摘要：基于未來(lái)電網(wǎng)需求和智能電網(wǎng)愿景，提出了智能電網(wǎng)的架構(gòu)目標(biāo)和原則，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)有電網(wǎng)資源的有效利用，其服務(wù)和程序的可重用性、可移植性、系統(tǒng)的易管理性。設(shè)計(jì)了智能電網(wǎng)信息通信架構(gòu)的演進(jìn)路線，實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)從業(yè)務(wù)筒倉(cāng)到系統(tǒng)集成的過(guò)渡。提出了基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)分層服務(wù)的未來(lái)智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)想，以“系統(tǒng)的系統(tǒng)”(system of systems，SOS)為特點(diǎn)，支持演進(jìn)路線，面向服務(wù)高度集成，基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)使服務(wù)和接口具有很高的可重用性和松耦合性，使得架構(gòu)在面對(duì)未來(lái)的未知需求時(shí)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、健壯性和靈活性，隨需應(yīng)變。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng) 信息通信 架構(gòu)演進(jìn) 開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn) 面向服務(wù)

引言

隨著對(duì)智能電網(wǎng)的迫切需求，各國(guó)正在加快部署和推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)。很多國(guó)際組織已經(jīng)紛紛發(fā)布了一系列智能電網(wǎng)架構(gòu)白皮書(shū)、標(biāo)準(zhǔn)和路線圖等，并且仍在不斷改進(jìn)和研究中[1]。如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)先后發(fā)布了《智能電網(wǎng)互操作體系框架和路線圖》的1.0版、2.0版和3.0版草案，將智能電網(wǎng)劃分為7個(gè)領(lǐng)域，側(cè)重互操作性，提出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和指南，并制訂了優(yōu)先行動(dòng)計(jì)劃;國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)第57技術(shù)委員會(huì)(TC57)的核心標(biāo)準(zhǔn)之一——IECTR 62357對(duì)智能電網(wǎng)的參考架構(gòu)框架進(jìn)行了描述，包括數(shù)據(jù)模型、服務(wù)、協(xié)議以及面向未來(lái)系統(tǒng)集成的所有應(yīng)用程序的融合[2-4]。

中國(guó)在智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)方面也做出了一定的貢獻(xiàn)，如IEEE 1888工作組提出泛在綠色社區(qū)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，為構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智慧化的“創(chuàng)能、儲(chǔ)能、節(jié)能”;IEC PC118工作組側(cè)重用戶(hù)側(cè)系統(tǒng)/設(shè)備的信息交換接口，并已形成《智能電網(wǎng)用戶(hù)接口技術(shù)規(guī)范》[5-6]。然而，中國(guó)在智能電網(wǎng)架構(gòu)方面還沒(méi)有相關(guān)工作，國(guó)家電網(wǎng)公司也只在宏觀上提出了堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系框架[7]。本文基于諸多權(quán)威機(jī)構(gòu)提出的智能電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、白皮書(shū)和架構(gòu)框架，結(jié)合IT架構(gòu)的發(fā)展路線，對(duì)智能電網(wǎng)架構(gòu)的目標(biāo)原則和智能電網(wǎng)架構(gòu)的演進(jìn)路線進(jìn)行描述，并提出了滿(mǎn)足未來(lái)智能電網(wǎng)不確定性需求的、以服務(wù)為中心的架構(gòu)設(shè)想。

1 智能電網(wǎng)架構(gòu)的目標(biāo)原則

未來(lái)20年是“傳統(tǒng)電網(wǎng)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;智能電網(wǎng)”的過(guò)渡階段，要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的改進(jìn)和更替[8]。智能電網(wǎng)架構(gòu)目標(biāo)主要包括：對(duì)新技術(shù)的強(qiáng)適應(yīng)性，促進(jìn)信息通信新技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相融合，確保系統(tǒng)在增加新功能模塊后仍能高效穩(wěn)定運(yùn)行;控制信息和通信技術(shù)(ICT)系統(tǒng)支撐電網(wǎng)智能化日益增長(zhǎng)的復(fù)雜度;新技術(shù)與智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃相匹配;制定長(zhǎng)遠(yuǎn)方案，不僅要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)愿景，還能滿(mǎn)足未來(lái)不確定的業(yè)務(wù)需求;支持各類(lèi)交互，確保互操作，避免信息孤島;智能電網(wǎng)架構(gòu)最終是簡(jiǎn)單、透明的。

