智能电网架构的目标原则和智能电网架构的演进路线探讨

引言

随着对智能电网的迫切需求，各国正在加快部署和推进智能电网建设。很多国际组织已经纷纷发布了一系列智能电网架构白皮书、标准和路线图等，并且仍在不断改进和研究中[1]。如美国国家标准与技术研究院(NIST)先后发布了《智能电网互操作体系框架和路线图》的1.0版、2.0版和3.0版草案，将智能电网划分为7个领域，侧重互操作性，提出了一系列的标准、规范和指南，并制订了优先行动计划;国际电工委员会(IEC)第57技术委员会(TC57)的核心标准之一——IECTR 62357对智能电网的参考架构框架进行了描述，包括数据模型、服务、协议以及面向未来系统集成的所有应用程序的融合[2-4]。

中国在智能电网标准方面也做出了一定的贡献，如IEEE 1888工作组提出泛在绿色社区控制网络标准，为构建能源互联网实现智慧化的“创能、储能、节能”;IEC PC118工作组侧重用户侧系统/设备的信息交换接口，并已形成《智能电网用户接口技术规范》[5-6]。然而，中国在智能电网架构方面还没有相关工作，国家电网公司也只在宏观上提出了坚强智能电网的标准体系框架[7]。本文基于诸多权威机构提出的智能电网相关标准、规范、白皮书和架构框架，结合IT架构的发展路线，对智能电网架构的目标原则和智能电网架构的演进路线进行描述，并提出了满足未来智能电网不确定性需求的、以服务为中心的架构设想。

1 智能电网架构的目标原则

未来20年是“传统电网”转变为“智能电网”的过渡阶段，要经历漫长的改进和更替[8]。智能电网架构目标主要包括：对新技术的强适应性，促进信息通信新技术与传统电网相融合，确保系统在增加新功能模块后仍能高效稳定运行;控制信息和通信技术(ICT)系统支撑电网智能化日益增长的复杂度;新技术与智能电网的战略目标和发展规划相匹配;制定长远方案，不仅要实现智能电网愿景，还能满足未来不确定的业务需求;支持各类交互，确保互操作，避免信息孤岛;智能电网架构最终是简单、透明的。

确定智能电网架构目标之后，需要一系列的高层次设计原则来指导架构开发工作，基于智能电网愿景和发展趋势、业务需求、企业资本和投资成本、决策制定等方面，从设计开发技术人员、管理人员和用户、决策高层的角度出发，提出以下架构开发原则[8-11]：

(1)简化系统结构，创建衡量机制。利用战略性资产优势简化系统结构，尤其是简化企业内部流程，大幅度提高员工工作效率。重要技术决策要以总体拥有成本为基础，建立企业绩效和价值的可衡量机制，验证当前ICT模式是否为最佳模式，同时使ICT达到投资回报最大化。

(2)开发紧密围绕需求，为后续开发带来便利。利用业务流程使开发转型为“以流程为中心”，驱动ICT发展，不断提高其有效性和服务效率;开发通用数据模型，创建统一的易于访问的数据字典，实现数据快捷交换、集成和共享，减少数据转换，提高运行效率;流程、数据、服务甚至ICT系统等应具备可重用性，以加快业务交付能力、降低投入成本，使系统处于可持续发展状态;此外，应用程序应是可移植的，要求采用开放标准和通用数据模型及建模方法，使程序与平台、位置和虚拟化无关，能迅速增加、修改、删减和替换服务。

(3)充分利用现有资源，避免大规模重建。最大限度吸收当前系统及设备组件，减少低价值应用和引入，以便调用高价值应用及重用现有通用服务，不仅可以减少基础服务的冗余和开发成本，加快服务市场进度，同时也能提高系统的互操作性，优化关键业务的可管理性。这就需要分析现有资源的整合方式，设计利用现有产品或服务等资源的业务流程和解决方案。

(4)重视可信数据源，制定数据质量计划。支撑决策制定的信息必须来自可信数据源，这需要对可信数据源有明确判定，并对其应用的业务领域范围有清晰划分;在可信数据源中创建主数据库，便于其他程序检索到信息，更好地保障信息的完整性和可靠性，同时降低数据管理成本;为所有业务制定数据质量计划，避免因数据错误而导致运行中断甚至决策失误，确保数据质量状态良好。

2 智能电网演进路线

未来智能电网是基于开放标准的、高集成的集中-分布式混合系统，具有良好的互操作和互通互联性，而智能电网架构的发展与演进必然遵从IT架构的发展趋势[12]。在演进过程中架构主要呈现以下3个阶段。

2.1 业务筒仓阶段

筒仓阶段可以被描述为不同业务筒仓的集合，如图 1所示。每个筒仓服务于一个业务单元，具备各自的信息系统，筒仓间微小的集成维系着电网有效地运行。然而，筒仓的这种特点无法满足智能化的需求。业务的独立筒仓结构在以后的集成整合中不仅会耗费大量的时间和成本，同时也有高风险。所以，筒仓间的交互问题是演进第一步的主要内容。 

随着分布式能源接入等新需求的出现，除了筒仓间的交互，还要解决与新业务的交互问题，这就需要在现有业务筒仓的基础上开发利用相关方与筒仓之间相应的接口，此外，这些不同的接口需随着需求的发展演进。

