智能电网体系结构

IECSA智能电网体系结构4IECSA：智能电网的体系结构2003年初到2004年中期，历时18个月先期完成的一体化的能源及通信系统体系结构(integratedenergyandcommunicationsystemarchitecture，IECSA)，和随后延伸的智力电网(intelligentgrid)体系结构，都是由美国EPRI创建，GE公司管理，有UCI(UtilitiesConsultingInternational)、Sisco、Lucent、EnerNex、Hypertek等公司参与的研究未来电力系统体系结构的国际科学合作项目。IECSA也是美国智能电网(SmartGrid)体系结构的基础。4IECSA：智能电网的体系结构现代能源工业的信息基础结构被遗留系统、专有的协议、陷入困境的应用和专门的接口所困扰。这种混乱严重妨碍着计算机系统、软件应用和新设备的扩展和升级。现有电力工业的信息基础设施的各种接口标准同样十分混杂，导致系统结构的复杂性，而釆用IECSA体系结构后，实行了统一的接口，系统的建设犹如搭积木一样，方便、快捷、节约、高效、安全。4IECSA：智能电网的体系结构4IECSA：智能电网的体系结构建立新的IECSA体系结构，目的就是釆用经过科学鉴定的、统一通用的标准接口迅速整合和更新原有混杂的遗留接口，在信息基础设施覆盖范围日益扩大和复杂性日益增长的情况下提供低费用解决方案。4.1体系结构建立的好处因为体系结构是站在全局的高度提出的，它可以有效地指导整个系统基础设施的建设，避免系统的重复建设；可避免在以后的建设中采用不必要的私有系统和非标准的协议；从全局的高层角度去看整个系统，可以引入一些新的协作程序，打破原有系统之间的界限，从而实现高度的信息共享和互操作性；体系结构的设计能够驱动系统按照统一的方式开发，从而能实现一些目前还处于设想中的系统管理功能；企业级的体系结构能够协调不同的标准，它对于将来的标准开发和集成非常关键；体系结构的开发同时考虑了企业的内外部环境，因此，能够系统地对可能出现的新需求做出适当的预期，并制定出应对需求变化的合理的应对措施。4.1体系结构建立的好处●过去，电力系统基础设施和信息系统基础设施都是按照各自的模式运行和管理，而IECSA项目是要将电力系统基础设施和信息系统基础设施(通信，网络和智能设备)集为一体化的基础设施，以完成未来复杂交互式电力系统越来越复杂的安全性、鲁棒性、经济性和扩展性等各种功能需求。4.1体系结构建立的好处●两个基础设施按各自规范进行管理4.1体系结构建立的好处●依赖于信息基础设施的电力基础设施：IECSA示意图1电力基础设施2信息基础设施4.1体系结构建立的好处●IECSA描述的未来电力系统—由大量自动输电和配电系统组成的现代化电力系统运行在一个高效、可靠及相互协调的统一体系结构模式下；—电力系统出现紧急状况时，系统具有自愈功能，并对能源市场和电力公司的业务需求给予快速响应；4.1体系结构建立的好处—系统能适应电力市场数百万用户进行数量庞大及频繁交易的需求，为迅速增长的数字经济提供可靠和经济的电力。—系统具备一个自适应的智能信息通信系统ICS，以保证信息交换的及时和安全；—系统具备一个高度智能化的监控系统MCS，以满足系统安全、经济运行和系统紧急状态下的自愈功能的需要，增强系统的鲁棒性。4.2IECSA三项基本功能IECSA项目将为电力系统数据通信和分布式计算基础设施开发一个开放的、基于标准的系统体系结构，这个体系结构具备以下三项基本功能：—使智能电网所有各种各样的元部件在同一标准下实现一体化，以支持电网的自愈能力和用户通信接口的集成化；—该体系结构是基于已有的工业基础设施之上，采用最先进的、有效的通信和分布式计算技术，为系统的开发提供具有互操作性和互通性的基础平台；—该体系结构将提供一些新的服务，例如提供即时电价、能量消耗监控管理等。