1引言
目前用电互动服务存在信息分散、用电信息利用不够充分、应用系统众多和信息集成需求突出等问题, 因此需要建立标准化的双向互动服务平台, 以支撑和促进用电信息共享, 进而提高供电可靠性与用电效率和供电企业服务水平。
为将居民用户用电、大用户用电、电动汽车、分布式发电等电力业务的互动数据接入统一的双向互动服务平台, 需要平台的通信架构能够承载各类互动终端设备的灵活接入, 并具备标准化信息交换和通信模型。
作为智能电网的重要组成部分, 高级量测体系(Advanced Measurement Infrastructure, AMI)是配用电领域数据通信和信息交换的重要发展方向。本文利用AMI的体系结构, 面向双向互动服务数据采集与控制应用, 构建了满足智能用电需求的信息通信模型, 并深入探讨了信息模型中应用的关键技术。
2双向互动服务及智能终端设备
典型的双向互动服务包括大客户业务、居民用户业务、移动营销业务、分布式发电和储能业务和电动汽车运营业务等。双向互动服务的基础是在电网中广泛分布的智能终端设备, 包括智能电表、电能信息采集终端、电动汽车充电桩和分布式发电监测系统等。这些智能终端设备可以实时监测用电设备的能耗情况和运行状态, 为电力需求侧管理(Demand Side Management, DSM)提供基础数据。
双向互动业务信息通信的需求即包括用户侧向设备“向上”的数据采集信息, 也包括双向互动服务平台“向下”的负荷控制和需求侧管理等信息。从通信技术的选择来说, 由于电力用户数据庞大, 空间分布范围广, 所处环境的通信条件差异性较大, 使用的终端类型也不同, 因此要本着节约、统一、规范的原则, 充分利用现有的技术条件、通信信道和通信协议建立统一的用电双向互动服务平台, 在一个平台上实现电力用户的双向互动服务的全面覆盖。
3双向互动服务通信系统架构
作为智能电网体系内的智能化计量、传输、存储、分析和利用用户用电信息的软硬件体系, AMI为电网与用户的全面双向互动提供了平台和技术支撑。AMI由智能电表、广域通信网络、量测数据管理系统(Meter Database Management System, MDMS)和用户户内网络(Home Area Network, HAN)组成。在AMI架构内, 智能电表提供双向计费和智能监测、告警等功能, HAN通过网关连接智能电表和可控电器设备, 并接入广域通信网络, 最终传输至MDMS进行数据的分析和存储。如图1所示, 需要使用一个分层多级网络架构实现双向通信和对智能终端设备的远程控制。最终将采集的数据传送至MDMS, 并通过双向互动服务平台进行业务办理和信息发布。
图1中各层的说明如下：
(1)用户户内网络/前端局域网(HAN/PAN)
HAN和PAN包含双向电表和分布式发电监控系统等智能终端设备, 以及将这些设备接入领域网的网关功能, 通过这些智能终端设备, 用户可以通过与电网互动积极参与能源效率管理和需求响应。
(2)邻域网(LAN)
HAN内的智能终端设备通过ESI连接到LAN, 有些智能电表等终端设备也可以不通过HAN直接接入LAN。HAN和LAN两层之间的通信连接属于“最后一英里”的连接, 即从用户前端接入高速核心通信网的连接。
(3)广域网(WAN)
WAN将多个LAN连接起来, 充当HAN、LAN和MDMS之间的桥梁。在这一过程中, 可以根据具体需求采用电力通信网、电力数据网、电信运营商提供的IP数据网、无线通信网等各种通信资源。
(4)企业网(Enterprise)
在双向互动体系架构内, 企业网包含MDMS负责存储、处理和分析从各层中采集的数据, 以此获得不同用户的用电行为信息。
(5)外部网(External)
外部网利用双向互动服务平台, 通过PC、智能手机、平板电脑、双向互动终端等终端设备, 向电网公司和电力消费者提供各种业务处理功能。
4数据聚合单元
