本文總結(jié)了各個標準制定組織在智能電網(wǎng)用戶接口架構(gòu)上進行的工作。借鑒NIST、IEEE和IEC等標準組織的智能電網(wǎng)規(guī)范，提出了一種基于SGAM模型的智能電網(wǎng)用戶接口的設(shè)計思想。重點研究用戶側(cè)中居民用戶與電網(wǎng)側(cè)的信息交互，針對設(shè)計方案的通信架構(gòu)和數(shù)據(jù)模型這2項關(guān)鍵技術(shù)進行了研究并制定了設(shè)計方案。

　　1 智能電網(wǎng)的用戶域范圍

　　IEC智能電網(wǎng)路線圖1.21版提出的智能電網(wǎng)概念模型，見圖1。智能電網(wǎng)由8個部分組成，即發(fā)電域（bulk generation）、輸電域（transmission）、配電域（distribution）、市場域（markets）、運行域（operations）、服務(wù)提供商域（service provider）、用戶域（customer）和分布式能源（DER）。圖1中，實線代表信息流交互，虛線代表能量流交互。

　　如圖1和圖2所示，在智能電網(wǎng)概念模型中，用戶域與市場域、運行域、服務(wù)提供商域和配電域進行信息流交互，居民用戶智能電網(wǎng)信息交互接口用于支持用戶域?qū)嶓w（如家庭能源管理系統(tǒng)、用戶負荷、用戶儲能或分布式電源）與電網(wǎng)側(cè)的各信息處理和運行控制系統(tǒng)之間的安全通信。

　　居民用戶智能電網(wǎng)信息交互接口是智能電網(wǎng)領(lǐng)域中為居民用戶系統(tǒng)和用戶設(shè)備提供通信服務(wù)的實體，通過直接或間接調(diào)用通信網(wǎng)絡(luò)提供的信息交互功能，實現(xiàn)居民用戶應(yīng)用進程與智能電網(wǎng)其他相關(guān)系統(tǒng)之間的通信，旨在促進智能電網(wǎng)的互操作。

　　圖1 智能電網(wǎng)概念模型

　　圖2 智能電網(wǎng)居民用戶信息交互接口

2 居民用戶信息交互架構(gòu)分析　　

如圖3所示，居民用戶智能電網(wǎng)信息交互接口連接3個域，即市場域、服務(wù)域和運行域。

　　電力的運行域在智能電網(wǎng)的領(lǐng)域中不僅要控制電網(wǎng)實施保障電力供應(yīng)，還要管理用戶的電力設(shè)施，包括用戶能源管理系統(tǒng)、用戶負荷設(shè)施、用戶儲能和分布式能源系統(tǒng)進行合理用電和安全用電。

　　用電服務(wù)域包括用電服務(wù)商域和第三方服務(wù)商域。用電服務(wù)商域包括計費系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)、緊急服務(wù)系統(tǒng)、樓宇管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、需求響應(yīng)服務(wù)系統(tǒng)、售電市場管理系統(tǒng)等多種服務(wù)系統(tǒng)。第三方服務(wù)商域包括用戶的輔助系統(tǒng)，例如：電能管理服務(wù)系統(tǒng)、輔助服務(wù)系統(tǒng)、電力市場管理系統(tǒng)、需求響應(yīng)用戶系統(tǒng)、用戶聚合服務(wù)系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)等。用電服務(wù)商提供支持電力系統(tǒng)、配電和用戶之間業(yè)務(wù)流程的服務(wù)。這些業(yè)務(wù)流程不僅包括傳統(tǒng)的公用服務(wù)事業(yè)，如計費、用戶賬戶管理等，還包括擴充的用戶服務(wù)，如能源使用管理、家庭能源發(fā)電等。

　　電力市場域通過電力企業(yè)間的信息交互，對電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量、電能電量平衡等進行管控，為用戶提供交易管理、計劃管理、結(jié)算管理、合同管理及市場成員管理等電力市場信息，指導(dǎo)用戶的電力消費，最終平衡供需關(guān)系。

