智能電網(wǎng)架構的目標原則和智能電網(wǎng)架構的演進路線探討

引言

隨著對智能電網(wǎng)的迫切需求，各國正在加快部署和推進智能電網(wǎng)建設。很多國際組織已經(jīng)紛紛發(fā)布了一系列智能電網(wǎng)架構白皮書、標準和路線圖等，并且仍在不斷改進和研究中[1]。如美國國家標準與技術研究院(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個領域，側重互操作性，提出了一系列的標準、規(guī)范和指南，并制訂了優(yōu)先行動計劃;國際電工委員會(IEC)第57技術委員會(TC57)的核心標準之一——IECTR 62357對智能電網(wǎng)的參考架構框架進行了描述，包括數(shù)據(jù)模型、服務、協(xié)議以及面向未來系統(tǒng)集成的所有應用程序的融合[2-4]。

中國在智能電網(wǎng)標準方面也做出了一定的貢獻，如IEEE 1888工作組提出泛在綠色社區(qū)控制網(wǎng)絡標準，為構建能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智慧化的“創(chuàng)能、儲能、節(jié)能”;IEC PC118工作組側重用戶側系統(tǒng)/設備的信息交換接口，并已形成《智能電網(wǎng)用戶接口技術規(guī)范》[5-6]。然而，中國在智能電網(wǎng)架構方面還沒有相關工作，國家電網(wǎng)公司也只在宏觀上提出了堅強智能電網(wǎng)的標準體系框架[7]。本文基于諸多權威機構提出的智能電網(wǎng)相關標準、規(guī)范、白皮書和架構框架，結合IT架構的發(fā)展路線，對智能電網(wǎng)架構的目標原則和智能電網(wǎng)架構的演進路線進行描述，并提出了滿足未來智能電網(wǎng)不確定性需求的、以服務為中心的架構設想。

1 智能電網(wǎng)架構的目標原則

未來20年是“傳統(tǒng)電網(wǎng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸悄茈娋W(wǎng)”的過渡階段，要經(jīng)歷漫長的改進和更替[8]。智能電網(wǎng)架構目標主要包括：對新技術的強適應性，促進信息通信新技術與傳統(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)定運行;控制信息和通信技術(ICT)系統(tǒng)支撐電網(wǎng)智能化日益增長的復雜度;新技術與智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略目標和發(fā)展規(guī)劃相匹配;制定長遠方案，不僅要實現(xiàn)智能電網(wǎng)愿景，還能滿足未來不確定的業(yè)務需求;支持各類交互，確保互操作，避免信息孤島;智能電網(wǎng)架構最終是簡單、透明的。

確定智能電網(wǎng)架構目標之后，需要一系列的高層次設計原則來指導架構開發(fā)工作，基于智能電網(wǎng)愿景和發(fā)展趨勢、業(yè)務需求、企業(yè)資本和投資成本、決策制定等方面，從設計開發(fā)技術人員、管理人員和用戶、決策高層的角度出發(fā)，提出以下架構開發(fā)原則[8-11]：

(1)簡化系統(tǒng)結構，創(chuàng)建衡量機制。利用戰(zhàn)略性資產(chǎn)優(yōu)勢簡化系統(tǒng)結構，尤其是簡化企業(yè)內(nèi)部流程，大幅度提高員工工作效率。重要技術決策要以總體擁有成本為基礎，建立企業(yè)績效和價值的可衡量機制，驗證當前ICT模式是否為最佳模式，同時使ICT達到投資回報最大化。

(2)開發(fā)緊密圍繞需求，為后續(xù)開發(fā)帶來便利。利用業(yè)務流程使開發(fā)轉(zhuǎn)型為“以流程為中心”，驅(qū)動ICT發(fā)展，不斷提高其有效性和服務效率;開發(fā)通用數(shù)據(jù)模型，創(chuàng)建統(tǒng)一的易于訪問的數(shù)據(jù)字典，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快捷交換、集成和共享，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提高運行效率;流程、數(shù)據(jù)、服務甚至ICT系統(tǒng)等應具備可重用性，以加快業(yè)務交付能力、降低投入成本，使系統(tǒng)處于可持續(xù)發(fā)展狀態(tài);此外，應用程序應是可移植的，要求采用開放標準和通用數(shù)據(jù)模型及建模方法，使程序與平臺、位置和虛擬化無關，能迅速增加、修改、刪減和替換服務。

