高志遠，嚴春華，郭昆亞，鄢蜜昉，曹 陽，姚建國

(1.中國電力科學研究院(南京)，江蘇 南京 210003；2.國網遼寧省電力有限公司沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110811)

智能電網與智慧城市業(yè)務互動研究

高志遠1，嚴春華1，郭昆亞2，鄢蜜昉1，曹 陽1，姚建國1

(1.中國電力科學研究院(南京)，江蘇 南京 210003；2.國網遼寧省電力有限公司沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110811)

友好互動是智能電網的核心特征之一。智慧城市建設對智能電網的互動運行提出了新的要求，但是目前這方面的研究還相對薄弱。采用規(guī)范化分解和按需重組的方法，提出了一個智慧城市互動化業(yè)務框架，并從通信支撐、協(xié)議規(guī)范、安全保障等方面進行了分析。在此基礎上，對智能電網對外服務進行了規(guī)范分解，并結合智慧城市需求進行了多源信息服務、應急搶險、需求響應業(yè)務的綜合重組設計。最后，利用 MatLab/Simulink 工具進行了模擬仿真，驗證了所提方案的高效服務能力。

智能電網；智慧城市；雙向互動；互動框架；一體化平臺；信息通信技術

0 引言

智能電網與智慧城市分別是目前在電力工業(yè)和城市建設領域的兩大世界性潮流。以電為中心、清潔化和智能化為特征的新一輪能源革命正在世界范圍興起[1-4]。而進入新世紀以來，智慧城市建設也日漸成為大勢所趨[5-8]，城市中的各個行業(yè)和部門需要日益緊密的聯(lián)系和協(xié)調。在城市建設和運行領域這個交集范圍內兩者間的互動具有重要的意義[9]，互動有利于充分利用兩者的(已有)資源，有利于更好地實現(xiàn)社會服務功能，也有利于城市建設和電網發(fā)展，最終實現(xiàn)“雙贏”。

目前智能電網和智慧城市建設的互動還有很大提升空間。相比于傳統(tǒng)電網的簡單、單向供電服務，智能電網非常強調雙向互動，并且在電力流、業(yè)務流、信息流方面發(fā)展了多種互動的方式和應用[10-12]，但目前還主要限于以電網為中心的預先設定固定模式的互動，怎樣動態(tài)地滿足智慧城市中不斷發(fā)展的多類型互動需求還需要深入研究。城市各業(yè)務部門、用戶之間的充分互動也是智慧城市的核心特征之一[7]，但是目前還很少對智能電網提出深入的互動要求，大部分電網功能，被社會認為是局部的、電力行業(yè)自身應該完成的。本文在對幾個典型城市的調研中也印證了這種情況。

有鑒于此，有必要就智能電網與智慧城市的業(yè)務互動進行深入研究，以實現(xiàn)更高水平的自動化和智能化應用，充分利用兩大體系的各類資源。同時面對復雜、多樣和動態(tài)的城市業(yè)務系統(tǒng)和智能電網服務，如果每一種互動都需要進行針對性的開發(fā)和協(xié)調，則可能既是資源的浪費，實際上也不可行，所以為智能電網和智慧城市提供一種互動的機制和方法，也很重要。

1 關鍵問題分析

隨著智能用電、智能家居、分布式能源、儲能應用、能效管理、電動汽車[13]、電力信息數(shù)據(jù)挖掘等新技術和應用的不斷涌現(xiàn)，以及互聯(lián)網應用的充分發(fā)展，目前智能電網(以下簡稱 SG)與智慧城市(以下簡稱 SC)的互動已經有了很好的基礎。但是還面臨著以下關鍵挑戰(zhàn)：

1) 各個部門和行業(yè)長期以來已經形成了各自的垂直管理和運行體系，整個城市業(yè)務條塊化分割的現(xiàn)狀將長期存在。

2) SG 與 SC 的互動必須滿足各行業(yè)和部門的安全需求和行業(yè)管理規(guī)定。例如電力行業(yè)本身就有各種復雜的安全管理規(guī)定[14-15]，還涉及許多社會敏感內容和商業(yè)機密。

