面向用電雙向互動(dòng)服務(wù)的信息通信模型
引言
目前用電互動(dòng)服務(wù)存在信息分散、用電信息利用不夠充分、應(yīng)用系統(tǒng)眾多和信息集成需求突出等問(wèn)題,因此需要建立標(biāo)準(zhǔn)化的雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái),以支撐和促進(jìn)用電信息共享,進(jìn)而提高供電可靠性與用電效率和供電企業(yè)服務(wù)水平。
為將居民用戶用電、大用戶用電、電動(dòng)汽車、分布式發(fā)電等電力業(yè)務(wù)的互動(dòng)數(shù)據(jù)接入統(tǒng)一的雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái),需要平臺(tái)的通信架構(gòu)能夠承載各類互動(dòng)終端設(shè)備的靈活接入,并具備標(biāo)準(zhǔn)化信息交換和通信模型。
作為智能電網(wǎng)的重要組成部分,高級(jí)量測(cè)體系(Advanced Measurement Infrastructure,AMI)是配用電領(lǐng)域數(shù)據(jù)通信和信息交換的重要發(fā)展方向。本文利用AMI的體系結(jié)構(gòu),面向雙向互動(dòng)服務(wù)數(shù)據(jù)采集與控制應(yīng)用,構(gòu)建了滿足智能用電需求的信息通信模型,并深入探討了信息模型中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
1、雙向互動(dòng)服務(wù)及智能終端設(shè)備
典型的雙向互動(dòng)服務(wù)包括大客戶業(yè)務(wù)、居民用戶業(yè)務(wù)、移動(dòng)營(yíng)銷業(yè)務(wù)、分布式發(fā)電和儲(chǔ)能業(yè)務(wù)和電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)等。雙向互動(dòng)服務(wù)的基礎(chǔ)是在電網(wǎng)中廣泛分布的智能終端設(shè)備,包括智能電表、電能信息采集終端、電動(dòng)汽車充電樁和分布式發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。這些智能終端設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電設(shè)備的能耗情況和運(yùn)行狀態(tài),為電力需求側(cè)管理(Demand Side Management,DSM)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
雙向互動(dòng)業(yè)務(wù)信息通信的需求即包括用戶側(cè)向設(shè)備“向上”的數(shù)據(jù)采集信息,也包括雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)“向下”的負(fù)荷控制和需求側(cè)管理等信息。從通信技術(shù)的選擇來(lái)說(shuō),由于電力用戶數(shù)據(jù)龐大,空間分布范圍廣,所處環(huán)境的通信條件差異性較大,使用的終端類型也不同,因此要本著節(jié)約、統(tǒng)一、規(guī)范的原則,充分利用現(xiàn)有的技術(shù)條件、通信信道和通信協(xié)議建立統(tǒng)一的用電雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái),在一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電力用戶的雙向互動(dòng)服務(wù)的全面覆蓋。
2、雙向互動(dòng)服務(wù)通信系統(tǒng)架構(gòu)
作為智能電網(wǎng)體系內(nèi)的智能化計(jì)量、傳輸、存儲(chǔ)、分析和利用用戶用電信息的軟硬件體系,AMI為電網(wǎng)與用戶的全面雙向互動(dòng)提供了平臺(tái)和技術(shù)支撐。AMI由智能電表、廣域通信網(wǎng)絡(luò)、量測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Meter Database Management System,MDMS)和用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)(Home Area Network,HAN)組成。在AMI架構(gòu)內(nèi),智能電表提供雙向計(jì)費(fèi)和智能監(jiān)測(cè)、告警等功能,HAN通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接智能電表和可控電器設(shè)備,并接入廣域通信網(wǎng)絡(luò),最終傳輸至MDMS進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)。如圖1所示,需要使用一個(gè)分層多級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向通信和對(duì)智能終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。最終將采集的數(shù)據(jù)傳送至MDMS,并通過(guò)雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)辦理和信息發(fā)布。
