全國范圍內(nèi)的電網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展被人們認(rèn)為是20世紀(jì)的最高工程成就。盡管它取得了成功和巨大的影響，但是美國及其他國家的電網(wǎng)都在經(jīng)受著來自日益增長的需求和正在老化的基礎(chǔ)設(shè)施的雙重壓力。在一些經(jīng)濟(jì)上仍處于發(fā)展中的國家，現(xiàn)有的電網(wǎng)無法滿足大量人口的需求。這些壓力引發(fā)了人們對于如何設(shè)計(jì)和操作電網(wǎng)，及電網(wǎng)與終端用戶交互方式的新想法。重新設(shè)計(jì)電網(wǎng)的愿景仍然不斷涌現(xiàn)，但是這種現(xiàn)代化已經(jīng)被稱為“智能電網(wǎng)”。在美國，一個發(fā)展智能電網(wǎng)的國家政策已經(jīng)在2007年通過公共法律建立了起來。

現(xiàn)在的電網(wǎng)可以描述成為一個電能單向流動的自上而下系統(tǒng)，電能從中央發(fā)電廠發(fā)出，經(jīng)地區(qū)輸電系統(tǒng)傳送至本地的配電系統(tǒng)和終端負(fù)荷。市場運(yùn)營中心和發(fā)輸電系統(tǒng)會根據(jù)有限的態(tài)勢感知及消費(fèi)者交互信息來采取控制措施，以平衡供給與需求。由于自動化水平有限，在大多數(shù)情況下，除非消費(fèi)者主動報(bào)送信息，否則設(shè)備無法自己檢測出服務(wù)中斷。在未來智能電網(wǎng)的背后，部分想法是改進(jìn)用于管理電能發(fā)送和分配的監(jiān)控技術(shù)，但最主要的想法是通過信息技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施與電網(wǎng)結(jié)合來轉(zhuǎn)變電網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，這將使電力流與信息流的雙向流動成為現(xiàn)實(shí)。

電網(wǎng)現(xiàn)代化的驅(qū)動力之一是希望大幅增加可再生發(fā)電資源的利用，主要是風(fēng)電及光伏發(fā)電。這些資源的波動性很大，而利用大規(guī)模的儲能來平緩這種波動性目前還未被證實(shí)是經(jīng)濟(jì)可行的。隨著這些波動性能源的利用不斷增加，匹配瞬時(shí)的發(fā)電與需求變得困難了起來。結(jié)合了自動控制技術(shù)的電網(wǎng)與消費(fèi)者間的雙向通信能夠快速地調(diào)節(jié)家庭和樓宇系統(tǒng)中的負(fù)荷或發(fā)電資源，能夠使家庭和樓宇在管控電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性方面成為伙伴。利用預(yù)測和轉(zhuǎn)移負(fù)荷所增加的能力有助于更好地利用電網(wǎng)資源，因?yàn)槠交?fù)荷意味著只需較少的資源就能管理電力峰值。

圖1 智能電網(wǎng)將雙向通信的基礎(chǔ)設(shè)施和本地發(fā)電與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)結(jié)合起來

智能電網(wǎng)與設(shè)備間接口的主要概念

在智能電網(wǎng)的環(huán)境中，正在形成的國際共識認(rèn)為各種交互最有可能位于能源供應(yīng)者與消費(fèi)者之間。這些交互過程以用例的形式被記錄。能源供應(yīng)者與消費(fèi)者之間實(shí)現(xiàn)交互動作的接口的目的與特征也正在不斷取得共識。這些特征包括集成能力，即能夠輕易地集成各種各樣的、基于設(shè)施管理標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境。

已經(jīng)有國際標(biāo)準(zhǔn)支撐著的成熟產(chǎn)業(yè)，這些國際標(biāo)準(zhǔn)用于工業(yè)過程和商業(yè)樓宇的自動化和控制系統(tǒng)。在住宅應(yīng)用的自動化和控制系統(tǒng)方面，正在不斷涌現(xiàn)新的產(chǎn)業(yè)和一些新興的標(biāo)準(zhǔn)。在這些環(huán)境中，技術(shù)、需求和成本約束是不同的。用于消費(fèi)者設(shè)施領(lǐng)域（居民、商業(yè)、工業(yè)）的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)不同于支撐電網(wǎng)運(yùn)行的控制技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