3) 缺乏城市中各行業(yè)普遍認同的信息和業(yè)務互動規(guī)范，也缺乏相應的協(xié)同設計指導。

4) 城市互動業(yè)務本身的復雜性很高。由于涉及到多個行業(yè)，具體應用需求和環(huán)境差異很大，難以預先設定固定模式。

5) 成本和時間限制。一方面要提供更經濟的解決方案，另一方面又要及時滿足各種變化的業(yè)務互動需求。

目前一個比較普遍的思路是建立跨行業(yè)跨部門的公用基礎平臺(或者類似的提法)[16-18]，實現(xiàn)基于一體化平臺的互動應用。其實在一個行業(yè)和部門內部的統(tǒng)一平臺化應用已經比較普遍，例如在電力行業(yè)中就有國家電網公司數(shù)據(jù)交換平臺[19]、統(tǒng)一支撐平臺[20]等。但是擴展到整個城市中的各個部門、行業(yè)和用戶，也受到以上約束的限制。在實際建設中，多數(shù)情況下也并不存在一個這樣的統(tǒng)一平臺(電信服務商平臺除外)，松耦合是必然和長期的。

2 智慧城市互動化業(yè)務框架

基于分布建設、總體集成的思路，提出了一種先把各行業(yè)和部門提供的服務進行規(guī)范化分解，然后根據(jù) SC 發(fā)展建設的需要重構互動業(yè)務的解決方案(以下簡稱互動框架)。這樣既保持了各行業(yè)和部門原有系統(tǒng)和運行方式的完整性，又為 SC 互動業(yè)務的不斷更新提供了一種自動化和智能化的機制和方法。其基本框架如圖1所示。

圖1 智慧城市互動化業(yè)務框架Fig. 1 Interactive business framework for smart city

互動框架共分為以下4層：

1) 智慧城市業(yè)務定義層：這一層在城市各業(yè)務部門提供的基本業(yè)務單元的基礎上，組合、重構完成互動業(yè)務定義。業(yè)務定義的基礎是基本業(yè)務單元，它代表了各業(yè)務部門的對外服務分解后的基本單元服務(后文將以 SG 典型服務為例進行示范分解)。具體操作通過各業(yè)務定義代理完成，最終結果保存在業(yè)務管理集群中。集群的規(guī)模根據(jù)需要可以靈活控制(下同)。

2) 智慧城市業(yè)務控制層：接受業(yè)務定義層發(fā)來的已定義互動業(yè)務，據(jù)此控制業(yè)務的執(zhí)行。業(yè)務安全控制集群負責業(yè)務的安全和權限鑒別，業(yè)務控制集群實際控制業(yè)務執(zhí)行。該層同時必須支持業(yè)務的調試和試運行。

3) 智慧城市業(yè)務執(zhí)行層：實際執(zhí)行智慧城市各類互動業(yè)務。特點在于不改變各行業(yè)和部門原有的業(yè)務系統(tǒng)，而增加服務代理，對外提供各類規(guī)范化的基本服務，在業(yè)務控制集群的控制下，實現(xiàn)各類互動業(yè)務。各服務代理之間以及各行業(yè)原有業(yè)務系統(tǒng)之間的連接可以通過本層內的專網實現(xiàn)，在安全控制策略允許范圍內也可以利用下面的公共通信和信息服務層。

4) 公共通信和信息服務：電信及其他各類社會公共通信和信息服務。

2.1 業(yè)務定義和調試

業(yè)務定義層中定義的互動業(yè)務，實際只能代表業(yè)務控制集群與業(yè)務執(zhí)行層中各業(yè)務代理之間的理想化互動。實際業(yè)務的執(zhí)行，需要業(yè)務執(zhí)行層中各業(yè)務部門實際系統(tǒng)的真正互動，需要SG中電力流、業(yè)務流、信息流的實際運轉。所以一個 SC 互動業(yè)務在業(yè)務定義層中定義好后，還必須在業(yè)務控制層和業(yè)務執(zhí)行層中實際調試和試運行。

