智能配电网的体系架构设计探讨

大数据、物联网、云计算等互联网相关技术的蓬勃发展，给智能配电网升级带来了机遇。文章首先分析了智能配电网的新特征，包括智能配电网的内涵以及外延;然后探讨了智能配电网的体系架构设计需要考虑的问题，包括基本的设计原则、IEC核心标准驱动的体系架构设计等方面。对智能配电网的体系架构设计进行探讨，有利于实现未来配电网乃至能源互联网之间的互联互通。

0 引言

智能配电网(smart distribution network)是智能电网的重要组成部分，是智能电网研究的一个热点，也是智能电网研究和发展最为活跃的领域之一。智能电网相对于传统电网产生的最大变革可能体现在配电网，智能配电网允许可再生能源和分布式发电单元的大量接入和微电网的运行，并鼓励各类不同电力用户积极参与电网互动：①在电力流上，由于分布式电源的接入点处于配电网，因此会导致配电网出现双向电力潮流，配电网的调度控制和运检管理更趋向于输电网;②在信息流上，智能电网的信息集成和信息安全真正需要突破的瓶颈和难点也在配电网上，配电自动化建设既面临信息交互技术上的难关，也面临管理变革的不适应;③在业务流上，配电网处于中间环节，上下已经形成系统，既面临配电自动化没有形成运行管控的局面，也面临着双向互动服务的压力。

大数据、物联网、云计算、信息与物理融合等互联网相关技术的蓬勃发展，在带动一大批新技术的同时，也给智能配电网的升级改造带来了机遇。智能配电网架构考虑了一系列系统未来运行的可能性，已超出了将电能输送到终端设备的范围，扩展到了从集中发电系统到用户终端电源设备及分布式电源的广泛运行环境，提出了应用互联网技术最大限度地实现互联互通和资源共享。本文对智能配电网体系架构设计进行了探讨，使其能够满足未来的需求，增强能源服务系统间交互和融合的开放性和安全性。

1智能配电网的新特征

智能配电网是一个配电自动化完全覆盖下的配电网络，配电自动化管控配电网设备的拓扑连接关系和连接在网络中每个设备的运行效率，它可以感知到每一个设备的非健康状态和故障状态，自动获取电网的关键节点越限变化数据和生产能效分析统计信息，依据配电网供电可靠性要求，自动化检测出非健康配电设备的状态并提出或执行自愈方案，将故障排除在萌芽之中;如果发生故障可以自动化检测出故障、定位到故障位置、隔离故障区间，提出或执行非故障区域的供电方案。自动化提供的信息足以支持智能电网的规划、设计、建设、运维、优化运行等各种应用，满足配电网企业优质经济管理和安全高效运行、智慧城市和美丽乡村以及现代社会对于供电可靠性需求。

如果要更全面地定义智能配电网的概念，需要充分考虑到技术的发展和变化，从内涵和外延两方面描述智能配电网的新特征。

1.1智能配电网的内涵

智能配电网的内涵包括以下几个方面：

1)具有配电自动化基础。配电自动化是智能配电网的必要条件，这是因为配电自动化将配电网的实时运行、电网结构、设备、用户以及地理图形等信息进行集成，构成完整的配电自动化系统。

2)融入互联网的通信体系。对于配电网必须面向互联网的体系架构，随着互联网技术的发展，尤其是移动互联网技术的快速发展，完全改变了终端互联的技术生态，配电自动化终端融入互联网体系是必由之路。

3)无处不在的传感器和测量装置。大量的传感器和智能测量，足以保证获得系统运行参数、设备运行状态、广域测量网络、灵活的保护系统等，真实可靠地提供配电网的静态和动态数据，为各类智能化的应用提供基础信息。

4)智能配电网主站。由于云储存和大数据处理的出现，智能配电的集中处理能力得以提高，关键是应用需求和体系架构的适应性，需求在不断的变化，架构必须重新设计。

5)统一的输配电网系统数据模型。该模型可将电网的智能二次设备和高级分析处理程序有效纳入到统一的分析框架体系中。

6)智能配电网管理。通过图形和地理空间信息技术手段最大程度地提高一次电网的可见度，使得电力系统的运行操作可视化，同时辅以更智能、更综合的分析应用程序，实现对电网高效有序的管理，降低管理难度。

7)统一的智能电网数据模型。将电网的物理模型映射为标准的数据模型，使得相关数据源以一种有效的、结构化的、清楚的方式关联起来，这种关联不依赖于现有设备的物理特性。

8)统一的标准服务。通过服务来访问通用设备和应用程序的处理结果，这种方式隐藏了每个设备和应用的内部运行细节，从而可以把系统组件的相关应用当作黑盒子来处理。

9)“即插即用”的智能装置。智能配电网需要解决电网智能设备的配置需求、信息安全需求、数据管理和交换需求、服务质量需求，实现智能装置的“即插即用”，最大程度地减少配电设备的维护工作量。