4.3IECSA体系结构框架建立IECSA体系结构的原则是：—在用例(usecases)中，应用科学数据建模，以聚集和分析用户的需求；—应用分层技术分离抽象的层次及其功能；在通信网络和计算机系统中，使用分层技术，使每一层提供一种特殊的功能，并制定相应的标准，使层与层之间的接口规范化，这样不同的厂家可以按照自己的方法去实现每层的功能，只要使各层之间的接口符合标准，那么不同的系统就可以兼容。4.3IECSA体系结构框架—创建通用信息模型CIM(Commoninformationmodels)并定义公共服务及通用接口(CommonServices/GenericInterfaces)，建立技术上独立的体系结构形式；—应用自我描述(self-description)和元数据(MetaData)减少建立结构的精力和错误，并且实现技术语言之间的自动翻译；—定义一组有需求的公用的、有实效的特殊环境；—在每一个所定义的环境中，对于各种技术建议要有一个能识别这些技术是否缺失或重叠的工具。3.3IECSA体系结构框架IECSA技术上独立的参考体系结构：IECSA的骨干是由基于IEC61850,IEC61968和IEC61970标准的公用信息模型和公共服务及通用接口组成，这种结构有利于网络的生长和演化。4.4IECSA的核心概念在网络内的全部设备最终都能彼此通信。通用信息模型和服务容易实现在穿越所有权和功能的边界时经济地传送信息，而不会造成保真度的损伤。建立在自我描述(self-description)基础上的信息模型和翻译允许网络迅速适应新技术、新应用和新设备。4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容●业务需求；主要归纳了电力系统的一些核心业务需求，并给出了这些需求的详细描述;同时，通过对需求进行分析，抽象出20种电力系统中常见的通信环境。(1)变电站内确定性快速响应环境；例如继电保护、通过电流和电压互感器对电力系统参数的直接监视等；(2)变电站间和远距离变电站的确定性和快速响应环境；例如，远距离变电站的继电保护和有限状态机FSM(FiniteStateMachine)的响应等。FSM是基于可编程逻辑器件,特别是利用硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage，类似于高级程序设计语言)实现带有状态控制的复杂算法的必需手段。4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容(3)变电站内关键的相关运行环境；例如智能电子装置IED(IntelligentElectronicDevice)的监控、继电保护的整定和变电站设备的其它有关参数。(4)现场设备之间的环境；这主要指在变电站现场对确定性快速响应无要求的设备之间的运行环境，如自动开关的相互影响和通过本地数据集中器对设备监视。(5)DAC(数据釆集和控制)系统关键的运行环境；主要包括控制中心与现场设备环境(例如变电站的SCADA与DA(数据存取)设备、DER(分布式能源装置)的监控、对安全性敏感的用户计量的监视和发电机的监控等)高安全性的相互影响(例如身份验证、保密、拒绝服务的预防等)。4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容(6)DAC系统非关键的运行环境；包括控制中心与现场配电自动化设备、变电站设备、DER设备和用户装置(例如，非电力系统设备的监视、少数安全性敏感的变电站、用户电能质量PQ监视和用户计量等)之间低安全性的相互影响(仅身份认证，而非秘密性)。(7)控制中心内部环境；指一个控制中心内部，例如SCADA系统、EMS系统、ADA(先进配电自动化，AdvancedDistributionAutomation)功能和实时运行。(8)控制中心之间环境；主要指控制中心之间的运行环境，例如电力公司控制中心之间、RTO(区域输电运营者)之间以及远方的分公司或监控中心等。4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容(9)控制中心至ESP(EnergyServiceProvider，能源服务提供商)的通信环境；主要指电力公司控制中心和ESP/收购人，例如，远程传送点RTP(RemoteTransferPoint)、计量和结算、市场运营之间的运行环境。