業(yè)務的定義和發(fā)起者，可能是行政主管部門，也可能是個別業(yè)務部門，或者某一類用戶。顯然，互動業(yè)務的組織、協(xié)調和執(zhí)行需要城市行政主管部門的支持。事實上，許多國內的智慧城市建設中已經建立了類似“智慧辦”的部門。

2.2 通信支撐

通信支撐是實現(xiàn) SC 互動框架的基礎。圖1中的層與層之間、每層內部各個模塊之間都需要一定通信支撐?？梢越＞W，也可以綜合利用電信(包括專線)網絡資源。

最理想的情況如圖2所示，采用3張專網和1張公網的形式，即業(yè)務定義層、業(yè)務控制層和業(yè)務執(zhí)行層采用專網(相互間通信基于一定的安全防護裝置)；公共信息和服務層利用互聯(lián)網等公共網絡。根據(jù)情況，可以靈活配置并使用已有的各種資源，但核心是確保業(yè)務定義層、控制層的更高安全級別。

圖2 互動業(yè)務通信支撐Fig. 2 Communication systems of interactive business

2.3 通信協(xié)議接口

為實現(xiàn)互動框架，就需要有一個城市各業(yè)務部門共同遵守的通信協(xié)議，特別是在業(yè)務管理集群、業(yè)務控制集群以及業(yè)務執(zhí)行層的各業(yè)務代理之間。這方面可選的技術很多，典型的例如基于開放標準XML、WSDL、UDDI的 WebService 服務方式等，但目前還沒有這方面普遍認可的通用協(xié)議。圖3是本文做的一個示范設計，該協(xié)議桟以互聯(lián)網 TCP/IP協(xié)議族為基礎，支持常見的互聯(lián)網協(xié)議，但對物理層、鏈路層、會話層、表示層協(xié)議不具體指定，可以根據(jù)當?shù)鼐唧w情況選用；考慮到安全需求，可以選用 SSL/TLS 等安全協(xié)議；對于具體應用，可以支持 Web Service 技術應用，同時也支持另建內部的智慧城市應用協(xié)議。

圖3 通信協(xié)議棧示例Fig. 3 Example of communication protocol stack

需要指出的是，以上協(xié)議棧不涉及 SC 中各行業(yè)和部門內部的通信協(xié)議，例如對于電力、教育、交通、政務等行業(yè)，其專用協(xié)議與 SC 互動框架的互聯(lián)互通由圖1中的各類服務代理系統(tǒng)轉化完成。

2.4 安全保障

互動框架的安全問題，其范圍已經從普通的信息安全威脅擴展到各類城市基礎設施和實體的安全。在安全的多種含義中[21]，優(yōu)先關注機密性(信息保密)、完整性(數(shù)據(jù)正確)、可達性(服務可用)。

基于 BLP、BIBA 等信息安全模型[21-22]，在常見的各類安全技術基礎上。設計了如下 SC 互動業(yè)務安全策略。

1) 信息分類：

機密信息：例如密碼、業(yè)務邏輯等。

數(shù)據(jù)信息：各業(yè)務響應數(shù)據(jù)、各專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、業(yè)務執(zhí)行指令等。

其他信息：安全限制相對較低的信息，例如用戶的互動化請求等。

2) 安全和重要級別：

對 SC 互動框架中的各主體劃分安全級別，核心是確保業(yè)務控制層具有最高級別，其次是業(yè)務定義層。表1是一個示范例子。對于具體的互動業(yè)務也可以設計類似的重要性級別。

表1 智慧城市互動業(yè)務主體安全等級示例Table 1 Example of security levels for subjects of smart city interactive business

3) 訪問策略：

機密信息：只允許從安全級別低的主體流向安全級別高的主體，即高安全級主體可以讀低安全級主體的機密信息，低安全級主體可以寫機密信息給高安全級主體。這一機制用于確保機密性。