(3)充分利用現(xiàn)有資源，避免大規(guī)模重建。最大限度吸收當前系統(tǒng)及設備組件，減少低價值應用和引入，以便調(diào)用高價值應用及重用現(xiàn)有通用服務，不僅可以減少基礎服務的冗余和開發(fā)成本，加快服務市場進度，同時也能提高系統(tǒng)的互操作性，優(yōu)化關鍵業(yè)務的可管理性。這就需要分析現(xiàn)有資源的整合方式，設計利用現(xiàn)有產(chǎn)品或服務等資源的業(yè)務流程和解決方案。

(4)重視可信數(shù)據(jù)源，制定數(shù)據(jù)質(zhì)量計劃。支撐決策制定的信息必須來自可信數(shù)據(jù)源，這需要對可信數(shù)據(jù)源有明確判定，并對其應用的業(yè)務領域范圍有清晰劃分;在可信數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建主數(shù)據(jù)庫，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，同時降低數(shù)據(jù)管理成本;為所有業(yè)務制定數(shù)據(jù)質(zhì)量計劃，避免因數(shù)據(jù)錯誤而導致運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)演進路線

未來智能電網(wǎng)是基于開放標準的、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)架構的發(fā)展與演進必然遵從IT架構的發(fā)展趨勢[12]。在演進過程中架構主要呈現(xiàn)以下3個階段。

2.1 業(yè)務筒倉階段

筒倉階段可以被描述為不同業(yè)務筒倉的集合，如圖 1所示。每個筒倉服務于一個業(yè)務單元，具備各自的信息系統(tǒng)，筒倉間微小的集成維系著電網(wǎng)有效地運行。然而，筒倉的這種特點無法滿足智能化的需求。業(yè)務的獨立筒倉結構在以后的集成整合中不僅會耗費大量的時間和成本，同時也有高風險。所以，筒倉間的交互問題是演進第一步的主要內(nèi)容。?

隨著分布式能源接入等新需求的出現(xiàn)，除了筒倉間的交互，還要解決與新業(yè)務的交互問題，這就需要在現(xiàn)有業(yè)務筒倉的基礎上開發(fā)利用相關方與筒倉之間相應的接口，此外，這些不同的接口需隨著需求的發(fā)展演進。

2.2 總線部分集成階段

這一階段是標準化技術階段，主要通過企業(yè)服務總線(ESB)實現(xiàn)后臺、應用和服務的集成，如圖 2所示。ESB以開放標準為支撐，將業(yè)務筒倉的應用程序共享到整個基礎架構，完成系統(tǒng)間的良好交互和應用的靈活調(diào)用，克服了筒倉架構信息孤島的問題[13]。然而ESB集成要求嚴格地執(zhí)行開放標準和數(shù)據(jù)模型，否則ESB將只能作為共享的通信介質(zhì)。?

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

2.3 異構網(wǎng)絡融合階段

異構網(wǎng)絡融合階段側重異構系統(tǒng)融合，集成異構平臺下的業(yè)務應用系統(tǒng)，通過適配器等中間件連接企業(yè)內(nèi)外各種業(yè)務相關的異構系統(tǒng)、應用及數(shù)據(jù)源，從而滿足企業(yè)內(nèi)部應用系統(tǒng)間的信息、數(shù)據(jù)和服務等的共享，如圖 3所示。?

適配器體系架構能夠支持異構系統(tǒng)的不斷演進，這主要得益于適配器的接口轉(zhuǎn)換作用，它將異構網(wǎng)絡的消息、數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和路由。但是該架構本質(zhì)上是基于消息集成，只是為已有的應用系統(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，并沒有實現(xiàn)業(yè)務模塊化、服務的可重用及標準的統(tǒng)一，所以它并不是智能電網(wǎng)最終的目標架構，也不能充分利用開放的互聯(lián)網(wǎng)技術提供的良好機會。

綜上，筒倉結構業(yè)務將給系統(tǒng)整合集成和信息交互帶來很大困難，架構在演進過程中，首先需要加強業(yè)務筒倉間的交互，通過總線集成應用和后臺，實現(xiàn)業(yè)務筒倉到初步集成的過渡;然后，在部分集成的基礎上實現(xiàn)相關領域?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡和數(shù)據(jù)的融合，形成利用中間件融合異構網(wǎng)絡的架構;之后，在前述基礎上架構將向面向服務過渡，實現(xiàn)業(yè)務模塊化。