圖1中各層的說(shuō)明如下:
(1)用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)/前端局域網(wǎng)(HAN/PAN)
HAN和PAN包含雙向電表和分布式發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)等智能終端設(shè)備,以及將這些設(shè)備接入領(lǐng)域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)功能,通過(guò)這些智能終端設(shè)備,用戶可以通過(guò)與電網(wǎng)互動(dòng)積極參與能源效率管理和需求響應(yīng)。
(2)鄰域網(wǎng)(LAN)
HAN內(nèi)的智能終端設(shè)備通過(guò)ESI連接到LAN,有些智能電表等終端設(shè)備也可以不通過(guò)HAN直接接入LAN。HAN和LAN兩層之間的通信連接屬于“最后一英里”的連接,即從用戶前端接入高速核心通信網(wǎng)的連接。
(3)廣域網(wǎng)(WAN)
WAN將多個(gè)LAN連接起來(lái),充當(dāng)HAN、LAN和MDMS之間的橋梁。在這一過(guò)程中,可以根據(jù)具體需求采用電力通信網(wǎng)、電力數(shù)據(jù)網(wǎng)、電信運(yùn)營(yíng)商提供的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)、無(wú)線通信網(wǎng)等各種通信資源。
(4)企業(yè)網(wǎng)(Enterprise)
在雙向互動(dòng)體系架構(gòu)內(nèi),企業(yè)網(wǎng)包含MDMS負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、處理和分析從各層中采集的數(shù)據(jù),以此獲得不同用戶的用電行為信息。
(5)外部網(wǎng)(External)
外部網(wǎng)利用雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái),通過(guò)PC、智能手機(jī)、平板電腦、雙向互動(dòng)終端等終端設(shè)備,向電網(wǎng)公司和電力消費(fèi)者提供各種業(yè)務(wù)處理功能。
3、數(shù)據(jù)聚合單元
由于現(xiàn)有智能終端設(shè)備的接口、通信技術(shù)和通信協(xié)議差異性較大,在本文設(shè)計(jì)的雙向互動(dòng)服務(wù)通信系統(tǒng)架構(gòu)中,在LAN層集成了數(shù)據(jù)聚合單元(DAU)用于將各雙向互動(dòng)服務(wù)中的采集與控制數(shù)據(jù)通過(guò)WAN傳輸至MDMS。并使雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)的負(fù)荷控制、需求側(cè)管理和營(yíng)銷管理等子系統(tǒng)的信息可以傳輸至智能終端設(shè)備,作為用戶用電行為的指導(dǎo),或直接通過(guò)執(zhí)行器進(jìn)行控制。
使用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ媒y(tǒng)一的通信模型IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化處理,將更便于MDMS完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)和分析,同時(shí)也更有利于雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)兼容各類協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
非IEC61850協(xié)議的智能終端設(shè)備根據(jù)其通信接口接入DAU的數(shù)據(jù)接入模塊,在DAU內(nèi)部經(jīng)過(guò)規(guī)約解析和數(shù)據(jù)映射完成向IEC61850的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換,并通過(guò)以太網(wǎng)接口經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備傳輸至MDMS,轉(zhuǎn)換為IEC61850模型存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中,從而通過(guò)傳感器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和需求側(cè)響應(yīng)等雙向互動(dòng)服務(wù)。DAU還具備顯示、存儲(chǔ)和故障檢測(cè)等功能。
4、基于IEC61850的雙向互動(dòng)通信模型
