智能配用电信息交互的典型模式

刘禹，陈星莺，杨永标，朱红，余昆

(1.河海大学能源与电气学院，南京市 211100；2.南瑞科技股份有限公司，南京市 210061； 3.国网南京供电公司，南京市 210019)



智能配用电信息交互的典型模式

刘禹1，陈星莺1，杨永标2，朱红3，余昆1

(1.河海大学能源与电气学院，南京市 211100；2.南瑞科技股份有限公司，南京市 210061； 3.国网南京供电公司，南京市 210019)

鉴于多样化业务需求的不断增多，建立与业务需求和系统特征相适应的信息交互模式是实现智能配用电的关键。在分析智能配用电业务需求和系统架构的基础上，提出集成式和一体化这2种典型的智能配用电信息交互方式及相应的部署方式；针对智能配用电的物理通信需求，形成智能配用电通信方式组合方案；结合电力系统信息安全要求，提炼二次系统安全防护体系。通过剖析业务需求、系统架构、信息交互方式及部署方式、物理通信方案和安全防护体系等几个方面情况，建立智能配用电信息交互典型模式。该模式已应用于智能配电网优化调度等实际工程之中。

智能配用电；信息交互模式；通信方式；信息安全防护体系

0 引 言

配用电环节位于电力系统末端，直接与电力消费者相连，在智能电网理论研究和实践过程中，灵活、高效、互动的智能配用电成为分布式清洁能源消纳、需求侧资源利用、用电效益提升的重要技术手段，是智能电网建设的重要组成部分。智能配用电涉及运行、检修、营销等多重业务，包括监控、通信、互动等多种功能[1]，需要满足灵活、高效、安全等多样化约束，不同业务和应用来源于相对独立、弱耦合的不同系统平台，由于各系统通信传输规约和信息交互方式存在较大差异[2]，使得不同业务和功能之间难以实现联动，增加了智能配用电整体实现的难度。因此，研究智能配用电信息交互模式具有十分重要的意义。

目前，学者已开始对配用电各系统之间的信息交互开展研究[3-9]。主要探讨了通信系统向网络化和标准化发展的趋势，通过统一接口标准、统一基础网络协议规范、采用分组传送技术、实现多业务融合传输等方式，达到简化基础设施复杂性、降低系统设计难度、提高业务终端信息交互兼容性等目的。但还未能从智能配用电应用系统架构出发，考虑分布式电源、电动汽车充换电设施等智能电网新元素，建立体系化的智能配用电信息交互模式。

本文针对上述情况，在梳理智能配用电业务需求基础上，基于配用电信息系统部署的现状，提出智能配用电的集成式信息交互方式，基于未来配用电信息流的发展趋势，提出智能配用电的一体化信息交互方式，并从信息交互系统的部署方式、数据采集方式、存储方式、接口方式等方面进行对比分析；分析智能配用电通信方式组合方案，为信息交互提供物理支撑；结合现有电力二次系统安全防护导则和智能配用电信息安全需求，提炼智能配用电二次系统安全防护体系。本文提出信息交互模式已应用于南京智能配电网优化调度示范工程等实际项目，实现了智能配电网中各类信息的优化集成、有效交互与高效利用。

1 智能配用电业务需求与系统架构分析

配用电系统的运营过程一般涉及运行、检修和营销3个方面。从传统配用电系统发展到智能配用电系统，在业务层面需要增加对分布式电源/储能装置/微电网、电动汽车充换电设施等新元素的监控管理，以及用电能效分析、营销辅助决策、定制电力、用电增值服务等业务，具体如图1所示。这些新元素的加入和新需求的生成，使智能配用电在系统架构上的复杂性和异构性大大增加。

在运行方面，要求进行分层统一调度决策，通过建立地县一体化的SCADA/EMS/DMS，共享数据、技术和设备资源，建立省地县一体化DMIS/OMS与PMS/GIS集成应用，支撑日常调度管理和生产管理，同时实现与SG186企业信息数据平台的信息交换和共享。在检修方面，遵循IEC61968标准建立配用电抢修指挥平台，通过与EMS/DMS、PMS、GIS、CIS、客服系统、用电信息采集终端、移动作业终端集成，实现快速故障定位、派工管理和停电状态下的用户服务。在营销方面，建立智能用电技术支持平台，以SG186营销系统为依托，构建包括用电信息采集系统、电力营销辅助分析决策与管理系统、客户用电能效管理系统等多样化的营销高级应用系统。