為了使消費(fèi)者設(shè)備領(lǐng)域的控制和自動化系統(tǒng)與智能電網(wǎng)系統(tǒng)以協(xié)作的方式交互，在這兩個領(lǐng)域之間需要接口的存在。圖2對此做出了圖例說明。這種接口必須具備以下特征：

它定義了經(jīng)接口傳送的信息，并允許應(yīng)用靈活地使用這些信息；

它能使兩側(cè)的系統(tǒng)各自獨(dú)立地升級；

它的特性應(yīng)豐富至足以滿足可能在商業(yè)和工業(yè)設(shè)備上發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜控制系統(tǒng)的需求，簡單至對于居民消費(fèi)者所使用的簡單系統(tǒng)也是經(jīng)濟(jì)可行的；

它應(yīng)該被標(biāo)準(zhǔn)化，以使可互操作的商業(yè)產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

圖2 電網(wǎng)域與用戶域之間用戶接口（藍(lán)線）的高層級視圖

美國的新興標(biāo)準(zhǔn)

在美國，一個公共/私營伙伴關(guān)系，智能電網(wǎng)互操作委員會（Smart Grid Interoperability Panel ，SGIP）已經(jīng)成立，用以加快開發(fā)和實(shí)現(xiàn)互操作的智能電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)。SGIP的部分努力旨在通過和眾多的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展組織合作以促進(jìn)所需標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)，并從SGIP的標(biāo)準(zhǔn)目錄上識別出重要的智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。SGIP也支持產(chǎn)品檢測、認(rèn)證過程和行業(yè)利益相關(guān)者教育的開發(fā)工作。一些已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)名錄認(rèn)定的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或正在SGIP的影響下編制的標(biāo)準(zhǔn)與電網(wǎng)及消費(fèi)者之間的接口相關(guān)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括OASIS能源互操作協(xié)議，OpenADR 2.0 ， IEEE 2030.5智能能源協(xié)議2.0［12］和能源服務(wù)供應(yīng)者接口（Energy Services Provider Interface ，ESPI）。下一節(jié)會討論這些標(biāo)準(zhǔn)。

OASIS能源互操作協(xié)議

能源互操作協(xié)議1.0（Energy Interoperation ，EI）發(fā)布于2011年12月，結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織（Organization for the Advancement of Structured Information Standards ，OASIS）的一個技術(shù)委員會負(fù)責(zé)對該協(xié)議進(jìn)行維護(hù)。EI指定了一種信息模型和報(bào)文來實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)事件、實(shí)時(shí)電價(jià)、市場參與投標(biāo)和報(bào)價(jià)、負(fù)荷和發(fā)電預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)通信。該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)包括：規(guī)范文檔的范圍、架構(gòu)、含有統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language ，UML）圖表的服務(wù)描述以及可擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language，XML）架構(gòu)形式的服務(wù)描述（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)報(bào)文必須與此架構(gòu)一致）。該規(guī)范和架構(gòu)可從OASIS免費(fèi)獲取。

EI服務(wù)于電網(wǎng)域和消費(fèi)者域之間的需求響應(yīng)和其他的市場通信。EI的架構(gòu)很簡單，減少至兩方之間的服務(wù)交互。一方可以是設(shè)備能源管理系統(tǒng)或裝置、需求響應(yīng)供應(yīng)者、市場運(yùn)營商、配電系統(tǒng)運(yùn)營商、微網(wǎng)及任何其他的需求響應(yīng)事件或能源市場交易的參與者。

EI標(biāo)準(zhǔn)指定了三種配置文件，在已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)描述中，可被看作為三種基本的用例。

（1）OpenADR-該配置文件定義了需求響應(yīng)事件和價(jià)格通信所要求的服務(wù)。它是以O(shè)penADR 1.0規(guī)范的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)所提煉出的功能和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)為基礎(chǔ)建立起來的；