數(shù)據(jù)信息：只允許從安全級別高的主體流向同級或安全級別更低的主體，這一機制用于確保完整性。

重載處理：當各級業(yè)務主體的負載率達到一定限值時，則根據(jù)互動業(yè)務的重要級別，優(yōu)先處理更為重要的業(yè)務，這一機制用于確保可達性。

具體實現(xiàn)時可以根據(jù)權限設置，構造訪問控制權限可達矩陣。其定義為：n級主體在行、列按同樣順序排列，元素1表示允許從行主體到列主體的讀操作，矩陣元素0表示不允許。如果主體不多可以一次性構建該矩陣，否則可以在初始鄰接矩陣A1中只定義相鄰主體的訪問權限，然后利用式(1)獲得機密權限可達矩陣 C1(即訪問控制權限矩陣)，式(2)獲得數(shù)據(jù)權限可達矩陣 C2。造成 C1和 C2區(qū)別的原因是數(shù)據(jù)信息允許同級之間傳遞，導致初始鄰接矩陣特征不同。

3 智能電網與智慧城市業(yè)務互動化設計

在 SC 互動框架下，采用業(yè)務分解和重構的方式，對 SG 對外服務業(yè)務進行了規(guī)范化分解，并以多源信息服務、需求響應為例，示范了相關互動業(yè)務的構建。

3.1 電力服務規(guī)范化分解

為了更好地參與外部系統(tǒng)和用戶的互動，需要對電網對外服務進行適當?shù)姆纸?。把原來的服務分解為一個個單獨的可用于重構更復雜互動業(yè)務的單元服務。例如根據(jù)目前智能電網發(fā)展和互動化研究成果[1-4,11-13]，可以把電力對外服務規(guī)范化分解為供電請求、供電通知、停供電請求、停供電通知、受電請求(請求電網接納分布式能源電能)、預受電請求(基于預測信息，提前發(fā)出受電請求)、停受電通知(停止接受用戶電能)、提供信息(由電網對外部用戶提供信息)、接受信息(接受電網外部系統(tǒng)或用戶提供的信息)、檢修請求、檢修通知、現(xiàn)場服務請求、電能質量監(jiān)測請求、用電數(shù)據(jù)分析請求、安裝請求、安全鑒定、費用結算、同意業(yè)務請求、拒絕業(yè)務請求等單元服務。

顯然，在不同的層級可以分解出不同顆粒度的單元服務。這需要視當?shù)刂腔鄢鞘邪l(fā)展的需要而定。

3.2 城市多源信息綜合互動服務

SG 的發(fā)展和運行中獲得了豐富的多源海量數(shù)據(jù)[23]，城市中其他業(yè)務部門也產生了大量數(shù)據(jù)。充分挖掘這些數(shù)據(jù)中的價值，是 SC 發(fā)展的重要技術方向。

以城市經信委分析產業(yè)類型分布、統(tǒng)計行業(yè)發(fā)展情況、預測行業(yè)經濟走勢業(yè)務為例，設計了如圖4所示的城市多源信息綜合互動服務業(yè)務。圖中虛線代表信息流；兩條線的交叉點表示信息發(fā)到該部門，還會繼續(xù)向其他部門發(fā)；方框中的文字代表各部門的實際操作(下同)。該業(yè)務所需要的信息，涉及到交通、公安、環(huán)境、工商、電力等多個部門，其中電力部門主要提供電力營銷數(shù)據(jù)信息、企業(yè)或行業(yè)用電量信息、企業(yè)或行業(yè)負荷曲線信息。該業(yè)務的特點在于大大提高了自動化過程，實現(xiàn)了信息價值的充分利用。

3.3 城市電力需求響應服務

需求響應(DR)已成為 SG 研究和建設的重要領域[24]。在國家既定政策下推動 DR 的發(fā)展，除了依靠電力部門的激勵和價格措施，SC 發(fā)展對于 DR 的實施也有很大的支撐潛力。運用 SC 互動框架可以設計加入更多業(yè)務部門和用戶，深化互動過程。圖5是一個自動化的城市需求響應互動業(yè)務設計例子。

