制，可以用 XML 元数据或 SOAP 报头块定义应用或服务特定的安全，这些内容包含与用户身份、认证、授权、加密/解密和数字签名相关的信息。

1.3 基于SVG 的可视化管理方式

目前，可视化技术在电力系统中得到了广泛的应用。广州开发区需求侧智能电网综合管理服务系统可视化利用计算机可视化技术，将用以表示电力系统运行状态的各种数据以图形或图像方式显示，可以在计算机生成的图像中显示大量的有用信息，帮助系统人员更有效的处理和分析纷繁的需求侧数据，给系统运行人员提供更加直观的操作平台，极大地提高运行人员发现需求侧运行问题的速度和管理电力需求侧的效率。

为实现不同系统、不同电力客户和供电企业间的图形交换，广州开发区需求侧智能电网综合管理服务系统采用了基于SVG的EMS/SCADA 系统间的系统图和一次接线图的图形交互规则及EMS/SCADA 系统与GIS 系统等其他应用系统的图形交互规则-公共图形交互要求与EMS-API（能量管理系统应用程序接口）的方针准则及IEC61970 通用要求相一致。

以图形为中心的交互方式中，可视化与数据存储之间是一种松耦合的关系，并且容易支持每个对象表示的多样性、容易支持图表中的背景数据、容易将图形集成到图表中，同时可以方便地使用SVG浏览器。该方式主要针对EMS系统和电力客户的浏览器。

以图形为中心的交互方式互操作的流程如下图4 所示。

1.4 使用Oracle 实现海量数据管理

面对需求侧电力客户的海量数据，系统需要对海量数据作有效的管理。使用Oracle 实现海量数据管理的系统架构在软件上主要是分成两大部分。第一部分叫做Grid Infrastructure，包括了Oracle Clusterware 集群软件和Oracle ASM（Automatic Storage Management，自动存储管理）软件。

第二部分叫做Oracle RAC，包括了数据库软件。系统的RAC结构为典型两节点RAC 架构，Grid Infrastructure 和Oracle软件安装在本地磁盘，而数据库的物理文件则必须存放在共享存储上，这是为了让所有的数据库实例都能访问到相同的数据。OCR 和Voting Disk 是Oracle Clusterware 集群软件在运行时必须读写的两个重要文件，它们也必须存放在共享存储上。

2 总结

广州市需求侧智能电网综合管理服务系统采用基于IEC 61970 标准的电力系统高速数据访问服务及其CIM 模型，实现与现有能量管理系统的应用程序接口的兼容，采用改进的面向Web服务的安全通信模型，针对广州开发区需求侧海量电力信息数据的优化技术，利用可视化技术，在计算机生成的图像中显示大量的有用信息表示电力需求侧运行状态。广州市需求侧智能电网综合管理服务系统的应用，将提高运行人员发现需求侧运行问题的速度和管理电力需求侧的效率，满足需求侧智能电网的信息互动要求，并为日后实现快速需求响应提供技术应用基础。