傳統(tǒng)的通信規(guī)約如103/104等都是面向信號(hào)的,而IEC61850需要根據(jù)信息之間的關(guān)系,利用邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)、公共數(shù)據(jù)類(CDC)和抽象通信服務(wù)接口(ACSI)對(duì)每種智能終端設(shè)備進(jìn)行面向?qū)ο蠼!R虼诵枰罁?jù)IEC61850的建模方法,明確數(shù)據(jù)需求與關(guān)系,定義邏輯節(jié)點(diǎn)與邏輯設(shè)備。
雙向互動(dòng)服務(wù)不同業(yè)務(wù)之間通信數(shù)據(jù)具有相似性,主要的雙向互動(dòng)數(shù)據(jù)包括:
(1)采集數(shù)據(jù):主要為智能終端通過(guò)傳感器采集并向雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)上傳的數(shù)據(jù)。包括設(shè)備基本信息、電能數(shù)據(jù)、交流模擬量、電能質(zhì)量越限統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和事件記錄數(shù)據(jù):自動(dòng)記錄的負(fù)荷越限、工況變化和運(yùn)行異常等事件。
(2)控制數(shù)據(jù):包括雙向互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)對(duì)負(fù)控終端、分布式發(fā)電系統(tǒng)等智能終端下發(fā)的功率定值閉環(huán)控制、電能量定值閉環(huán)控制和跳閘控制等由控制器執(zhí)行的指令。
(3)需求側(cè)管理數(shù)據(jù):雙向互動(dòng)平臺(tái)分析用戶的用電數(shù)據(jù)和用電行為后,向雙向互動(dòng)終端傳輸幫助企業(yè)和居民優(yōu)化用電負(fù)荷曲線和用電成本、提高用電效率和減少停電損失的需求側(cè)管理數(shù)據(jù)。
如圖2所示,以分布式發(fā)電雙向互動(dòng)業(yè)務(wù)為例,對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控由分布式發(fā)電監(jiān)控終端設(shè)備完成。本文根據(jù)物理設(shè)備實(shí)際需要進(jìn)行了功能劃分,將其通信信息模型抽象為4個(gè)邏輯設(shè)備(Logic Device,LD):分布式發(fā)電采集單元邏輯設(shè)備(LD Meas)、分布式發(fā)電單元控制器邏輯設(shè)備(LD Ctrl)、需求側(cè)管理邏輯設(shè)備(LD Mgr)和輔助功能單元邏輯設(shè)備(LD Func)。
LD Meas表征分布式發(fā)電監(jiān)控終端采集電氣量、溫度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)DAU上傳給MDMS;LD Ctrl表征終端根據(jù)上游指令或手動(dòng)操作對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)的控制;LDMgr定義了需求側(cè)管理,優(yōu)化分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效果;LDFunc定義輔助功能,表征上傳量測(cè)數(shù)據(jù)和下達(dá)控制指令的相應(yīng)限制。通過(guò)上述邏輯設(shè)備的構(gòu)建,可以滿足用戶通過(guò)分布式發(fā)電監(jiān)控終端設(shè)備與電網(wǎng)進(jìn)行雙向互動(dòng)的需求。
對(duì)智能終端設(shè)備面向?qū)ο髷?shù)據(jù)建模之后,利用SCL語(yǔ)言來(lái)構(gòu)建CID文件,以描述設(shè)備提供的基本數(shù)據(jù)模型及服務(wù),并采用GOOSE服務(wù)向MDMS傳遞實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。
5、結(jié)語(yǔ)
面臨著終端設(shè)備類型眾多、通信網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜和通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一等特點(diǎn),設(shè)計(jì)統(tǒng)一的雙向互動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu),并采用面向?qū)ο笫降男畔⑼ㄐ拍P停茏畲蟪潭葷M足雙向互動(dòng)服務(wù)對(duì)于信息通信互操作性、開(kāi)放性和可擴(kuò)展性的需求。本文基于高級(jí)量測(cè)體系,使用分層多級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與智能終端設(shè)備之間雙向通信,重點(diǎn)闡述了數(shù)據(jù)聚合單元的設(shè)計(jì)和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在信息通信建模中的應(yīng)用,為雙向互動(dòng)服務(wù)提供了一套可靠的通信解決方案,為靈活互動(dòng)的智能用電技術(shù)提供了底層支撐。
責(zé)任編輯:售電衡衡
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