確定智能電網(wǎng)架構(gòu)目標(biāo)之后，需要一系列的高層次設(shè)計(jì)原則來(lái)指導(dǎo)架構(gòu)開(kāi)發(fā)工作，基于智能電網(wǎng)愿景和發(fā)展趨勢(shì)、業(yè)務(wù)需求、企業(yè)資本和投資成本、決策制定等方面，從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)技術(shù)人員、管理人員和用戶(hù)、決策高層的角度出發(fā)，提出以下架構(gòu)開(kāi)發(fā)原則[8-11]：

(1)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建衡量機(jī)制。利用戰(zhàn)略性資產(chǎn)優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是簡(jiǎn)化企業(yè)內(nèi)部流程，大幅度提高員工工作效率。重要技術(shù)決策要以總體擁有成本為基礎(chǔ)，建立企業(yè)績(jī)效和價(jià)值的可衡量機(jī)制，驗(yàn)證當(dāng)前ICT模式是否為最佳模式，同時(shí)使ICT達(dá)到投資回報(bào)最大化。

(2)開(kāi)發(fā)緊密?chē)@需求，為后續(xù)開(kāi)發(fā)帶來(lái)便利。利用業(yè)務(wù)流程使開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)型為“以流程為中心”，驅(qū)動(dòng)ICT發(fā)展，不斷提高其有效性和服務(wù)效率;開(kāi)發(fā)通用數(shù)據(jù)模型，創(chuàng)建統(tǒng)一的易于訪問(wèn)的數(shù)據(jù)字典，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快捷交換、集成和共享，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提高運(yùn)行效率;流程、數(shù)據(jù)、服務(wù)甚至ICT系統(tǒng)等應(yīng)具備可重用性，以加快業(yè)務(wù)交付能力、降低投入成本，使系統(tǒng)處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài);此外，應(yīng)用程序應(yīng)是可移植的，要求采用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和通用數(shù)據(jù)模型及建模方法，使程序與平臺(tái)、位置和虛擬化無(wú)關(guān)，能迅速增加、修改、刪減和替換服務(wù)。

(3)充分利用現(xiàn)有資源，避免大規(guī)模重建。最大限度吸收當(dāng)前系統(tǒng)及設(shè)備組件，減少低價(jià)值應(yīng)用和引入，以便調(diào)用高價(jià)值應(yīng)用及重用現(xiàn)有通用服務(wù)，不僅可以減少基礎(chǔ)服務(wù)的冗余和開(kāi)發(fā)成本，加快服務(wù)市場(chǎng)進(jìn)度，同時(shí)也能提高系統(tǒng)的互操作性，優(yōu)化關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可管理性。這就需要分析現(xiàn)有資源的整合方式，設(shè)計(jì)利用現(xiàn)有產(chǎn)品或服務(wù)等資源的業(yè)務(wù)流程和解決方案。

(4)重視可信數(shù)據(jù)源，制定數(shù)據(jù)質(zhì)量計(jì)劃。支撐決策制定的信息必須來(lái)自可信數(shù)據(jù)源，這需要對(duì)可信數(shù)據(jù)源有明確判定，并對(duì)其應(yīng)用的業(yè)務(wù)領(lǐng)域范圍有清晰劃分;在可信數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建主數(shù)據(jù)庫(kù)，便于其他程序檢索到信息，更好地保障信息的完整性和可靠性，同時(shí)降低數(shù)據(jù)管理成本;為所有業(yè)務(wù)制定數(shù)據(jù)質(zhì)量計(jì)劃，避免因數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而導(dǎo)致運(yùn)行中斷甚至決策失誤，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量狀態(tài)良好。

2 智能電網(wǎng)演進(jìn)路線

未來(lái)智能電網(wǎng)是基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的、高集成的集中-分布式混合系統(tǒng)，具有良好的互操作和互通互聯(lián)性，而智能電網(wǎng)架構(gòu)的發(fā)展與演進(jìn)必然遵從IT架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)[12]。在演進(jìn)過(guò)程中架構(gòu)主要呈現(xiàn)以下3個(gè)階段。

2.1 業(yè)務(wù)筒倉(cāng)階段

筒倉(cāng)階段可以被描述為不同業(yè)務(wù)筒倉(cāng)的集合，如圖 1所示。每個(gè)筒倉(cāng)服務(wù)于一個(gè)業(yè)務(wù)單元，具備各自的信息系統(tǒng)，筒倉(cāng)間微小的集成維系著電網(wǎng)有效地運(yùn)行。然而，筒倉(cāng)的這種特點(diǎn)無(wú)法滿(mǎn)足智能化的需求。業(yè)務(wù)的獨(dú)立筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)在以后的集成整合中不僅會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本，同時(shí)也有高風(fēng)險(xiǎn)。所以，筒倉(cāng)間的交互問(wèn)題是演進(jìn)第一步的主要內(nèi)容。

