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智能电网信息通信架构演进探讨

北极星输配电网  来源:《中国电力》杂志  作者:周静等  2018/6/12 10:37:43  我要投稿  

北极星输配电网讯:摘要:基于未来电网需求和智能电网愿景,提出了智能电网的架构目标和原则,强调现有电网资源的有效利用,其服务和程序的可重用性、可移植性、系统的易管理性。设计了智能电网信息通信架构的演进路线,实现了架构从业务筒仓到系统集成的过渡。提出了基于开放标准分层服务的未来智能电网架构设想,以“系统的系统”(system of systems,SOS)为特点,支持演进路线,面向服务高度集成,基于开放标准使服务和接口具有很高的可重用性和松耦合性,使得架构在面对未来的未知需求时具有很强的适应性、健壮性和灵活性,随需应变。

关键词:智能电网 信息通信 架构演进 开放标准 面向服务

引言

随着对智能电网的迫切需求,各国正在加快部署和推进智能电网建设。很多国际组织已经纷纷发布了一系列智能电网架构白皮书、标准和路线图等,并且仍在不断改进和研究中[1]。如美国国家标准与技术研究院(NIST)先后发布了《智能电网互操作体系框架和路线图》的1.0版、2.0版和3.0版草案,将智能电网划分为7个领域,侧重互操作性,提出了一系列的标准、规范和指南,并制订了优先行动计划;国际电工委员会(IEC)第57技术委员会(TC57)的核心标准之一——IECTR 62357对智能电网的参考架构框架进行了描述,包括数据模型、服务、协议以及面向未来系统集成的所有应用程序的融合[2-4]。

中国在智能电网标准方面也做出了一定的贡献,如IEEE 1888工作组提出泛在绿色社区控制网络标准,为构建能源互联网实现智慧化的“创能、储能、节能”;IEC PC118工作组侧重用户侧系统/设备的信息交换接口,并已形成《智能电网用户接口技术规范》[5-6]。然而,中国在智能电网架构方面还没有相关工作,国家电网公司也只在宏观上提出了坚强智能电网的标准体系框架[7]。本文基于诸多权威机构提出的智能电网相关标准、规范、白皮书和架构框架,结合IT架构的发展路线,对智能电网架构的目标原则和智能电网架构的演进路线进行描述,并提出了满足未来智能电网不确定性需求的、以服务为中心的架构设想。

1 智能电网架构的目标原则

未来20年是“传统电网”转变为“智能电网”的过渡阶段,要经历漫长的改进和更替[8]。智能电网架构目标主要包括:对新技术的强适应性,促进信息通信新技术与传统电网相融合,确保系统在增加新功能模块后仍能高效稳定运行;控制信息和通信技术(ICT)系统支撑电网智能化日益增长的复杂度;新技术与智能电网的战略目标和发展规划相匹配;制定长远方案,不仅要实现智能电网愿景,还能满足未来不确定的业务需求;支持各类交互,确保互操作,避免信息孤岛;智能电网架构最终是简单、透明的。

确定智能电网架构目标之后,需要一系列的高层次设计原则来指导架构开发工作,基于智能电网愿景和发展趋势、业务需求、企业资本和投资成本、决策制定等方面,从设计开发技术人员、管理人员和用户、决策高层的角度出发,提出以下架构开发原则[8-11]:

(1)简化系统结构,创建衡量机制。利用战略性资产优势简化系统结构,尤其是简化企业内部流程,大幅度提高员工工作效率。重要技术决策要以总体拥有成本为基础,建立企业绩效和价值的可衡量机制,验证当前ICT模式是否为最佳模式,同时使ICT达到投资回报最大化。

(2)开发紧密围绕需求,为后续开发带来便利。利用业务流程使开发转型为“以流程为中心”,驱动ICT发展,不断提高其有效性和服务效率;开发通用数据模型,创建统一的易于访问的数据字典,实现数据快捷交换、集成和共享,减少数据转换,提高运行效率;流程、数据、服务甚至ICT系统等应具备可重用性,以加快业务交付能力、降低投入成本,使系统处于可持续发展状态;此外,应用程序应是可移植的,要求采用开放标准和通用数据模型及建模方法,使程序与平台、位置和虚拟化无关,能迅速增加、修改、删减和替换服务。