在這個例子中，需求響應不再僅僅是電力公司和用戶負荷以及負荷聚合商之間的事，整個 SC 中各個部門，從中長期、近期、日前、日內甚至實時等不同時間尺度全面地參與到電力DR應用中。顯然這種對DR的綜合推動力是巨大的，更重要的是形成了一種 SC 中各部門和用戶參與 DR 應用的機制。

圖4 智慧城市多源信息綜合應用Fig. 4 Comprehensive application based on multi-source information of smart city

圖5 智慧城市需求響應業(yè)務Fig. 5 Design of general interactive business for demand response of smart city

4 智慧城市互動服務能力仿真

基于 Matlab/Simulink 平臺下的 TrueTime 網絡仿真環(huán)境，對如圖6 所示的包含 12 個服務部門、10個用戶群的理想市域網絡化控制系統(tǒng)進行了仿真。其中業(yè)務發(fā)生器負責按照參數(shù)為l的泊松分布來模擬互動業(yè)務，則其產生的間隔服從獨立同分布的參數(shù)也為l的指數(shù)分布。對于每次互動業(yè)務需要關聯(lián)的部門數(shù)，按照正態(tài)分布模擬，取u = 12/2,s2= 12/3。具體每次互動業(yè)務是哪幾個業(yè)務部門和具體用戶群參與，則完全按照部門和用戶群上的均勻隨機分布產生。

圖6 智慧城市仿真環(huán)境Fig. 6 Simulation environment of smart city

以城市多源信息綜合互動業(yè)務為例，分條塊分割、互動框架、一體化平臺三種情況(詳見表2)，詳細考察了該系統(tǒng)在三種方案下的架構特點和服務吞吐量對比。其中執(zhí)行網絡采用百兆以太網?？刂凭W絡采用千兆以太網。部分核心參數(shù)如表3所示。

表2 不同方案下互動業(yè)務的實施特征Table 2 Implementation characteristics of interactive business under different schemes services

表3 部分核心參數(shù)Table 3 Parts of the core parameters

根據(jù)泊松分布的規(guī)律，如果時間從 t=0 算起，則發(fā)生n次業(yè)務的狀態(tài)概率可表示為：

發(fā)生業(yè)務的次數(shù) N(t)的數(shù)學期望和方差同為：

所以l實際就是單位時間內的平均業(yè)務發(fā)生次數(shù)。對于某個確定的 SDUnitTime和 SECPUnitTime配置，最合適的l設置，實際代表了該系統(tǒng)的吞吐量。雖然，本系統(tǒng)設有 10 個用戶群，12 個業(yè)務部門，但1次業(yè)務的產生，實際涉及到1個用戶群、若干個業(yè)務部門和運行控制集群的交互，所以簡化為 M/G/1 型的排隊模型。設每次業(yè)務的平均逗留時間為 Ws，每次業(yè)務的服務時間 T 的期望值為 E(T)，方差為 D(T)，有：

同時，還必須滿足以下約束：

系統(tǒng)中各節(jié)點設有一定的緩沖區(qū)，當業(yè)務量巨大時，部分業(yè)務可能被丟棄，但仿真搜尋吞吐量時要求長期穩(wěn)定的業(yè)務失敗率不能大于1%。

經過仿真程序自動搜尋，結合由式(5)計算得出的 Ws輔 助 ， 對 三 種 模 式 各 種 SDUnitTime 和SECPUnitTime 配置下的系統(tǒng)吞吐量進行了仿真驗證。

圖7是條塊分割模式的吞吐量變化曲面圖。該模式具有以下特點：1) 總體吞吐量偏低，即使SDUnitTime 和 SECPUnitTime 提升到 UsersUnitTime的 10 倍，吞吐量也僅提升 44.7%。2) SECPUnitTime是其核心瓶頸。因為1次業(yè)務過程中每和一個部門交互，都需要一次鑒權。圖中為了更好地體現(xiàn)SDUnitTime 的影響，暫時關閉了該影響。3) 當SDUnitTime 提升到 UsersUnitTime 的 2.5 倍以后，對吞吐量就不再有明顯影響。此時瓶頸在于用戶群模塊本身的處理能力。