相对于传统配用电环节，智能配用电大幅扩展了业务对象和范围，部门间孤立的计算机应用系统难以支撑配用电高度融合的业务发展需要[10]。智能配用电的业务需求与数据来源各异[11]，在各项业务间彼此交织且各有侧重，具有多样性、异构性、互动性和替代性的特征，使得智能配用电系统需采用功能兼容、数据集成、互动方便且高度安全的信息交互模式，这也是智能配用电整体实现的关键环节。

2 智能配用电的典型信息交互方式

以实现智能配用电中各个子业务间信息共享为目标，本文提出2种典型信息交互方式：以现状配用电系统为基础提出智能配用电的集成式信息交互方式；以消除配用电系统中各类信息数据的异构性为目标，提出智能配用电的一体化信息交互方式。

2.1 集成式信息交互方式

为充分利用现有资源、较快满足新业务需求，可通过集成式信息交互实现智能配用电。该方式基于当前配用电信息系统的数据采集装置部署，以配用电统一数据模型和交互模型为支撑，由各应用系统分别基于自身的采集装置进行数据采集，然后在各系统间按统一标准建立接口，基于接口完成数据融合和信息共享。根据接口类型不同，分为数据中心式和信息总线式2种集成方式。

2.1.1 数据中心式集成方式

数据中心式集成方式基于统一的企业级数据仓库实现信息集成。各业务系统基于原有的信息采集装置分别采集本系统所需基础数据并预处理，然后将数据统一聚集到大型数据库中，建立统一的企业级数据仓库[12]，各类系统和应用均可根据需要从数据仓库中抽取数据。该方式的特点是建立统一的数据仓库作为各类数据交互接口，形成大数据中心。

数据中心式集成系统由数据源层、数据登台服务层、数据仓库存储层构成。数据源层包括SCADA/EMS/DMS、DMIS和GIS等应用系统、外部数据与历史数据(如气象数据、电力营销数据、银行代理数据等)；数据登台服务层作为存储区，装载多类数据表，为输出数据到仓库做准备；数据仓库是整个数据中心的顶层，建立过程是对整个数据环境的重构，通过将多个异构数据库的数据集成到一起，对数据间的关联模式进行整合，使数据由面向业务的“生数据”变为面向分析决策的“熟数据”。

2.1.2 信息总线式集成方式

与数据中心式集成方式不同，信息总线式集成方式在数据采集和存储层面仍分布部署，通过构建信息交互总线、基于IEC61968等交互标准实现各类业务应用系统所需数据的互补和融合。采用面向服务的体系结构(SOA系统架构)，建立各类服务请求端和应答端，通过Web Service访问。可见，信息总线式集成方式中的数据交互接口是基于IEC61968的信息交互总线，分布存储信息是该方式区别于数据中心式集成方式的基本特征，增加了应用系统部署的灵活性。图2是基于信息总线的智能配用电集成式信息交互方式总体架构。

2.2 一体化信息交互方式

智能配用电系统的一体化信息交互方式的思想是对传统配用电设备或各种智能终端进行多种类型数据的统一采集、处理和管理。

在数据采集方面，一体化信息交互方式的数据源不是智能配用电各应用系统，而是与智能配用电相关功能的设备和终端；在数据处理方面，以配用电设备和智能终端为源头，统一采集所有表征其运行的参数信息并进行统一管理，组成数据信息库；在数据应用方面，从数据信息库中筛选所需要的信息形成数据模块，提取给各业务应用功能。比如，涉及电动汽车业务的应用，可提取车载电池剩余电量、电池剩余寿命、不同数量电池组的电动汽车的比例、充换电设施的运行状况等信息；涉及抢修管理业务的应用，可提取报修电话的响应速度和效率、远程工作站信息传递的准确性、急修班调度抢修工和物资的效率、故障抢修效率等数据。