(10)RTO对市场参与者之间的环境；主要指电力公司/RTO/ISO(独立系统运行员)控制中心和市场参与者(如市场运营者)之间的运行环境。(11)控制中心到用户设备的环境；指用户设备与电力公司控制中心之间，例如用户计量与需求响应的互相影响，DER管理等之间的运行环境。4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容(12)控制中心到企业之间的环境；这里指控制中心与外部企业(例如气象资料、调整者、稽核员和销售商)之间的运行环境。(13)企业内部的环境；这里指电力公司内部之间的通信环境。例如，计划、工程、ADA系统接入调幅/调频无线通信和接入客户信息系统(按照IECTC57WG14颁发的接口标准)。(14)企业之间的通信环境；这是指各电力公司与外部企业之间的通信环境，例如电子商务的进行。(15)DER的监控环境；主要DER与ESP/DER运营者(例如，ESP作为收购者履行的监控)之间的通信环境。4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容(16)用户内部站点的通信环境；如大楼管理系统、DER管理。(17)用户之间站点的通信环境；如，用户的微型电网的管理。(18)用户至ESP的通信环境；在用户与ESP、收购人，计量数据管理代理MDMA(MeterDataManagementAgent，例如DER管理、用户计/量、RTP、需求响应)之间的通信；(19)高压发电站通信环境；主要指高压发电站场所内部(例如，从发电站的电气的和物理的场所直至与区域电力系统的公共连接点)的通信环境。(20)现场设备的维护环境。包括维护监控、统计汇总、测试、诊断、资产管理(例如，可能需要移动的相互影响、明显的数据的不同标准、不同的基于安全角色的访问以及资产的鉴别管理等等)。●策略视图；IECSA的策略视图反映了体系结构针对分布式计算基础设施的根本的目标。策略视图的要素包括:(1)抽象建模技术，例如用UML表示的RM-ODP参考模型、基于IEC61850和lEC61970的对象模型和接口模型等，同时强调了抽象模型的自描述、自发现和与技术无关的实现等特性;(2)系统安全要素的考虑，主要考虑新的信息共享和控制共享可能带来的安全问题，从而引入安全评估等概念;4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容(3)系统管理和网络管理，强调针对大的统一的系统，这些方面必须统一考虑管理接口和标准;(4)在系统数据管理方面，必须考虑数据的实时性、有效性和完整性，指出目前没有惟一的技术可以解决所有问题，应根据不同情况采用不同解决方案;(5)在互操作性实现方面，考虑统一的对象和服务建模，采用与平台无关的模型，综合利用元数据表示、协议网关、设备统一编号等技术加以实现。4.5IECSA参考体系结构框架研究的主要内容●标准化技术及最优方法；(1)在IECSA参考体系结构框架中，所描述的标准化、技术和最优方法几乎含盖了所有产业所应用的基于因特网的技术、特殊的传输媒介技术、安全性对策、网络管理方案、系统管理方法以及现有电力工业的特殊标准和许多遗留技术。(2)数据管理最优方法是描述没有任何具体技术解决方案的数据处理管理问题的技术，例如数据的有效性、手工数据输入的管理。(3)安全性最优方法能识别所指定方法的标准或对安全性十分重要的技术，诸如，安全策略和安全培训。4.6IECSA将电力系统业务抽象为6个业务领域IECSA将对电力行业必须支持的业务功能的收集和整理作为整个体系结构工作的开始。通过与电力行业业务专家的广泛沟通，项目组得到了超过400个用例和这些核心业务功能的详细描述。通过对这些用例的分析，项目组将电力系统抽象为6个业务领域:4.6IECSA将电力系统业务抽象为6个业务领域(1)市场运作(2)输电运营(3)配电运营，包括：a数据釆集和控制(DAC)；b配电运行模型和分析(DOMA)；c故障定