（2）價(jià)格分布-該配置文件定義了在純粹的價(jià)格分布環(huán)境中交互所需的最小服務(wù)集，不要求能源市場交易和基于事件的需求響應(yīng)交互；

（3）TEMIX-該配置文件定義了實(shí)現(xiàn)更多的通用能源市場交互功能所需的服務(wù)，這些交互取決于協(xié)商性的基于價(jià)格的交易。

開放式自動需求響應(yīng)

對電網(wǎng)而言，最為緊迫和普遍的壓力之一即對短期峰值需求的管理。各式各樣的示范工程已經(jīng)表明，消費(fèi)者響應(yīng)來自電網(wǎng)服務(wù)提供商請求從而減少電力消費(fèi)的需求響應(yīng)項(xiàng)目有助于降低高峰負(fù)荷。OpenADR 1.0為了實(shí)現(xiàn)DR信號和響應(yīng)的自動化而發(fā)展起來。自動化提供了一種同時(shí)增加DR項(xiàng)目規(guī)模（參與響應(yīng)的消費(fèi)者數(shù)量）和確保響應(yīng)更為可靠且可預(yù)測的方法。從OpenADR 1.0的部署所學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)促進(jìn)了對其的改進(jìn)，并發(fā)展出了OpenADR 2.0.

OpenADR 2.0是一種用于DR和價(jià)格信號的通信協(xié)議，并定義了安全性配置文件。OpenADR的設(shè)計(jì)初衷是為電網(wǎng)域和設(shè)施域之間的DR事件所涉及到的重要信息的通信提供服務(wù)（圖2）。OpenADR中涉及電力、能源相關(guān)的信息要素均符合IEC的通用信息模型（Common Information Model ，CIM）標(biāo)準(zhǔn)。目前，IEC PC 118正在考慮接納OpenADR為IEC標(biāo)準(zhǔn)。OpenADR 2.0是OASIS EI 1.0的一個子集，除了一項(xiàng)詳盡的執(zhí)行規(guī)范之外，還有擴(kuò)展以支持零售DR需求。

OpenADR是應(yīng)用層的數(shù)據(jù)模型，擁有簡單的面向服務(wù)的架構(gòu)/網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議，能夠使用任意的傳輸機(jī)制。測試和認(rèn)證項(xiàng)目支持兩種傳輸機(jī)制：簡單的RESTful網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和可擴(kuò)展通信和表示協(xié)議服務(wù)，包含安全性測試。OpenADR聯(lián)盟正致力于其他傳輸綁定的研究。

OpenADR聯(lián)盟是一個專門研制詳細(xì)的OpenADR執(zhí)行規(guī)范的工業(yè)協(xié)會，同時(shí)也支持一致性、測試和認(rèn)證等套件。該聯(lián)盟有超過120個成員，已認(rèn)證通過了超過60個的符合OpenADR 2.0的產(chǎn)品。OpenADR聯(lián)盟已經(jīng)研發(fā)出了兩種滿足DR的不同產(chǎn)品和市場需求的協(xié)議。OpenADR 2.0a適用于簡單的DR應(yīng)用，包括了全面的安全性解決方案。OpenADR 2.0b協(xié)議增加了能夠支持更為復(fù)雜的DR客戶端的內(nèi)容。

2030.5 智慧能源協(xié)議2.0

IEEE 2030.5 智能能源協(xié)議2.0（ Smart Energy Profile 2.0 ，SEP 2.0）使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，利用有線和無線連接，使家庭能源信息、控制和應(yīng)用程序管理以及電力設(shè)施到家中裝置的通信成為可能。SEP 2.0是由ZigBee聯(lián)盟、HomePlug聯(lián)盟、Wi-Fi聯(lián)盟等協(xié)作開發(fā)的。SEP 2.0為家庭域控制網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行的而設(shè)計(jì)的，涵蓋范圍從表計(jì)（或其他連接至電力設(shè)施的實(shí)體，比如互聯(lián)網(wǎng)）到家庭中的裝置。