一体化信息交互方式的关键在于采用标准化设计方法构建智能配用电统一支撑平台，为智能配用电应用业务提供数据支撑。首先形成完整的智能配用电业务模型，然后遵从SG-EA企业架构(以国家电网公司为例)统一设计应用架构、数据架构和技术架构，建立如图3所示的一体化信息交互模式总体框架。其中，支撑平台由数据接入层、应用接入层和数据服务层构成：数据接入层统一接入智能配用电涉及的变电站终端、馈线终端、分布式电源监控终端、智能电表、智能用电交互终端等设备，实现相关数据的交互；应用接入层实现各类数据在应用系统中的流转，从底层平台上实现各类应用的接入；数据服务层则对获取的数据进行统一存储、查询、灾备等处理，为上层应用提供数据支撑。通过建立智能配用电统一支撑平台，实现数据同质化，为多样化业务高级应用提供便利。

图3 一体化信息交互方式总体架构

2.3 智能配用电信息交互系统的部署

2.3.1 信息交互系统的部署方式

如表1所示，考虑到智能配用电涉及多类业务系统，在应用目标上各有侧重，因此对于集成式信息交互方式宜采用“省级集中部署+多级分布式应用”的部署方式：在省级层面，通过集中建立大容量数据存储区和应用服务器、接口服务器等共同构成核心主机平台，并基于多种强隔离装置进行外部网络隔离，在此基础上通过企业内网实现各地市的数据远程/分布应用。

表1 智能配用电信息交互系统的部署方式

Table 1 Deployment patterns of information interactive system in smart distribution grid and utilization

一体化信息交互方式在部署过程中所需的硬件设备包括采集服务器集群、数据处理服务器集群、应用接入服务器集群以及各类应用系统服务器集群。由于一体化方式以配用电设备和智能终端为唯一数据源头，所涉及的数据量特别巨大，当前现状下宜采用地市公司部署方式，以减小数据量过于庞大而带来的信息系统处理能力不足等风险，技术成熟的配用电系统也可逐步向省级部署方式过渡。

2.3.2 基于部署方式的信息交互方式对比分析

对于数据中心式集成方式，数据仓库包含了大量历史数据、数据质量较高，为决策分析提供了数据基础。通过构建电力企业数据中心，以数据仓库的方式来实现信息集成，整体结构简单，系统间接口少，但数据仓库模型随应用变动、重复存储、数据不一致。如果以信息总线方式进行信息集成，则结构灵活，改变局部系统不会对其他系统内部产生影响，但系统接口复杂，应用越多接口就越多。可见：集成式信息交互方式充分利用现有资源，独立部署各子系统，业务功能耦合程度低，系统结构弱关联；但由于智能配用电环境中的业务应用系统较多，各种系统底层平台互异，存在重复建设。由于厂商对标准理解不一致等原因，还存在大量私有接口和数据复制方式，增加了综合应用的难度。

如果采用一体化信息交互方式，可从底层平台上消除配用电不同系统间的数据异构性，实现智能配用电数据采集、存储、处理、管控一体化，使得系统的接口设计大大简化，如果架构设计存在缺陷，将给后期应用平台的运行带来巨大隐患，因此该方式需基于完备的统一架构设计。考虑到智能配用电涉及应用种类多、各应用的核心数据相同或相近，设计完善的一体化信息交互方式有利于智能配用电系统的整体实现，是未来智能配用电信息交互方式发展的趋势。

3 智能配用电物理通信方式组合方案

物理通信系统是智能配用电信息交互的物理平台和硬件支撑，适当的物理通信方式是实现数据信息安全、灵活交互的重要保障。由于智能配用电系统所需通信的数据信息类型和可能的通信渠道类型众多，选取适当的物理通信方式组合方案是智能配用电信息交互模式的重要内容。鉴于光纤通信等技术的迅速普及，智能配用电信息交互过程宜采用以光纤通信为主，综合应用配电线载波通信、无线微波中继通信等混合通信方式的组合方案。

如图4所示，在配电网建立光纤骨干通信网，在光纤通信网无法到达的区域，以配电线载波通信、无线微波中继通信等作为补充，接入诸如FTU、TTU、DTU、分布式电源监控终端等数据源；在用电侧，构建无线专网，接入智能用电信息采集终端、智能用电信息交互终端、抢修现场移动作业终端等数据源。在通信中心站，建立配用电通信综合接入平台，实现主干网、无线专网的综合接入，并与EMS/DMS、GIS、PMS、CIS等系统相连，通过配用电通信综合管理系统进行通信管理。

图4 智能配用电的物理通信方式组合方案

智能配用电通信系统的核心设备是各类服务器：后台应用服务器通过通信专网与采集服务器连接，将数据存储到数据库服务器中；应用服务器双机实现负载均衡，数据库服务器通过磁盘阵列和光纤交换机实现主备热运行；web服务器提供发布功能，网络中设置双网保护、网络防火墙、强隔离装置等措施，提高对开放接入安全风险的预防能力。

