我国需求响应信息交换标准化现状及发展趋势

需求响应信息交换标准化是保障我国需求响应业务顺畅开展的一项重要举措,能有效解决当前需求响应信息交换过程中信息表达方式不统一、系统互操作性差等问题。首先分析了国内外需求响应信息交换标准化现状,然后结合我国最新的标准化现状,分别从信息交换服务、信息交换机制及底层协议要求等方面对我国电力需求响应信息交换标准化方式思路进行了剖析。最后从底层承载协议、适配器规范、安全规范3方面探讨了我国需求响应信息交换标准化方向,提出了信息交换服务优化以及需求响应信息交换安全等标准化思路。

0 引言

电力需求响应作为电力需求侧管理的重要一部分[1],对需求侧资源优化配置、消纳新能源、削峰填谷具有极大的促进作用,已成为电力供需调节的重要措施之一[2]。2015年3月以来,《关于进一步深化电力体制改革的若干意见(中发[2015]9号文)》、《关于推进售电侧改革的实施意见》等配套政策陆续出台[3-4],为需求响应业务发展提供了良好的政策基础。目前我国已在北京、江苏、上海、佛山等地分别开展了大规模需求响应试点,其中江苏省在2017年7月24日最高负荷达到10218万kW,并在张家港保税区、冶金园内实施了电力需求响应,参与企业276家、涉及用电设备868台,实际响应负荷达到55.8万kW,有效缓解了该地区用电高峰时段用电紧张。

为了保障需求响应业务的顺畅发展,需求响应标准化工作持续推进。2011年IEC批准成立了智能电网用户接口项目委员会IEC PC  118,主要负责研究电网与用户侧的接口标准,其中下设标准工作组WG2主要负责制定电力需求响应领域相关标准[5-7]。2014年成立的全国智能电网用户接口标委会SAC/  TC 549对口IEC PC  118,负责WG2组需求响应方面标准化研究、标准修编及标准推广应用等工作[8]。但是,由于缺少有效的需求响应信息交换规范,目前需求响应大多依赖于原有的负控系统,通过半行政化的手段执行简单的控制逻辑,阻碍了我国需求响应向实时、高效的自动需求响应发展的进程。国家能源局2016年下达的能源领域行业标准制修订计划(国能科技[2016]238号)中,将《电力需求响应信息交换规范》列为保障我国需求响应业务顺畅开展的一项重要标准计划。目前中国电力科学研究院牵头组织制定的《电力需求响应信息交换规范》,在2017年9月11日形成征求意见稿,并通过标委会向国内相关领域专家公开征求意见。其中,不同信息模型间的适配工作于2017年正式提交IEC  PC118并在年会上进行研讨。IEC  SEG9则致力于智能家居、智能楼宇的相关标准化工作,2017年底也初步完成了上述领域的市场、技术变化趋势分析报告,并计划设计与IEC14762、IEC14543等系列标准的映射工具,同时还提出了针对末端设备的智能电网架构模型(smart  grid architecture model,SGAM)的扩展。

本文旨在分析国内外需求响应信息交换标准化进展,并结合当前国内制定的《电力需求响应信息交换规范》,从底层承载协议、适配器规范、安全规范等方面提出未来我国需求响应信息交换标准化方向。

1 需求响应信息交换标准现状分析

1.1 国外标准化情况概述

开放式自动需求响应通信规范(open automated demand  response,OpenADR)提供了需求响应标准化信息模型及非专有开放式的标准化需求响应(demand  response,DR)接口,用于支撑自动需求响应业务开展[9]。在2010年5月,OpenADR正式成为美国首批智能电网互操作标准之一,根据需求响应市场不同的需求程度制定了OpenADR  2.0a、OpenADR 2.0b和OpenADR  2.0c共3个框架规范[10-11]。能源供应商使用OpenADR标准向各种客户安装的用电设备发送快速、可靠、安全的价格和事件消息,例如建筑能源管理系统(energy  management  system,EMS)、智能温控器、空调、电动车辆充电站等。在日本,由METI牵头、早稻田大学管理的日本小组通过分析其国内71个使用OpenADR管理分布式能源用例,对OpenADR标准进行了细微修改,更好地支持DER资源管理[12]。基于OpenADR标准管理分布式能源(distributed  energy resource,DER)资源系统如图1所示。

图1 基于OpenADR标准管理DER资源系统图

SEP2.0是ZigBee联盟开发的智慧能源领域内的核心标准,对需求响应信息交换、电动汽车充电、负荷控制、能效管理等业务控制流程进行了细化[13-14]。SEP2.0具备完善的信息模型,可采用IEEE  802.15.4、802.11无线协议,同时也支持HTTP协议的接入方式完成信息交换过程。此外,SEP 2.0可利用安全传输层协议(transport  layer security protocol,TLS)来保护设备之间的通信,从而确保协议满足保护消费者信息和智能电网交易所需的严格安全性要求[15]。