(3)充分利用现有资源,避免大规模重建。最大限度吸收当前系统及设备组件,减少低价值应用和引入,以便调用高价值应用及重用现有通用服务,不仅可以减少基础服务的冗余和开发成本,加快服务市场进度,同时也能提高系统的互操作性,优化关键业务的可管理性。这就需要分析现有资源的整合方式,设计利用现有产品或服务等资源的业务流程和解决方案。

(4)重视可信数据源,制定数据质量计划。支撑决策制定的信息必须来自可信数据源,这需要对可信数据源有明确判定,并对其应用的业务领域范围有清晰划分;在可信数据源中创建主数据库,便于其他程序检索到信息,更好地保障信息的完整性和可靠性,同时降低数据管理成本;为所有业务制定数据质量计划,避免因数据错误而导致运行中断甚至决策失误,确保数据质量状态良好。

2 智能电网演进路线

未来智能电网是基于开放标准的、高集成的集中-分布式混合系统,具有良好的互操作和互通互联性,而智能电网架构的发展与演进必然遵从IT架构的发展趋势[12]。在演进过程中架构主要呈现以下3个阶段。

2.1 业务筒仓阶段

筒仓阶段可以被描述为不同业务筒仓的集合,如图 1所示。每个筒仓服务于一个业务单元,具备各自的信息系统,筒仓间微小的集成维系着电网有效地运行。然而,筒仓的这种特点无法满足智能化的需求。业务的独立筒仓结构在以后的集成整合中不仅会耗费大量的时间和成本,同时也有高风险。所以,筒仓间的交互问题是演进第一步的主要内容。

 

随着分布式能源接入等新需求的出现,除了筒仓间的交互,还要解决与新业务的交互问题,这就需要在现有业务筒仓的基础上开发利用相关方与筒仓之间相应的接口,此外,这些不同的接口需随着需求的发展演进。

2.2 总线部分集成阶段

这一阶段是标准化技术阶段,主要通过企业服务总线(ESB)实现后台、应用和服务的集成,如图 2所示。ESB以开放标准为支撑,将业务筒仓的应用程序共享到整个基础架构,完成系统间的良好交互和应用的灵活调用,克服了筒仓架构信息孤岛的问题[13]。然而ESB集成要求严格地执行开放标准和数据模型,否则ESB将只能作为共享的通信介质。

 

虽然ESB架构在一定程度上也是集成架构,但并不是最终“集成一切的系统”的目标架构,其下层系统仍然保持着一定的筒仓性质,在满足未来业务需求的灵活性和业务拓展的松耦合性方面还存在很大欠缺。

2.3 异构网络融合阶段

异构网络融合阶段侧重异构系统融合,集成异构平台下的业务应用系统,通过适配器等中间件连接企业内外各种业务相关的异构系统、应用及数据源,从而满足企业内部应用系统间的信息、数据和服务等的共享,如图 3所示。

 

适配器体系架构能够支持异构系统的不断演进,这主要得益于适配器的接口转换作用,它将异构网络的消息、数据进行格式转换和路由。但是该架构本质上是基于消息集成,只是为已有的应用系统提供一种中间沟通的解决方案,是一种网路的集成方式,并没有实现业务模块化、服务的可重用及标准的统一,所以它并不是智能电网最终的目标架构,也不能充分利用开放的互联网技术提供的良好机会。

综上,筒仓结构业务将给系统整合集成和信息交互带来很大困难,架构在演进过程中,首先需要加强业务筒仓间的交互,通过总线集成应用和后台,实现业务筒仓到初步集成的过渡;然后,在部分集成的基础上实现相关领域专用网络和数据的融合,形成利用中间件融合异构网络的架构;之后,在前述基础上架构将向面向服务过渡,实现业务模块化。

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