4 智能配用电的信息安全防护体系

智能配用电环境中二次系统信息交互、共享程度很高，信息安全防护问题应放在更加迫切的位置上考虑[13]。在《电力二次系统安全防护规定》等传统安全防护体系基础上，应针对不同应用系统所涉及信息和数据的用途和类型，将分布式电源监控管理系统、电动汽车充换电设施监控管理系统、智能用电信息监测和信息交互管理系统等智能配用电新型应用配置于传统的4个信息安全分区中，从而实现基于传统电力信息安全分区完成对智能配用电环境中多样化的应用系统的信息安全防护。表2展示了部分典型应用的信息安全防护分区。

表2 智能配用电部分典型应用的信息安全防护分区

Table 2 Information security protection zone of typical application in smart distribution grid and utilization

对安全防护措施而言，传统的横向安全隔离(例如设置安全隔离装置或物理防火墙)、纵向安全防护(例如采用加密认证机制)则应在智能配用电系统中予以继承和扩展，本文不再详细论述。

5 结 语

对属于不同业务范畴的应用系统中数据信息进行有序的交互融合，实现各种业务应用彼此兼容、相互支撑、联动运行是智能配用电系统设计的核心环节。本文建立的智能配用电的典型信息交互模式包括以下几个方面：

(1)针对不同类型配用电业务应用的实际情况，通过分别采用集成式和一体化2种典型的信息交互方式实现业务应用系统之间的信息交换与融合；

(2)分别针对配电网与用电环节中数据源及数据传输信道的不同特点，通过构建光纤骨干网、无线专网等物理通信网络，基于通信综合接入平台和综合管理系统完成多种物理通信网络的接入与管理；

(3)针对分布式电源管理、电动汽车充换电设施管理、智能用电互动管理等新型应用系统在信息交互过程中对信息安全的差异化要求，将各应用配置于相应的安全防护分区中，采用分区、专用、隔离、防护等方式实现对二次系统信息交互的安全防护。

在南京智能配电网优化调度示范工程、西安智能配电网自愈控制示范工程等实际工程中，普遍考虑了分布式电源、电动汽车充换电设施、多样性负荷及用户互动等新型元素，因此，都面临着多类型数据集成、交互与融合的信息设计需求。实际工程表明：本文所述信息交互模式适合智能配用电的信息环境特征，可实现多样化信息的高效利用。在本文研究成果的基础上，下一步应着重完善二次系统运维管理标准，加强通信网标准化建设，从而为智能配用电系统的大规模实用化应用提供有效支撑。

[1]吴国沛, 刘育权.智能配电网技术支持系统的研究应用[J].电力系统保护与控制, 2010, 38(21): 162-166.Wu Guoipei, Liu Yuquan.Research and application of technology support system for smart distribute grid[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(21):162-166.

[2]施婕，艾芊.智能电网实现的若干关键技术问题研究[J].电力系统保护与控制，2009，37(19)：1-5.Shi Jie，Ai Qian.Research on several key technical problems in realization of smart grid [J].Power System Protection and Control，2009，37(19)：1-5.

[3]徐焜耀, 徐鑫, 侯兴哲, 等.构建新一代智能配用电通信网建议[J].电力系统自动化, 2013, 37(10): 1-18.Xu Kunyao, Xu Xin, Hou Xingzhe, et al.Suggestions on next generation communication network for smart distribution and consumption network [J] .Automation of Electric Power Systems，2013，37(10)：1-18.

[4]辛培哲, 李隽, 王玉东, 等.智能配电网通信技术研究及应用[J].电力系统通信, 2010 (11): 14-19.Xin Peizhe，Li Jun，Wang Yudong，et al.Research on communication technology in smart distribution grid [J].Telecommunications for Electric Power System，2010，31(217)：14-19.

[5]苗新,张恺,田世明, 等.支撑智能电网的信息通信体系 [J].电网技术, 2009, 33(17): 8-13.Miao Xin, Zhang Kai, Tian Shiming, et al.Information communication system supporting smart grid[J].Power System Technology, 2009, 33(17): 8-13.