SEP 2.0提供了多種功能，包括能源使用信息、價(jià)格、需求響應(yīng)信號和負(fù)荷控制信號的通信。SEP 2.0可以與多種裝置交互，包括智能電表、恒溫控制器、池泵、智能家電、太陽能逆變器、插電式電動汽車、前提下的顯示器、移動設(shè)備和與支付終端。

SEP 2.0的測試和認(rèn)證是由SEP 2.0互操作聯(lián)盟（Consortium for SEP 2.0 Interoperability，CSEP）提供支持的。CSEP的根本使命是通過定義用于SEP 2.0一致性和認(rèn)證的測試標(biāo)準(zhǔn)，來幫助具有互操作性的SEP 2.0產(chǎn)品的交付。在2015年1月，CSEP發(fā)布了首個用于SEP 2.0一致性和認(rèn)證的官方SEP 2.0測試工具，使眾多的認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室能夠開展SEP 2.0產(chǎn)品具有統(tǒng)一的認(rèn)證程序。

為了支持互操作性，并廣泛地應(yīng)用SEP 2.0，標(biāo)準(zhǔn)中的需求不依賴于任何特別的物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。SEP 2.0構(gòu)建于IP堆棧和其他常見的基礎(chǔ)協(xié)議之上。

SEP 2.0是按IEC CIM設(shè)計(jì)而成的一個配置文件，直接映射于可能之處，在所需之處使用子集和擴(kuò)展。SEP 2.0使用RESTful架構(gòu)。該標(biāo)準(zhǔn)包括一個UML模型，衍生出的架構(gòu)（XSD）和一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用描述語言（Web Application Description Language ，WADL）文檔。XSD和WADL屬于規(guī)范性文檔，都可以公開獲取和參考。

綠色按鈕

綠色按鈕是一個行業(yè)主導(dǎo)努力的名稱，它使電力客戶簡易、安全地獲取能源使用信息 ［17］。這個叫法源自于客戶從網(wǎng)絡(luò)上獲取數(shù)據(jù)時(shí)只需簡單地用鼠標(biāo)點(diǎn)擊字面意思上的綠色按鈕。綠色按鈕計(jì)劃基于北美能源標(biāo)準(zhǔn)局開發(fā)的能源服務(wù)提供商接口（Energy Services Provider Interface ，ESPI）標(biāo)準(zhǔn)。

ESPI標(biāo)準(zhǔn)包含兩部分：一個用于能源使用信息的XML格式和一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議?？蛻艨梢灾苯荧@取并下載他們的詳細(xì)的能源使用情況，或通過使用“連接我的數(shù)據(jù)”的功能，客戶能夠授權(quán)電力企業(yè)使得是由客戶選擇的第三方服務(wù)供應(yīng)商獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

一個叫做綠色按鈕聯(lián)盟的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)已經(jīng)建立了起來，用以技術(shù)支持并為綠色按鈕的實(shí)實(shí)施提供測試和認(rèn)證。自2015年3月起，大約有6000萬的美國電力客戶和250萬的加拿大客戶通過使用綠色按鈕獲取到了他們的能源使用信息。這一數(shù)字仍在快速增長，其他的國家也正在考慮采用這一計(jì)劃。

設(shè)施智能電網(wǎng)信息模型

美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會（American Society of Heating， Refrigerating， and Air-Conditioning Engineers ，ASHRAE）與全國電氣制造商協(xié)會（National Electrical Manufacturers Association ，NEMA）已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)設(shè)施智能電網(wǎng)信息模型標(biāo)準(zhǔn)（Facility Smart Grid Information Model Standard ，F(xiàn)SGIM） ［7］。該標(biāo)準(zhǔn)草案定義了一種公共信息模型，能夠使家用電器、空間空調(diào)系統(tǒng)和家庭控制系統(tǒng)、非住宅樓宇和工業(yè)設(shè)施來管理電力負(fù)荷和發(fā)電資源，以響應(yīng)智能電網(wǎng)的通信。該信息模型具備的功能包括：