3 未來智能電網(wǎng)架構設想

要建成一個具有很強適應性和健壯性的智能電網(wǎng)體系，需要一個靈活的架構作為支撐[14]。以服務為中心的集成是集成高度異構、分布的各個系統(tǒng)和應用的最有效方案。因此，以服務為中心的架構是未來IT架構的發(fā)展目標，也是未來智能電網(wǎng)架構的發(fā)展趨勢。

基于開放標準的分層服務架構延續(xù)了企業(yè)服務總線的ESB集成和適配器體系架構的中間件融合，通過開放標準將服務、業(yè)務等模塊化，以服務為中心，并結合電網(wǎng)系統(tǒng)的特點和業(yè)務需要將服務分類分層，形成結合集中式共享服務棧和分布式共享服務棧的分層架構，如圖 4所示。這種架構滿足“系統(tǒng)的系統(tǒng)”的主要特征，整個系統(tǒng)由關聯(lián)的多個獨立的分布式系統(tǒng)組成，獨立在于成員系統(tǒng)的運行和管理相互獨立，而關聯(lián)在于成員系統(tǒng)需要彼此協(xié)同實現(xiàn)系統(tǒng)功能，這種協(xié)同關系只是暫時的突發(fā)行為[15-16]。?

該架構面向服務，將每個應用功能分解為可供訪問的服務。這些服務具有協(xié)議和技術的無關性，每個服務不需要關心其他服務的物理位置和實現(xiàn)技術，并且可以通過不同的協(xié)議來調(diào)用，服務之間以松耦合方式實現(xiàn)交互與集成，服務的增減和修改也不會影響其他服務。將服務按照不同的方式進行組合會形成不同的業(yè)務流程，可以實現(xiàn)不同功能。當某個業(yè)務流程發(fā)生改變時，一般只需要修改服務組合方式;當有新業(yè)務需求時，只需按照業(yè)務需求設計相應的服務，并加入到服務棧中，通過與其他服務的組合便可實現(xiàn)新的業(yè)務需求。服務的松耦合性和重用性減少了系統(tǒng)對底層編程開發(fā)的需要，使得系統(tǒng)可以用更靈活的方式實現(xiàn)更高質(zhì)量的開發(fā)應用。

這一架構中的接口是基于開放標準一致定義的，使服務描述易于理解，是實現(xiàn)服務可重用的保障;這種接口并不與特定功能強制綁定，能屏蔽實現(xiàn)技術和物理位置;只要保證服務的接口不變，服務提供者和使用者的變化也不會影響彼此，從而將變化帶來的影響降到最小。

基于開放標準的分層服務架構支持上文提到的演進路線，其優(yōu)勢還在于可以將已有系統(tǒng)功能應用作為服務進行集成，保護了現(xiàn)有的基礎建設投資。在架構建設的起初階段，首先考慮從當前重要的集成需求開始，封裝已有系統(tǒng)和應用等，開發(fā)必要的新服務為后續(xù)集成提供基礎;隨著集成的服務越來越多，最終，絕大部分新的集成需求會通過已有的服務實現(xiàn)，整個系統(tǒng)的集成會以漸進的方式逐步擴展。由于開放標準帶來的松耦合性和靈活性，已有系統(tǒng)遷移到新技術平臺或者被替代，都不會影響到相關功能應用，這就使整個系統(tǒng)具有很強的適應性和健壯性。

4 結語

本文根據(jù)未來智能電網(wǎng)的需求和發(fā)展趨勢，提出了架構目標和原則，注重在降低投資成本和實現(xiàn)復雜智能電網(wǎng)架構的基礎上達到最大的投資效益和最佳的架構開發(fā)，強調(diào)現(xiàn)有電網(wǎng)資源的整合利用和程序及服務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)的演進路線，實現(xiàn)了電網(wǎng)從業(yè)務筒倉階段到利用標準化階段再到異構網(wǎng)絡融合階段的轉(zhuǎn)變，使電網(wǎng)架構逐步像未來需求的架構目標過渡，避免了電網(wǎng)系統(tǒng)的重建和設備的大量替換，最大限度地保護了現(xiàn)有建設投資，降低了過渡成本;提出了未來智能電網(wǎng)架構的設想，未來智能電網(wǎng)的架構應是基于開放標準的分層服務架構，這種架構充分結合利用了互聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)了系統(tǒng)向面向服務和業(yè)務模塊化的轉(zhuǎn)變，基于開放標準的服務和接口使架構變得非常靈活，同時使服務具有很高的可重用性和松耦合性，使得系統(tǒng)在面對新業(yè)務的加入和業(yè)務更替時具有非常高的適應性和健壯性。