隨著分布式能源接入等新需求的出現(xiàn)，除了筒倉(cāng)間的交互，還要解決與新業(yè)務(wù)的交互問(wèn)題，這就需要在現(xiàn)有業(yè)務(wù)筒倉(cāng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)利用相關(guān)方與筒倉(cāng)之間相應(yīng)的接口，此外，這些不同的接口需隨著需求的發(fā)展演進(jìn)。

2.2 總線部分集成階段

這一階段是標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)階段，主要通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線(ESB)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)、應(yīng)用和服務(wù)的集成，如圖 2所示。ESB以開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)為支撐，將業(yè)務(wù)筒倉(cāng)的應(yīng)用程序共享到整個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)，完成系統(tǒng)間的良好交互和應(yīng)用的靈活調(diào)用，克服了筒倉(cāng)架構(gòu)信息孤島的問(wèn)題[13]。然而ESB集成要求嚴(yán)格地執(zhí)行開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型，否則ESB將只能作為共享的通信介質(zhì)。

雖然ESB架構(gòu)在一定程度上也是集成架構(gòu)，但并不是最終“集成一切的系統(tǒng)”的目標(biāo)架構(gòu)，其下層系統(tǒng)仍然保持著一定的筒倉(cāng)性質(zhì)，在滿(mǎn)足未來(lái)業(yè)務(wù)需求的靈活性和業(yè)務(wù)拓展的松耦合性方面還存在很大欠缺。

2.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合階段

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合階段側(cè)重異構(gòu)系統(tǒng)融合，集成異構(gòu)平臺(tái)下的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)適配器等中間件連接企業(yè)內(nèi)外各種業(yè)務(wù)相關(guān)的異構(gòu)系統(tǒng)、應(yīng)用及數(shù)據(jù)源，從而滿(mǎn)足企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用系統(tǒng)間的信息、數(shù)據(jù)和服務(wù)等的共享，如圖 3所示。

適配器體系架構(gòu)能夠支持異構(gòu)系統(tǒng)的不斷演進(jìn)，這主要得益于適配器的接口轉(zhuǎn)換作用，它將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的消息、數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和路由。但是該架構(gòu)本質(zhì)上是基于消息集成，只是為已有的應(yīng)用系統(tǒng)提供一種中間溝通的解決方案，是一種網(wǎng)路的集成方式，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊化、服務(wù)的可重用及標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，所以它并不是智能電網(wǎng)最終的目標(biāo)架構(gòu)，也不能充分利用開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的良好機(jī)會(huì)。

綜上，筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)將給系統(tǒng)整合集成和信息交互帶來(lái)很大困難，架構(gòu)在演進(jìn)過(guò)程中，首先需要加強(qiáng)業(yè)務(wù)筒倉(cāng)間的交互，通過(guò)總線集成應(yīng)用和后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)筒倉(cāng)到初步集成的過(guò)渡;然后，在部分集成的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的融合，形成利用中間件融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu);之后，在前述基礎(chǔ)上架構(gòu)將向面向服務(wù)過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊化。

3 未來(lái)智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)想

要建成一個(gè)具有很強(qiáng)適應(yīng)性和健壯性的智能電網(wǎng)體系，需要一個(gè)靈活的架構(gòu)作為支撐[14]。以服務(wù)為中心的集成是集成高度異構(gòu)、分布的各個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用的最有效方案。因此，以服務(wù)為中心的架構(gòu)是未來(lái)IT架構(gòu)的發(fā)展目標(biāo)，也是未來(lái)智能電網(wǎng)架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。

基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的分層服務(wù)架構(gòu)延續(xù)了企業(yè)服務(wù)總線的ESB集成和適配器體系架構(gòu)的中間件融合，通過(guò)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)將服務(wù)、業(yè)務(wù)等模塊化，以服務(wù)為中心，并結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和業(yè)務(wù)需要將服務(wù)分類(lèi)分層，形成結(jié)合集中式共享服務(wù)棧和分布式共享服務(wù)棧的分層架構(gòu)，如圖 4所示。這種架構(gòu)滿(mǎn)足“系統(tǒng)的系統(tǒng)”的主要特征，整個(gè)系統(tǒng)由關(guān)聯(lián)的多個(gè)獨(dú)立的分布式系統(tǒng)組成，獨(dú)立在于成員系統(tǒng)的運(yùn)行和管理相互獨(dú)立，而關(guān)聯(lián)在于成員系統(tǒng)需要彼此協(xié)同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，這種協(xié)同關(guān)系只是暫時(shí)的突發(fā)行為[15-16]。