　　圖3 居民用戶信息交互系統(tǒng)架構(gòu)

　　3 用戶信息接口支持的業(yè)務(wù)

　　居民用戶智能電網(wǎng)信息交互接口的主要功能是為用戶的能源管理系統(tǒng)和設(shè)備提供通信業(yè)務(wù)服務(wù)，用戶設(shè)備使用這些基本的通信服務(wù)功能，可以注冊到用電服務(wù)系統(tǒng)，得到用電服務(wù)系統(tǒng)的認證和授權(quán)后能夠與各種運行、市場和服務(wù)程序進行信息交互，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的互動化。

　　電力市場類業(yè)務(wù)

　　電力市場是智能電網(wǎng)的紐帶，電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)在電力市場通過協(xié)商、競價等方式就電能和其他相關(guān)產(chǎn)品進行交易。目前，各國都在電力市場域進行改革，旨在提高電能效率，促進智能電網(wǎng)發(fā)展。

　　市場交易業(yè)務(wù)是電力市場的根本業(yè)務(wù)。電網(wǎng)側(cè)將用戶側(cè)實時的用電信息傳輸給電力市場，市場通過合理規(guī)劃、競價等方式確定能源交易價格，并將信息傳回電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)。用電價格的傳遞在美國智能電網(wǎng)項目最先被提出，目前，國家發(fā)展和改革委員會在深圳開展輸配電改革試點，將買電、賣電業(yè)務(wù)透明化，這種公開化的市場操作，加強了對電網(wǎng)企業(yè)成本的約束，同時激勵了第三方電力企業(yè)的發(fā)展，更合適未來智能電網(wǎng)的發(fā)展。

　　用電服務(wù)類業(yè)務(wù)

　　隨著電力市場的改革，用電服務(wù)日益重要，用電服務(wù)業(yè)務(wù)主要包括運行服務(wù)業(yè)務(wù)、需求響應(yīng)業(yè)務(wù)、設(shè)備維護業(yè)務(wù)、分布式能源業(yè)務(wù)以及輔助服務(wù)業(yè)務(wù)等。

　　1）運行服務(wù)業(yè)務(wù)是電力生產(chǎn)部門與客戶之間的特殊紐帶，用戶購電后，服務(wù)側(cè)將信息傳回給電網(wǎng)，進行電力的升壓、輸送、降壓、穩(wěn)壓，最后將電能傳送回用戶側(cè)。

　　2）需求響應(yīng)業(yè)務(wù)是指電力用戶針對市場價格信號或激勵機制做出響應(yīng)并改變電力消費模式的行為。用電服務(wù)商向用戶提供合理的用電策略，傳遞需求響應(yīng)和分布式能源事件信息，包括請求和響應(yīng)信息等，通過調(diào)控用戶的用電以保證電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定和市場運行效率。

　　3）設(shè)備維護業(yè)務(wù)包括能源服務(wù)商給電網(wǎng)運行商或用戶的電力設(shè)備提供的運維服務(wù)。

　　4）分布式能源業(yè)務(wù)主要包括傳遞分布式發(fā)電能力信息［包括分布式發(fā)電能力、當前和未來的狀態(tài)信息。分布式發(fā)電包括旋轉(zhuǎn)式存儲（此種發(fā)電機可以非常快的被喚醒，典型是少于15min）和非旋轉(zhuǎn)式存儲（此種發(fā)電機需要15min或大于15min被喚醒）］、分布式能量存儲信息（包括分布式能量存儲能力、當前和未來的狀態(tài)信息）、分布式熱能源存儲的容量和可用性。

　　5）輔助業(yè)務(wù)包括傳遞調(diào)頻和備用等信息。輔助服務(wù)需要通過“快速需求響應(yīng)”實現(xiàn)，即通過快速削減或增加負荷實現(xiàn)服務(wù)。

　　電網(wǎng)運行管理類業(yè)務(wù)