圖7 條塊分割模式下的吞吐量曲面Fig. 7 Throughput surface of independent departments pattern

圖8 是一體化平臺模式的吞吐量變化曲面圖。該模式具有以下特點：1) 總體吞吐量很高。最高已經接近當前 Users 配置所能支撐的理論最高值(500左右)。2) 對 SECPUnitTime 和 SDUnitTime 的要求很高。即使要充分發(fā)揮當前 UsersUnitTime 的硬件潛力，SECPUnitTime 和 SDUnitTime 也非提升 10 倍以上不可。這種模式下的 SDUnitTime和 SECPUnitTime實際代表了一體化平臺的硬件配置。

圖8 一體化平臺模式下的吞吐量曲面Fig. 8 Throughput surface of integrated platform pattern

圖9 是互動框架模式的吞吐量變化曲面圖。該模式具有以下特點：1) 總體吞吐量略低于一體化平臺模式。2) 對 SDUnitTime 全程敏感，只要提升它的配置，就可以提升總體吞吐量。這里 SDUnitTime實際代表了各部門之間業(yè)務互動的處理能力。

圖9 互動框架模式下的吞吐量曲面Fig. 9 Throughput surface of interactive framework pattern

綜合以上分析結果，可見：1) 條塊分割模式下互動業(yè)務的執(zhí)行是一個低效率過程。2) 一體化平臺具有最高的效率，但前提是有一個巨大的高配置平臺。3) 互動框架模式也能達到很高的效率，前提是各部門之間實現(xiàn)高效的信息交互和業(yè)務互動。

5 結語

本文所提出的互動化業(yè)務框架，著眼于解決智能電網和智慧城市兩大體系的信息共享和應用協(xié)同問題。顯然，這一框架其實經過擴充，完全可以支持更廣泛的系統(tǒng)間信息共享和應用協(xié)同問題。更重要的是設計了一種機制，為更多復雜和深入的互動業(yè)務提供支撐。

在智能電網支撐智慧城市建設的應用實踐中，面對已經形成的眾多系統(tǒng)內的縱向垂直管理和條塊分割的現(xiàn)狀，許多問題不僅僅是技術問題，更是體制和管理問題。技術通道上打通了，在實際應用中還會有各種執(zhí)行的問題。需要在架構設計中進一步考慮。

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嚴春華(1983–)，女，工程師，從事智能電網、需求響應等方面的研究工作；

郭昆亞(1967-)，男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

(編輯 周金梅)

Research on interactive operation between smart grid and smart city

GAO Zhiyuan1, YAN Chunhua1, GUO Kunya2, YAN Mifang1, CAO Yang1, YAO Jianguo1
(
1. China Electric Power Research Institute (Nanjing), Nanjing 210003, China; 2. Shenyang Power Supply Company, Shenyang 110811, China)

Flexible interaction is a key feature of smart grid. The construction of smart city puts forward new demands for the interactive operation of smart grid, but the current related researches are still relatively weak. With the methods of standardized decomposition and on-demand reconstruction, an interactive operation architecture of smart city is proposed which is analyzed from communication supports, protocol specification and security measures. Based on the architecture, the external business of smart grid is decomposed into standardized external services, the businesses of multi-source information integration service, emergency rescue and demand response are comprehensively restructured combining higher demands of smart city. Finally, a simulation model is developed on the Matlab/Simulink software, and the results show that the proposed architecture is effective.

smart grid (SG); smart city (SC); bidirectional-interaction; interactive architecture; integrated platform; information communication technology (ICT)

TM619

1674-3415(2016)02-0065-09

2015-04-09

高志遠(1972-)，男，碩士，高級工程師，主要從事智能電網、廠站自動化系統(tǒng)的應用研究；E-mail: gaozhiyuan@ epri.sgcc.com.cn

國家電網公司科技項目“智能電網支撐智慧城市關鍵技術研究及示范應用”