澳大利亚发布的AS4755系列标准规范了DR设备接口功能,定义了空调、电热水器、电池储能系统的需求响应模式,使用户侧用电设备具备快速响应、获取即时反馈信息能力[16-17]。为帮助澳大利亚过渡到安全可靠的低碳电力系统,2017年3月颁布了AS/NZS  4755.1标准更新版,明确了DR系统框架,对需求响应支持设备(demand response enabling  device,DRED)通信接口方式、发布事件指令内容等进行规范,并提出了验证、测试一个具体的DRED是否满足规范提出的要求的方法,其标准架构图如图2所示。

图2 AS4755标准架构

在OpenADR1.0基础上,OASIS能源互操作技术委员会(energy interoperation,EI)与能源市场信息交换(energy  market information  exchange,EMIX)[18]、Web服务日历技术委员会(WS-Calendar)[19]合作,制定能源市场交易价格信息交互标准,以便统一能源交易、价格发布等信息交互方式。EMIX定义了能源市场中价格等信息交互标准方法,利用WS-  Calendar的通用调度机制进行日程排及调度。同时EMIX及WS-Calendar利用了SGIP优先行动计划PAPS的评估和识别过程。EI1.0的数据模型是采用统一建模语言(unified  modeling language,UML)方式进行定义的,该规范所构建的信息和通信模式与面向服务的参考架构(service oriented  architecture,SOA)保持一致,可以顺畅地实现动态价格信号、紧急控制信号、常规报告的信息交换。

1.2 国内信息模型标准化现状

目前我国仍然存在终端技术规范各异、缺少统一的信息交互模型等问题,引发了不同厂商所开发的系统/设备接口不统一、难以实现互联互通等问题,影响了我国需求响应实施规模、业务等进一步扩展。全国智能电网用户接口标委会SAC/TC549自2014年成立以来,其下设工作组WG2一直致力于需求响应系统、终端、互操作等方面标准化研究、  标准修订等工作,构建了需求响应信息模型整体架构,形成了UML类图文件等成果。在IEC  PC118工作基础之上,中国电科院牵头承担编写的“电网与用户侧智能设备信息交换接口”系列标准。其中第2部分公用信息模型描述了信息模型的总体要求(可靠性、标准性、与CIM兼容性等)、建模领域、模型结构等内容,此部分内容将作为“电网与用户侧智能设备信息交换接口：第3部分信息交换服务规范”基础[20-21]。该系列标准将有助于用户侧设备大规模接入智能电网,提高电力供需平衡及能源供应链效率,进一步完善了我国智能电网标准体系。

在电力系统领域常用公共信息模型CIM来描述电力系统对象、属性及他们之间关系,其是一个抽象模型,提供了一个统一的标准用来描述电力系统对象[22]。CIM方便实现了电力系统不同公司开发的应用系统的集成以及独立开发的系统之间的集成。当前需求响应系统大多独立于已存在的电力调度、配电等系统,这样会导致自动需求响系统建设成本高昂、不能充分利用已建设好的电力系统资源,造成了资源浪费。因此电力需求响应信息模型系列标准需要具备可向CIM信息模型转化的能力,如国内通过对逆向工程CIM扩展方法、IEC国际标准的研究等,目前已经初步完成了OpenADR2.0模型的逆向工程转换及需求响应信息模型的CIM扩展[23-24]。

2017年8月30日,中国电科院组织并召开了《电力需求响应信息模型》系列标准启动会,该系列标准涵盖通则、集中式空调系统、分散式空调系统、电热水器、电热锅炉、电冰箱、用户侧分布式电源、电动汽车信息模型共8项标准[25],该系列标准约定了模型的框架,未来可不断扩充和丰富新的信息模型标准。每一类设备的信息模型分为通用信息模型、专用信息模型2部分,各类设备信息模型对比见表1。

表1 各类设备信息模型的比较

1.3 国内信息交换标准化现状

我国从需求响应系统类、终端类、接口类、测评类等方面制定了多项标准[26],正在逐步完善我国需求响应标准体系。当前我国需求响应发展趋势主要特征是信息交互标准化、决策智能化和执行自动化[27]。根据在国内实施的需求响应试点情况,存在需求响应信息交换过程中信息表达方式不统一、系统互操作差等问题,总体上我国仍处于人工需求响应向自动需求响应过渡阶段。

为了保障需求响应信息交换标准的未来能够顺畅推广,该标准牵头单位中国电力科学研究院广泛邀请国内科研院所、需求响应试点工程参与厂商共同参与制定该标准,旨在建立一个发布即执行的实用性标准,以支撑未来需求响应市场的广泛应用。《电力需求响应信息交换规范》系统性地介绍了电力需求响应信息交换过程的一般原则和要求、信息交换模型、数据类型、信息交换机制及信息交换底层协议要求等,该规范将用于指导电网公司、售电公司、负荷聚合商、设备厂商等如何设计、生产DR系统、终端,用以实现DR业务的自动化。