　　電力運行域是智能電網(wǎng)的樞紐，直接操作于電網(wǎng)側(cè)。電力運行域主要提供以配電調(diào)度管理和電廠直供業(yè)務(wù)，例如：傳遞電力故障信息，通知用戶一個電力故障即將到來；傳遞自然災(zāi)害信息，預(yù)測天氣和其他信息；傳遞定向交互信息，解決特定設(shè)備響應(yīng)問題；傳遞能源使用量信息，包括歷史、現(xiàn)在和未來預(yù)測的信息；傳遞緊急控制命令等。

4 用戶信息交互接口設(shè)計

　　接口信息流分析

　　總體來看，目前國外智能電網(wǎng)研究側(cè)重于分布式能源的接入和發(fā)電用電側(cè)的互動，我國智能電網(wǎng)的研究工作側(cè)重于大電網(wǎng)系統(tǒng)的信息獲取與穩(wěn)定控制，這與我國電力網(wǎng)絡(luò)耦合性強的特點有關(guān)。作為電網(wǎng)企業(yè)（發(fā)電、輸電、配電）首先要為用戶提供能量，用戶通過能量接口與電網(wǎng)的配電設(shè)施連接，獲取電能，同時用戶也可通過這個能量接口向電網(wǎng)提供電能，把用戶分布式能源系統(tǒng)的電能反向輸送給電網(wǎng)。電網(wǎng)企業(yè)與用戶主要進行能量流的交互。而電力運行企業(yè)、電力市場、用電服務(wù)商和第三方服務(wù)商主要與用戶進行信息流的傳遞。智能電網(wǎng)信息的流向見圖4。

　　圖4 用戶與電網(wǎng)的信息流分析

　　以居民用戶量測系統(tǒng)為例，量測系統(tǒng)主要用于測量用戶使用電力的情況，每一戶使用智能電網(wǎng)表獲取用戶家庭不同用電設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到運行域、市場域和服務(wù)域并下載3個域回傳信息，結(jié)合電網(wǎng)運行情況進行分析，給用戶提供省電節(jié)能的建議，完成信息流雙向傳遞。

　　接口內(nèi)部層次

　　ISO/IEC開放系統(tǒng)互連基本參考模型（ISO/IEC 7498-1）標準中的分層思想是將龐大而復(fù)雜的問題分為若干較小的易于處理的局部問題，通過對開放系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)7個層次的劃分，將開放系統(tǒng)互連中的服務(wù)、接口和協(xié)議明確地區(qū)分開來，使不同的系統(tǒng)之間實現(xiàn)方便可靠的通信。按照ISO/IEC 7498-1標準的分層思想，遵循IEC Smart Grid Standardization Roadmapv1.21draft中提出的SGAM方法，并結(jié)合智能電網(wǎng)的架構(gòu)，將支持智能電網(wǎng)用戶接口劃分為功能層、信息層、通信層和基礎(chǔ)平臺層4個層次，用戶接口的設(shè)計主要是對功能層、信息層、通信層和組件層的設(shè)計。居民用戶信息交互接口功能層主要用于支持通信業(yè)務(wù)，在功能層對接口提供的服務(wù)進行定義，智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用進程通過調(diào)用功能層實現(xiàn)居民用戶側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的信息交互。

　　用戶域的信息處理級別

　　圖5定義了用戶信息交互接口的四級結(jié)構(gòu)，顯示了不同智能電網(wǎng)域與居民用戶域信息交互的示意圖。此結(jié)構(gòu)遵循電力管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)聚合、空間聚合以及功能分離的概念。用戶域可以通過智能電網(wǎng)用戶接口直接與電力域進行交互，居民用戶信息交互接口適用于具有不同能力和約束的不同類型用戶的交互，接口的物理位置并不重要，當進行不同的通信業(yè)務(wù)時對應(yīng)調(diào)用不同的接口級協(xié)議。

　　圖5 用戶信息交互接口的四級結(jié)構(gòu)

　　在四級結(jié)構(gòu)中：

　?、儇摵杉壈ㄎ锢?、化學(xué)或空間的能量轉(zhuǎn)換過程，調(diào)用此級實現(xiàn)物理設(shè)備（如發(fā)電機、變壓器、斷路器、架空線、電纜、傳感器和電力負荷）的直接接入和斷開等；