[6]汪强, 朱延章, 葛光胜，等.分组传送技术在智能配用电通信网的应用探讨[J].电力系统保护与控制, 2014, 42(9):139-146.Wang Qiang，Zhu Yanzhang，Ge Guangsheng，et al.Application discussion of packet transfer technology for smart power distribution and utilization networks[J].Power System Protection and Control，2014, 42(9):139-146 [7]杜凤青,盛戈皞,徐剑,等.基于IEC61850的GIS智能监测信息建模及信息交互系统设计[J].电力自动化设备,2013,33(6):163-167.Du Fengqing，Sheng Gehao，Xu Jian，et al.Information modeling for GIS smart monitoring based on IEC61850 and development of information interaction system [J].Electric power automation equipment,2013,33(6):163-167.

[8]赵江河, 王立岩.智能配电网的信息架构(英文)[J].电网技术, 2009, 33(15) : 26-29.Zhao Jianghe, WANG Liyan.Information structure of smart distribution network [J].Power System Technology，2009，33(15)：26-29(in English).

[9]韩国政, 徐丙垠, 索南加乐.基于IEC61850的配网自动化通信技术研究[J].电力系统保护与控制, 2013, 41(2):62-66.Han Guozheng, Xu Bingyin, Suonan Jiale.Communication technology for distribution automation based on IEC61850k[J].Power System Protection and Control, 2013, 41(2): 62-66.

[10]Gungor V C, Sahin D, Kocak T, et al.A survey on smart grid potential applications and communication requirements[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2013, 9(1):28-42.

[11]陆一鸣，刘东，柳劲松，等.智能配电网信息集成需求及模型分析[J].电力系统自动化, 2010, 34(8): 1-4.Lu Yiming, Liu Dong, Liu Jinsong, et al.Information integration demand and model analysis for smart distribution grid [J].Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(8): 1-4.

[12]Ipakchi A.Implementing the smart grid: enterprise information integration [C]//Grid-Interop Forum，2007.

[13]Bou-Harb E, Fachkha C, Pourzandi M, et al.Communication security for smart grid distribution networks [J].IEEE Communications Magazine, 2013, 51(1): 42-49.

(编辑:张媛媛)

Information Interaction Typical Mode in Smart Distribution Grid and Utilization

LIU Yu1，CHEN Xingying1，YANG Yongbiao2，Zhu Hong3，YU Kun1

(1.College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China; 2.NARI Technology Development Co., Ltd, Nanjing 210061, China; 3.State Grid Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, China)

Due to the growing demand for diversified business, the information interaction mode which is compatible with the business requirements and system characteristics is the implementation foundation of smart distribution grid and utilization.Firstly, two typical information interaction modes and corresponding deployment patterns were proposed, which were called the interface adapter way and the integrated way, based on the analysis on the business requirements and architecture of smart distribution grid and utilization.Then, the combination scheme of communication mode of smart distribution grid and utilization was proposed, according to its physical demand.The information security protection system of the secondary system was analyzed combined with the requirements of power system information security.Finally, through the analysis on the business requirements, system architecture, information interaction mode and deployment patterns, physical communication solution and security protection system, this paper established the typical mode of information interaction in smart distribution grid and utilization.The proposed mode has been applied in practical engineering such as the optimal operation of smart distribution grid and utilization.

smart distribution grid and utilization; information interaction mode; communication mode; information security protection system

国家高技术研究发展计划项目(863计划) (2012AA050214)；国家自然科学基金项目(51077043)；国家电网公司重点科技项目(智能配用电的技术体系及仿真基础性问题研究)。

TM 614

A

1000-7229(2015)08-0001-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.001

2015-06-25

2015-07-11

刘禹(1991)，男，硕士研究生，研究方向为配用电系统的规划与评估；

陈星莺(1964)，女，博士、教授、博士生导师，副校长，江苏省配用电与能效工程技术研究中心主任，研究方向为配用电规划与评估、配电网运行分析、配电网智能调度与控制、高效用电与节能、能源管理与能源经济；

杨永标(1978)，男，高级工程师，研究方向为智能配用电技术、电力系统需求侧响应、电力系统低碳调度技术；

朱红(1971)，女，高级工程师，研究方向为配电网运行调度与管理；

余昆(1978)，男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为配用电规划与评估、智能配电网运行分析、配电网智能调度与控制。

Project Supported by the National High Technology Research & Development Program of China(863Program) (2012AA050214); National Natural Science Foundation of China(51077043).