1)信息交换服务。

该规范根据当前需求响应业务发展、实施情况,提出了信息交互服务,将需求响应信息交互过程通过不同的包进行分类描述,包括通用服务、注册服务、报告服务、事件服务、参与退出服务及询问服务。各类服务详细定义了信息类调用时序及信息交换采用的数据封装格式,表2给出了各类服务所包含具体服务信息。

表2 各类服务所包含具体服务信息

2)信息交换机制及底层协议要求。

在售电侧放开的市场背景下,需求响应参与主体逐渐多元化、执行智能化、互动场景多样化,因此对于需求响应信息交换机制要求较高。《电力需求响应信息交换规范》对电力需求响应信息交换的底层协议要求作了明确的说明,在实际应用所选择的底层协议需具有传输安全性、数据防篡改等基础性要求,如需客户端身份验证等额外的需求,可以利用基于REST架构的HTTP协议及消息队列遥测传输(message  queuing telemetry transport,MQTT)协议中的表明连接身份方式实现客户端验证。

2 需求响应信息交换标准化方向

2.1 低层承载协议

某些特定的需求响应资源通常需要快速完成响应过程,如DR辅助服务类服务一般需在2到4  s内完成响应,因此其再需求响应信息交互过程中需要尽可能降低时延并保障消息传递的可靠性[28]。由于在实际通信过程会受到丢包、网络拥塞、冲击噪声、信道衰减、多径效应以及物理层、网络层、应用层通信结构等诸多因素影响[29],不可避免地会产生一定的时延,因此如何实现传输时延最小化将是未来需求响应信息交换需要面临的重要问题之一。针对低层承载协议,本文提出以下几种优化思路对采用REST风格作为信息交换方式进行传输优化,以减少传输延、提高响应速率,供后续需求响应信息交换标准化参考。

1)信息交换模型优化。

通过分析信息交换模型中请求、响应类属性,在信息交换过程中请求、响应消息存在大量重复性属性,尤其对于周期性地事件查询、轮询等服务,这必然会导致产生大量冗余数据。参考HTTP2.0中首部压缩方法[30],在上位节点(down  node,DN)与下位节点(up  node,UN)中创建“属性表”记录并跟踪此前消息类中的属性中的键值对,每次发送请求、响应消息类时通过与“属性表”差异对比,选择性发送不同的内容。“属性表”在DN与UN第一次连接进行信息交互开始建立,并在持续连接过程中不断进行更新。例如在事件包中,DN需按照一定的时间频次发送QueryEventRequest类向UN查询相关事件信息,在第二次在查询事件信息时可对比建立的“属性表”,对于相同的内容不再重复发送,如图3所示。

2)基于HTTP的REST优化。

HTTP2.0相比HTTP1.x,较大幅度提升了Web服务性能[31]。在HTTP2.0中为了实现多路复用,在应用层与传输层之间增加了二进制分帧层(binary  framing),提出了流(stream)的概念[32]。其中,流是建立连接中的双向字节流,二进制分帧层规定了HTTP消息的封装方法。在二进制分帧层传输的信息分割为更小的消息及数据帧,HTTP1.x的首部与实体部分可分别封装到Headers帧与Data帧里面,以需求响应信息规范中DR注册查询请求为例,基于HTTP2.0封装DR注册查询信息示例如图4所示。单条TCP连接可传输任意数量的双向数据流,在二进制分帧层被分解的帧可以乱序发送,在接收端根据流标识符进行重新组合,从而提高了底层TCP连接的利用效率。

图3 基于“属性表”方式优化信息交换模型示意图

图4 基于HTTP2.0封装DR注册查询信息

除了以上2种优化思路,还可对TCP传输层进一步进行优化,提升传输速率,如文献[33]利用数据挖掘技术改善CUBIC拥塞控制算法,实现对拥塞的判断及丢包预测,文献[34]提出了利用加权随机早期检测(weighted  random early detection,WRED)对TCP连接初始化连接进行优化,减少了TCP连接建立时间及错过任务规定的时间限制问题。

2.2 适配器规范

目前IEC PC118  WG2工作组已开展OpenADR与CIM适配器研标准化工作,在经过多次国际会议上各国专家交流、合作,初步形成了适配器标准并已进行流转[35]。2017年5月,IEC  PC118在上海举行的第12次工作组会议重点讨论了OpenADR-CIM适配器流转意见。下面以OpenADR为例说明使用适配器完成数据通信过程,如图5所示。能源供应商通过使用IEC  62746标准的信息模型,发送DR事件请求给需求响应聚合商。DR聚合商通过OpenADR-CIM适配器将标准的CIM信息模型转换成OpenADR标准后继续发送给电力用户,完成电网侧与用户侧不同标准之间的互操作[36]。适配器具体构建步骤如下：

