智能电网体系结构

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,IECSA,智能电网体系结构,4 IECSA,：,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,(integrated energy and communication system architecture,，,IECSA),，和随后延伸的智力电网,(intelligent grid),体系结构，都是由美国,EPRI,创建，,GE,公司管理，有,UCI(Utilities,Consulting International),、,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,(Smart Grid),体系结构的基础。,4 IECSA,：,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。,4 IECSA,：,智能电网的体系结构,4 IECSA,：,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。,4.2 IECSA,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。,4.3,IECSA,体系结构框架,建立,IECSA,体系结构的原则是：,在用例,(use cases),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。,4.3,IECSA,体系结构框架,创建通用信息模型,CIM (Common information,models),并定义公共服务及通用接口,(Common,Services/Generic Interfaces),，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,(Meta,Data),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。,3.3,IECSA,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,IEC 61850, IEC 61968,和,IEC 61970,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。,4.4 IECSA,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。,4.5 IECSA,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,(Finite State Machine),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 (Hardware Description,Language,，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。,4.5 IECSA,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 (Intelligent Electronic Device),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,),。,4.5 IECSA,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，,Advanced Distribution Automation),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。,4.5 IECSA,参考体系结构框架研究的主要内容,(9),控制中心至,ESP (Energy Service Provider,，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 (Remote Transfer Point),、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。,4.5 IECSA,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,IEC TC57 WG14,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。,4.5 IECSA,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,(Meter Data Management Agent,，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,IEC 61850,和,lEC,61970,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,;,4.5 IECSA,参考体系结构框架研究的主要内容,4.5 IECSA,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。,4.5 IECSA,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。,4.6 IECSA,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,:,4.6 IECSA,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,故障定位，隔离和服务恢复,(FLIR),；,d,配电系统偶然性事故分析,(CA),；,e,多重馈电线结构重组,(MFR),；,f,继电保护再协调,(RPR),；,g,电压和无功控制,(VVC),；,h,矫正措施计划,(RAS),的预装备；,i,紧急行动的协调；,j,恢复行动的协调；,k,智能告警处理。,4.6 IECSA,将电力系统业务抽象为,6,个业务领域,(4),高压发电，,包括：,a,自动发电控制；,b,发电设施维护调度；,c,与风电的协调等；,4.6 IECSA,将电力系统业务抽象为,6,个业务领域,(5),分布式能源，包括：,a,分布式能源对市场运作的参与；,b,分布式能源的监测与控制；,c,小电网的管理及分布式能源的维,护管理等。,4.6 IECSA,将电力系统业务抽象为,6,个业务领域,(6),客户服务，包括：,a,自动抄表；,b,实时定价；,c,仪表管理；,d,电能质量监测；,e,损耗管理；,f,用户入口网关,等。,4.7,定义,IECSA,环境需求,用例的数量是有限的，实际上也不可能考虑所有的用例，因为随着时间的推移，不断地会有新的需 求提出，因此需要对一些典型的需求进行分析，提炼出电力系统中存在共性的需求，这才是建立体系结构的基础。出于这个目的，,IECSA,引入了环境的概念来描述这种抽象的需求共性。,IECSA,将一个环境定义为一组具有共性的电力系统需求。,IECSA,的环境实际上是一种信息环境，它代表用例实现过程中对系统体系结构提出的类似要求。需求指标从通信需求、服务质量,(,QoS,),需求、安全需求和数据管理需求,4,个方向确定。,4.7,定义,IECSA,环境需求,(1),通信结构需求：,a,支持两个实体之向点,点的交互；,b,支持几个客户与多个服务器之间的交互；,c,支持几个服务器与多个客户之间的交互；,d,支持对等的交互；,e,支持在环境内部的交互,(,例如在变电站与,控制中心之间,),；,4.7,定义,IECSA,环境需求,f,支持广泛分布的站点之间的交互；,g,支持多播或广播模式；,h,支持网络结构或终端和站点频繁的变,化；,i,支持义务,(mandatory),移动通信；,j,支持约束计算或约束通信。,4.7,定义,IECSA,环境需求,(2),服务质量,(,QoS,),需求：,a,提供小于,4 ms,的超高速,(,短时延,),消息服务；,b,提供小于,10 ms,的甚高速消息服务； 􀂃,c,提供低于,1s,的高速消息服务；􀂃,d,提供大约,10s,的中速消息服务；,e,支持契约的即时性原则,(,数据在规定的时间内或,规定的窗口时间内必须是有效的,),；,f,支持超高的信息流,99.9999(,1/2s),可用性；,g,支持甚高的信,息流,99.999(,5min),可,用性；,4.7,定义,IECSA,环境需求,h,支持很高的信息流,99.99 (,1hour),可用性；,i,支持高的信息流,99.9 (,9hour),可用性；,j,支持中级信息流,99.0 (,3.5days),可用性；,k,支持数据的高精确性,( 0.5,方差,),；,l,对老的或时滞的信息，支持数据的时间同,步；,m,支持高频率的数据,交换。,4.7,定义,IECSA,环境需求,(3),安全需求：,a,提供鉴别机制,(,确定你是你所声称的人,),；,b,为存取控制提供授权,(,解析一个基于策略的存取控制的决定，保证被授权的实体有适当的访问权并且被授权的访问不被否决,),；,c,提供信息的完整性,(,数据不允许未被授权的更改或者这些未被授权的改变未被检测到,),；,d,提供机密性服务,(,经授权的信息访问、反窃听保护,),；,e,提供安全性以防拒绝服务,(,畅通无阻的数据访问，避免拒绝服务,),；,f,提供域间安全性,(,支持穿过组织界面的安全性要求,),；,g,提供对信息的不可否认性,(,不可否认性指的是信息传送的双方无法否认信息不是其所传送或否认其所接到的信息,),；, ,共,24,项。,4.7,定义,IECSA,环境需求,(4),数据管理需求：,a,支持网络管理,(,媒体、传输和通信节点,),；,b,支持系统管理,(,终端装置和应用的管理,),；,c,支持大容量的数据流管理；􀂃,d,支持最新数据的保持；,e,支持广泛的数据有效性程序；,f,支持保持跨越系统或数据库的数据的一致性和同步；,g,支持通过多种不同的用户即时地存取数据；, ,共,14,项。,4.7,定义,IECSA,环境需求,IECSA,抽象出的,20,个基本通信环境，考虑了变电站、调度控制中心、现场设备、发电厂、客户、分布式能源控制中心和外部业务关联单位之间的通信需求；另一方面，还考虑了变电站、控制中心、发电厂和客户内部的通信需求。,上述环境的抽象虽然不一定合理，但是对于电力系统通信环境还是给出了一个比较全面的概括，初步建立了电力系统的信息交换模型。,在实际工作中，可以参照,IECSA,对,通信模型进行抽象分类的思路，结合实际情况确立系统通信模 型，再在该模型的基础上分析具体的实现技术。,4.8,长达,410,页的,4,卷,IECSA,项目报告,第,1,卷：用户规范和建议,(Volume I,：,User Guidelines and Recommendations),第,2,卷：功能要求,(Volume II: Functional Requirements),第,3,卷：,模型,(Volume III: Models),第,4,卷：技术分析,(Volume IV: Technical Analysis),报告中同时还提供了对应的统一建模语言,UML,(,Unified Modeling Language),形式的电子文档。,UML,主要用来规范、表示和构造系统的模型。它是一种被广泛采纳的可视化建模语言,它将系统结构的共同特征用相关语义、符号、图形加以描述，适合使用各种开发方法的用户，也适合于并行和分布式系统的开发。,UML,完全独立于,开发过程。,