該架構(gòu)面向服務(wù)，將每個(gè)應(yīng)用功能分解為可供訪問(wèn)的服務(wù)。這些服務(wù)具有協(xié)議和技術(shù)的無(wú)關(guān)性，每個(gè)服務(wù)不需要關(guān)心其他服務(wù)的物理位置和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并且可以通過(guò)不同的協(xié)議來(lái)調(diào)用，服務(wù)之間以松耦合方式實(shí)現(xiàn)交互與集成，服務(wù)的增減和修改也不會(huì)影響其他服務(wù)。將服務(wù)按照不同的方式進(jìn)行組合會(huì)形成不同的業(yè)務(wù)流程，可以實(shí)現(xiàn)不同功能。當(dāng)某個(gè)業(yè)務(wù)流程發(fā)生改變時(shí)，一般只需要修改服務(wù)組合方式;當(dāng)有新業(yè)務(wù)需求時(shí)，只需按照業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的服務(wù)，并加入到服務(wù)棧中，通過(guò)與其他服務(wù)的組合便可實(shí)現(xiàn)新的業(yè)務(wù)需求。服務(wù)的松耦合性和重用性減少了系統(tǒng)對(duì)底層編程開(kāi)發(fā)的需要，使得系統(tǒng)可以用更靈活的方式實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

這一架構(gòu)中的接口是基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)一致定義的，使服務(wù)描述易于理解，是實(shí)現(xiàn)服務(wù)可重用的保障;這種接口并不與特定功能強(qiáng)制綁定，能屏蔽實(shí)現(xiàn)技術(shù)和物理位置;只要保證服務(wù)的接口不變，服務(wù)提供者和使用者的變化也不會(huì)影響彼此，從而將變化帶來(lái)的影響降到最小。

基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的分層服務(wù)架構(gòu)支持上文提到的演進(jìn)路線，其優(yōu)勢(shì)還在于可以將已有系統(tǒng)功能應(yīng)用作為服務(wù)進(jìn)行集成，保護(hù)了現(xiàn)有的基礎(chǔ)建設(shè)投資。在架構(gòu)建設(shè)的起初階段，首先考慮從當(dāng)前重要的集成需求開(kāi)始，封裝已有系統(tǒng)和應(yīng)用等，開(kāi)發(fā)必要的新服務(wù)為后續(xù)集成提供基礎(chǔ);隨著集成的服務(wù)越來(lái)越多，最終，絕大部分新的集成需求會(huì)通過(guò)已有的服務(wù)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的集成會(huì)以漸進(jìn)的方式逐步擴(kuò)展。由于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的松耦合性和靈活性，已有系統(tǒng)遷移到新技術(shù)平臺(tái)或者被替代，都不會(huì)影響到相關(guān)功能應(yīng)用，這就使整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和健壯性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)未來(lái)智能電網(wǎng)的需求和發(fā)展趨勢(shì)，提出了架構(gòu)目標(biāo)和原則，注重在降低投資成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜智能電網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上達(dá)到最大的投資效益和最佳的架構(gòu)開(kāi)發(fā)，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)有電網(wǎng)資源的整合利用和程序及服務(wù)等的可重用性和系統(tǒng)的易管理性。提出了不同階段智能電網(wǎng)的演進(jìn)路線，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)從業(yè)務(wù)筒倉(cāng)階段到利用標(biāo)準(zhǔn)化階段再到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合階段的轉(zhuǎn)變，使電網(wǎng)架構(gòu)逐步像未來(lái)需求的架構(gòu)目標(biāo)過(guò)渡，避免了電網(wǎng)系統(tǒng)的重建和設(shè)備的大量替換，最大限度地保護(hù)了現(xiàn)有建設(shè)投資，降低了過(guò)渡成本;提出了未來(lái)智能電網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)想，未來(lái)智能電網(wǎng)的架構(gòu)應(yīng)是基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的分層服務(wù)架構(gòu)，這種架構(gòu)充分結(jié)合利用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)向面向服務(wù)和業(yè)務(wù)模塊化的轉(zhuǎn)變，基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)和接口使架構(gòu)變得非常靈活，同時(shí)使服務(wù)具有很高的可重用性和松耦合性，使得系統(tǒng)在面對(duì)新業(yè)務(wù)的加入和業(yè)務(wù)更替時(shí)具有非常高的適應(yīng)性和健壯性。

（周靜 孫媛媛 胡紫巍 盧利鋒 劉國(guó)軍）

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（文章來(lái)源:《中國(guó)電力》雜志 作者:周靜等 ）