　?、趨^(qū)間級包括對用戶負荷系統(tǒng)的各個過程進行保護、控制和監(jiān)控的設(shè)備，如繼電保護設(shè)備、機柜控制器以及所有采集和處理電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的智能電子設(shè)備；

　　③系統(tǒng)級表示對“區(qū)間級”層次的聚合，如數(shù)據(jù)集中、功能聚合、用戶家庭自動化、本地監(jiān)測控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和能源管理；

　?、芨呒墤?yīng)用級包括對用戶進行電力系統(tǒng)控制操作，如能量管理系統(tǒng)（EMS）、微電網(wǎng)管理系統(tǒng)、虛擬電廠管理系統(tǒng)（聚合多個DER）、電動汽車（EV）充電管理系統(tǒng)、客戶關(guān)系管理、計費、能源交易市場等。

　　對于智能電網(wǎng)居民用戶來說，其特點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)量大，如何收集這些數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的實時性和完整性是智能電網(wǎng)要解決的問題之一。而從信息利用角度來看，使用多級信息接口將分散在各類信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行集成，方便不同業(yè)務(wù)關(guān)注人員對數(shù)據(jù)進行應(yīng)用，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的高級分析應(yīng)用功能。

信息交互接口應(yīng)用實現(xiàn)設(shè)計

　　居民用戶信息交互接口實體由一組軟件組成，智能電網(wǎng)域通過調(diào)用軟件，實現(xiàn)功能層、信息層和通信層的功能。

　　目前，定義居民用戶信息交互接口連接5個域，即用戶域、電力市場域、電力運行域、用電服務(wù)域和第三方服務(wù)域。居民用戶信息交互接口旨在滿足居民用戶業(yè)務(wù)層應(yīng)用需求。因此，信息交互接口主要向用戶提供信息管理功能和用電服務(wù)功能。

　　以需求響應(yīng)（DR）系統(tǒng)為例，DR服務(wù)提供商通過居民用戶信息交互接口與用戶實現(xiàn)4個層面的信息交互。用戶通過接口信息管理功能在DR服務(wù)系統(tǒng)注冊。①在高級應(yīng)用級，DR服務(wù)提供商向用戶提供電價信息、價格談判信息、削峰填谷預(yù)期效果信息，由用戶進行預(yù)判并指導(dǎo)設(shè)備運行；②在系統(tǒng)級，DR服務(wù)商將提出的請求行為直接發(fā)送到DR客戶端響應(yīng)，由DR客戶端進行家電下一步行為設(shè)定，設(shè)計******方案，并向下級設(shè)備發(fā)送控制指令，如“減少1kW的負荷”；③在區(qū)間級，DR服務(wù)提供商使用智能插座、恒溫器等自動化設(shè)備發(fā)送信號來控制家電的運行，如能源服務(wù)提供商可能會發(fā)送一個命令到用戶冰箱恒溫器設(shè)定特定的溫度期望值；④在負荷級，DR服務(wù)提供商直接控制家電負荷，例如第三方服務(wù)可以通過DLC直接控制居民用戶空調(diào)和熱水器。

　　結(jié)語

　　智能電網(wǎng)用戶接口研究涉及領(lǐng)域眾多，且有用戶域用電結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多變性帶來的相關(guān)問題，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃缘葐栴}更值得研究和關(guān)注，而本文對居民用戶信息交互的研究只是其中的一部分，并且，現(xiàn)階段研究主要在邏輯層面。因此，必須進一步研究適應(yīng)我國需求的智能電網(wǎng)用戶接口并將成果進行推廣和應(yīng)用，而這些必須根據(jù)我國電網(wǎng)發(fā)展來進行自主創(chuàng)新的研究、設(shè)計和具體實施，并針對電網(wǎng)建設(shè)情況進一步優(yōu)化，從而促進智能電網(wǎng)的推廣。