由于现有智能终端设备的接口、通信技术和通信协议差异性较大, 在本文设计的双向互动服务通信系统架构中, 在LAN层集成了数据聚合单元(DAU)用于将各双向互动服务中的采集与控制数据通过WAN传输至MDMS。并使双向互动服务平台的负荷控制、需求侧管理和营销管理等子系统的信息可以传输至智能终端设备, 作为用户用电行为的指导, 或直接通过执行器进行控制。
使用面向对象的方法, 利用统一的通信模型IEC61850通信标准对数据进行格式化处理, 将更便于MDMS完成对数据的传输、存储和分析, 同时也更有利于双向互动服务平台兼容各类协议标准。
非IEC 61850协议的智能终端设备根据其通信接口接入DAU的数据接入模块, 在DAU内部经过规约解析和数据映射完成向 IEC 61850的标准化转换, 并通过以太网接口经过网络交换设备传输至MDMS, 转换为IEC 61850 模型存储在实时数据库中, 从而通过传感器和执行器实现数据采集和需求侧响应等双向互动服务。DAU还具备显示、存储和故障检测等功能。
5基于IEC 61850的双向互动通信模型
传统的通信规约如103/104等都是面向信号的, 而IEC 61850需要根据信息之间的关系, 利用逻辑节点(LN)、公共数据类(CDC)和抽象通信服务接口(ACSI)对每种智能终端设备进行面向对象建模。因此需要依据IEC 61850的建模方法, 明确数据需求与关系, 定义逻辑节点与逻辑设备。
双向互动服务不同业务之间通信数据具有相似性, 主要的双向互动数据包括：
(1)采集数据：主要为智能终端通过传感器采集并向双向互动服务平台上传的数据。包括设备基本信息、电能数据、交流模拟量、电能质量越限统计数据和事件记录数据：自动记录的负荷越限、工况变化和运行异常等事件。
(2)控制数据：包括双向互动服务平台对负控终端、分布式发电系统等智能终端下发的功率定值闭环控制、电能量定值闭环控制和跳闸控制等由控制器执行的指令。
(3)需求侧管理数据：双向互动平台分析用户的用电数据和用电行为后, 向双向互动终端传输帮助企业和居民优化用电负荷曲线和用电成本、提高用电效率和减少停电损失的需求侧管理数据。
如图2所示, 以分布式发电双向互动业务为例, 对分布式发电系统的监控由分布式发电监控终端设备完成。本文根据物理设备实际需要进行了功能划分, 将其通信信息模型抽象为4个逻辑设备(Logic Device, LD)：分布式发电采集单元逻辑设备(LDMeas)、分布式发电单元控制器逻辑设备(LDCtrl)、需求侧管理逻辑设备(LDMgr)和辅助功能单元逻辑设备(LDFunc)。
LDMeas表征分布式发电监控终端采集电气量、温度数据和气象数据, 经DAU上传给MDMS;LDCtrl表征终端根据上游指令或手动操作对分布式发电系统的控制;LDMgr定义了需求侧管理, 优化分布式发电系统的发电效果;LDFunc定义辅助功能, 表征上传量测数据和下达控制指令的相应限制。通过上述逻辑设备的构建, 可以满足用户通过分布式发电监控终端设备与电网进行双向互动的需求。
对智能终端设备面向对象数据建模之后, 利用SCL语言来构建CID文件, 以描述设备提供的基本数据模型及服务, 并采用GOOSE服务向MDMS传递实时性数据。
6结语
面临着终端设备类型众多、通信网络情况复杂和通信技术标准不一等特点, 设计统一的双向互动通信系统架构, 并采用面向对象式的信息通信模型, 能最大程度满足双向互动服务对于信息通信互操作性、开放性和可扩展性的需求。本文基于高级量测体系, 使用分层多级网络架构实现电网与智能终端设备之间双向通信, 重点阐述了数据聚合单元的设计和IEC 61850标准在信息通信建模中的应用, 为双向互动服务提供了一套可靠的通信解决方案, 为灵活互动的智能用电技术提供了底层支撑。
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原标题：面向用电双向互动服务的信息通信模型