現(xiàn)場發(fā)電管理

需求響應(yīng)

電力儲能管理

峰值需求管理

前向功率使用估值

負(fù)荷削減能力估值

終端負(fù)荷監(jiān)測（輔助計(jì)量）

電能質(zhì)量服務(wù)監(jiān)測

歷史能源消費(fèi)數(shù)據(jù)利用率

直接負(fù)荷控制

標(biāo)準(zhǔn)草案中的一個重要概念即“設(shè)施”，此處“設(shè)施”的定義很寬泛，從一個獨(dú)立的家庭住宅到一個商業(yè)樓宇或用作公共設(shè)施的樓宇或工業(yè)、制造業(yè)的設(shè)施。借由開發(fā)一個適用于以上所有類型設(shè)施的公共信息模型，電力供應(yīng)商能夠以同一種方式與所有的客戶進(jìn)行信息交互，從而從中獲益。該公共信息模型也能夠使消費(fèi)者獲益，因?yàn)椴煌N類的設(shè)施之間的分界線并不總是清晰的。使用通用信息模型能夠使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就能更容易的從一種類型的設(shè)備應(yīng)用至其他類型的設(shè)備。同時(shí)也能夠?yàn)橹圃焐虅?chuàng)造一種機(jī)遇，使他們更有意地設(shè)計(jì)出能不僅僅適用于一種設(shè)備領(lǐng)域的產(chǎn)品或軟件應(yīng)用。

所設(shè)計(jì)的FSGIM與OASIS EI、OpenADR 2.0、SEP 2.0和綠色按鈕是兼容的。它的角色主要是提供一種用于不同種類設(shè)施的控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)方式以增加功能性，這將會利用到經(jīng)由接口交換的信息，此處的接口基于本文所討論到的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，它增加了客戶控制系統(tǒng)的所需功能，是客戶設(shè)備管理及控制的一部分。

國際反應(yīng)

本文所討論的所有標(biāo)準(zhǔn)都有一個國際組件。OpenADR 2.0和綠色按鈕在美國之外已經(jīng)有了實(shí)施。IEC PC 118智能電網(wǎng)用戶接口也正在考慮接納OASIS EI和OpenADR 2.0為國際標(biāo)準(zhǔn)草案。IEC PC 118同時(shí)也正在考慮將SEP 2.0改進(jìn)并發(fā)展為國際標(biāo)準(zhǔn)，但該項(xiàng)決議仍未最終通過。ISO TC/205樓宇環(huán)境設(shè)計(jì)正在將FSGIM發(fā)展為一項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)草案。

圖3展示了圖2 所描述接口概念的一種更為細(xì)致入微的視圖，把本文所提到的標(biāo)準(zhǔn)都考慮了進(jìn)來。圖3表明就接口自身而言，擁有共通的邏輯概念，但在現(xiàn)實(shí)世界，這將最終是一系列標(biāo)準(zhǔn)來完成這個角色。

圖3 電網(wǎng)域與用戶域之間的用戶接口（藍(lán)線）的詳細(xì)視圖

要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的愿景，就需要將電網(wǎng)域與用戶域連接起來。這需要以一種方式來完成，即需要承認(rèn)在這兩個領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生的重大的歷史和基礎(chǔ)設(shè)施投資。接口是必需的，因?yàn)樗峁┝藘蓚€域之間交互重要信息的方法，但仍可以使各域涉及到的技術(shù)和實(shí)踐保持獨(dú)立，不會打斷連接?；镜睦砟詈芎唵?，但是產(chǎn)業(yè)實(shí)踐和新興標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)下狀態(tài)預(yù)示著，最終的結(jié)果可能是一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的集合，而非一個單一的適合所有情況的標(biāo)準(zhǔn)。IEC和ISO正在進(jìn)行的活動涉及眾多公司、行業(yè)貿(mào)易組織和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展組織，這些活動為我們?nèi)〉脟H共識帶來了希望，這種共識能夠?yàn)樾录夹g(shù)在市場上的推廣繁榮帶來所需的穩(wěn)定性。