2.2 总线部分集成阶段

这一阶段是标准化技术阶段，主要通过企业服务总线(ESB)实现后台、应用和服务的集成，如图 2所示。ESB以开放标准为支撑，将业务筒仓的应用程序共享到整个基础架构，完成系统间的良好交互和应用的灵活调用，克服了筒仓架构信息孤岛的问题[13]。然而ESB集成要求严格地执行开放标准和数据模型，否则ESB将只能作为共享的通信介质。 

虽然ESB架构在一定程度上也是集成架构，但并不是最终“集成一切的系统”的目标架构，其下层系统仍然保持着一定的筒仓性质，在满足未来业务需求的灵活性和业务拓展的松耦合性方面还存在很大欠缺。

2.3 异构网络融合阶段

异构网络融合阶段侧重异构系统融合，集成异构平台下的业务应用系统，通过适配器等中间件连接企业内外各种业务相关的异构系统、应用及数据源，从而满足企业内部应用系统间的信息、数据和服务等的共享，如图 3所示。 

适配器体系架构能够支持异构系统的不断演进，这主要得益于适配器的接口转换作用，它将异构网络的消息、数据进行格式转换和路由。但是该架构本质上是基于消息集成，只是为已有的应用系统提供一种中间沟通的解决方案，是一种网路的集成方式，并没有实现业务模块化、服务的可重用及标准的统一，所以它并不是智能电网最终的目标架构，也不能充分利用开放的互联网技术提供的良好机会。

综上，筒仓结构业务将给系统整合集成和信息交互带来很大困难，架构在演进过程中，首先需要加强业务筒仓间的交互，通过总线集成应用和后台，实现业务筒仓到初步集成的过渡;然后，在部分集成的基础上实现相关领域专用网络和数据的融合，形成利用中间件融合异构网络的架构;之后，在前述基础上架构将向面向服务过渡，实现业务模块化。

3 未来智能电网架构设想

要建成一个具有很强适应性和健壮性的智能电网体系，需要一个灵活的架构作为支撑[14]。以服务为中心的集成是集成高度异构、分布的各个系统和应用的最有效方案。因此，以服务为中心的架构是未来IT架构的发展目标，也是未来智能电网架构的发展趋势。

基于开放标准的分层服务架构延续了企业服务总线的ESB集成和适配器体系架构的中间件融合，通过开放标准将服务、业务等模块化，以服务为中心，并结合电网系统的特点和业务需要将服务分类分层，形成结合集中式共享服务栈和分布式共享服务栈的分层架构，如图 4所示。这种架构满足“系统的系统”的主要特征，整个系统由关联的多个独立的分布式系统组成，独立在于成员系统的运行和管理相互独立，而关联在于成员系统需要彼此协同实现系统功能，这种协同关系只是暂时的突发行为[15-16]。 

该架构面向服务，将每个应用功能分解为可供访问的服务。这些服务具有协议和技术的无关性，每个服务不需要关心其他服务的物理位置和实现技术，并且可以通过不同的协议来调用，服务之间以松耦合方式实现交互与集成，服务的增减和修改也不会影响其他服务。将服务按照不同的方式进行组合会形成不同的业务流程，可以实现不同功能。当某个业务流程发生改变时，一般只需要修改服务组合方式;当有新业务需求时，只需按照业务需求设计相应的服务，并加入到服务栈中，通过与其他服务的组合便可实现新的业务需求。服务的松耦合性和重用性减少了系统对底层编程开发的需要，使得系统可以用更灵活的方式实现更高质量的开发应用。

这一架构中的接口是基于开放标准一致定义的，使服务描述易于理解，是实现服务可重用的保障;这种接口并不与特定功能强制绑定，能屏蔽实现技术和物理位置;只要保证服务的接口不变，服务提供者和使用者的变化也不会影响彼此，从而将变化带来的影响降到最小。

基于开放标准的分层服务架构支持上文提到的演进路线，其优势还在于可以将已有系统功能应用作为服务进行集成，保护了现有的基础建设投资。在架构建设的起初阶段，首先考虑从当前重要的集成需求开始，封装已有系统和应用等，开发必要的新服务为后续集成提供基础;随着集成的服务越来越多，最终，绝大部分新的集成需求会通过已有的服务实现，整个系统的集成会以渐进的方式逐步扩展。由于开放标准带来的松耦合性和灵活性，已有系统迁移到新技术平台或者被替代，都不会影响到相关功能应用，这就使整个系统具有很强的适应性和健壮性。

4 结语

本文根据未来智能电网的需求和发展趋势，提出了架构目标和原则，注重在降低投资成本和实现复杂智能电网架构的基础上达到最大的投资效益和最佳的架构开发，强调现有电网资源的整合利用和程序及服务等的可重用性和系统的易管理性。提出了不同阶段智能电网的演进路线，实现了电网从业务筒仓阶段到利用标准化阶段再到异构网络融合阶段的转变，使电网架构逐步像未来需求的架构目标过渡，避免了电网系统的重建和设备的大量替换，最大限度地保护了现有建设投资，降低了过渡成本;提出了未来智能电网架构的设想，未来智能电网的架构应是基于开放标准的分层服务架构，这种架构充分结合利用了互联网技术的优势，实现了系统向面向服务和业务模块化的转变，基于开放标准的服务和接口使架构变得非常灵活，同时使服务具有很高的可重用性和松耦合性，使得系统在面对新业务的加入和业务更替时具有非常高的适应性和健壮性。