1)建立XML Schema与标准CIM DR的UML模型之间具体的映射关系。

2)确定适配方式,如通过使用XML转换工具将CIM  DR中的UML子集转换成对应的XML子集,在将XML子集映射成智能电网用户侧DR连接标准的XSD。

3)自动完成转换过程。

4)根据电网侧IEC CIM模型及OpenADR内容扩展及时对适配器进行更新,以满足电力市场中业务快速发展的需求。

图5 OpenADR-CIM适配器

2.3 安全规范

需求响应信息交换规范并没有定义信息安全,但却定义了信息交换底层协议安全的要求。信息交换安全规范在需求响应标准体系中是独立存在的,目前该部分的标准化工作尚未完成。然而,由于需求响应业务涉及大量用户侧的设备和系统,其安全性不容忽略[37]。需求响应信息交互安全架构如图6所示。

图6 DR信息交互安全架构

1)基于云部署方式的DR信息安全需求。

以云计算为基础平台架构的大数据技术正逐步应用到电力需求响应系统,运用数据挖掘技术了解用户准确的用能行为及用电需求,可用于支撑电网企业制定更加合理有效的需求响应项目计划[38]。随着需求侧智能用电设备大量推广,基于“互联网+”的智慧能源应用将更为普及[39]。因此,构建一套有效的云安全评估与测试模型,将是保障需求响应大规模应用的前提条件。

2)人工智能技术构建DR信息交换防御系统。

随着人工智能(artificial  intelligence,AI)技术的逐步成熟,AI的机器学习[40]、模糊逻辑控制系统和人工神经网络(artificial neural  networks,ANN)都适用于设计高效的网络防御系统,且具有精准地实时监控网络、自我修复和保护能力[41]。未来可利用机器学习智能引擎快速检测需求响应信息交换过程中的异常行为、敏感访问、挑战黑洞(challenge  collapsar,CC)攻击等恶意机器行为以及识别提供虚假报价信息的非法DR用户。同时在需求响应系统中可将AI与云安全结合,依靠机器学习自动发现、分类和保护存储在电力需求响应云端中的敏感数据,帮助云服务提供商更加安全高效地保护数据。

3)基于区块链技术创建DR安全交易环境。

在售电侧放开的新电力市场环境下,现有的市场安全管理机制难以解决需求响应业务中资金核算、交易信息流的安全性、账本伪造等问题。区块链技术作为一种新兴技术,由于具有去中心化、交易透明、不可篡改、可追溯等特点[42],在自动需求响应系统中将会有巨大的应用潜力。基于区块链技术的可信工作证明、互联共识记账、智能合约机制及信息安全机制[43]可促进需求响应业务的智能化发展,保障资金信息的完整性及交易的合法性,为复杂多样化的能源交易市场提供了一种快速安全交易的解决思路,未来可将该部分内容纳入到DR业务支撑规范的范畴。

3 结语

本文基于国内外最新的需求响应标准化现状,结合我国需求响应信息模型标准化工作进展开展了分析,提出了未来我国需求响应信息交换标准化的发展建议。随着我国售电市场逐步放开,未来需求响应的市场规模还将进一步扩大,其自动化、智能化程度还将进一步提升。需求响应信息交换规范的制定,有力地支撑了未来不同厂商设备间的信息交互标准化操作。但是,我国需求响应业务的顺畅发展还需要一系列的标准来支撑,目前的标准化工作才刚刚起步,未来还需要不断完善和丰富现有的需求响应标准体系,才能实现对我国需求响应试点成果大规模复制推广的有效支撑。

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作者简介：

张志昌(1968),男,硕士,高级工程师,从事智能电网应用、主动配电网应用等方面的研究;

陈京生(1993),男,硕士研究生,主要从事需求响应信息通信支撑相关技术等相关方面的研究;

李彬(1983),男,博士,副教授,通信作者,主要从事电力通信、电气信息技术相关研究;

田世明(1965),男,硕士,教授级高级工程师,主要从事智能电网、需求侧管理、分布式电源等技术方面的研究工作;

董明宇(1987),女,硕士,从事分布式电源、需求响应方面的研究工作;

朱伟义(1971),男,硕士研究生,从事电力营销技术、智能用电等方面的研究;

祁兵(1965),男,教授,博士生导师,主要从事电力节能、自动需求响应相关技术研究;

孙毅(1972),男,教授,主要从事电力大数据与电网能效节能相关技术研究。

基金项目： 国家电网公司重点示范工程项目(苏州工业园区智能电网应用示范区主动配电网综合示范工程)