10)高级应用软件。智能配电网通过对电网数据的多层次分析，使得电网更加智能协调地运行，包括配电网自愈电网、电源和负荷自适应平衡、分布式电源智能接入等。

11)信息安全。智能配电网不但能实现跨业务的数据交换和信息集成，同时也可保证信息的安全。

1.2智能配电网的外延

智能配电网的外延包括以下4个方面：

1)配电网的供电与用户的需求形成良性互动。通过智能终端提供用电和市场信息，促使用户

通过需求响应来改变自己的用电方式，主动参与电网管理和市场竞争，获取相应的经济利益，实现供需双方互动。

2)配电网大量接入风能、太阳能、生物质能等可再生能源分布式电源。接入配电网的分布式电源可以由配电网自动调节控制，微电网既可以自己控制又可以与配电网互为支持，相应的控制调节系统将各种分布式能源和电动汽车充放电站积极纳入配电网管理和市场交易，充分支持环境友好的发电形式。

3)提供良好的电能质量和供电可靠性。对电能质量进行监测、诊断和需求响应，根据不同的电能质量等级来定制电力，电能质量可以满足不同客户对于电能质量和高可靠性标准的需求。

4)精细化的配电网生产管控系统建设。研究配电网风险管理控制系统，对运行中的风险进行提前预判，提高配电网的资产利用率，降低运行成本，减少或推迟投资。建立有效、联动的优化设计系统，对于生产指挥、资产管理、工作流程管理、运维抢修管理和运行状态监测都形成在线分析和统计，真正支持配电生产的精细化管理。

2 智能配电网的体系架构设计

配电网现在还未达到智能化的阶段，处在智能化的进程中，见图1。配电网的业务已经和信息化开始融合，配电自动化逐步开始建立，但随着配电网的发展变化，智能配电网是发展的方向，构建智能配电网最重要的就是建立一个支持智能化发展、进步的体系架构。

图1 配电网智能化

智能配电网的体系架构是在分析和研究智能电网面临的重要发展趋势和需求下提出的。因此构建智能配电网的体系架构，需要考虑以下5个方面。

1)高效利用已有的技术。一个从全局考虑的架构，能帮助保证系统在最初建立时就有足够的规范和设计扩展能力来保障目前和未来两方面的需求。架构系统将实现与未来系统的整合和扩展，它能够做到增加一个新功能而无需整个范围内的升级和更换系统。因此如何有效利用国际开放和通用的标准，促进先进的通信和计算机技术应用到能源系统中，是实现标准化的最重要意义，这就需要企业能够为智能电网这一目标的实现提供标准化的产品。

从全局角度出发，电力行业要通过对设备和管理的信息化和自动化提升技术水平，越来越多的先进自动化技术和通信基础设施建设必须支持目前的需求，并能够满足未来的能源结构的变化。电力行业需要改变导致条块分割的重复建设的管理体系，智能电网体系架构设计上就需要克服孤立部门使用的系统、定义范围太窄的标准、功能重叠的应用、无法通信的异构系统、消除互联互通等方面的限制。一个优秀的架构设计能够将最初的设计和安装考虑到未来的系统运行中，使其能够智能开放、有效地管理并重复利用设备，延长设备的使用寿命。

2)打破系统的传统界线，实现更高层次的整合。能够跨越传统的界线和阻碍，建立起一个可实现互操作、更好更先进的集成系统，这一需求是智能架构实现的核心原动力。现代电力工业的变化将使各种商业实体间需要更广泛和紧密的联系，要求业务应用系统可进行互操作的系统集成需求。例如，电网希望将分布式电源、供电系统和用户的设备集成在一个系统中，形成一个微电网系统，智能架构就需要动态地将多种应用程序集成到用户可以参与操作的环境中去，因此无数技术和管理问题就要被提出，新的架构需求设计上就必须打破传统用户的界限。

微电网需求的出现将需要一个非常广泛层次上的系统间的互操作，这种层次上的互操作性是电力行业前所未有的。最终将用户与电力系统并列运行，可能出现数万个甚至百万个设备高度关联，随之而来的是对这样一个大系统的管理，这为设备使用者提出了一个非常巨大的挑战。

新的架构将发展成为统一标准的系统模式，消除系统管理间的界线，实现更强大的系统管理功能(包括数据管理、安全、监控和诊断)，这些功能将被直接设计和嵌入在设备中，使电力系统的管理更为智能、广泛和深入。

3)核心标准驱动的模型架构设计。智能架构设计是为了更好地协调和整合各个行业标准，以及满足整个工业领域中正在涌现的各种智能电力设备和系统的发展需求。其中关键的标准是IEC的3个核心标准：设备的标准是IEC 61850;系统间的互操作标准是IEC 61968;配电网的通用信息模型是IEC 61970。行业发展的各种标准必须能够协调作用，使它们能够适用于更普遍的领域要求。

为了实现各种标准制定组织内部及相互之间，以及一些企业内部及相互之间的更高要求的整合，制定一个行业级的智能架构是满足这一需要的自然思路。一个架构将成为发展和整合未来标准的关键角色，它不是通常意义上的单一标准，而是一个能够提供具体连贯内容且涉及广范的框架。只有通过这个方法，这些标准才能够有希望实现互操作并满足未来的需要。

4)满足不断涌现的新需求。智能架构是根据不断涌现的企业级和工业级需求得出的，智能电网的发展导致新的需求层出不穷，所以新的系统体系架构必须能够有足够的能力适应新的需求。现有的许多系统为了适用于未来需要都要进行升级，没有足够能力适应新需求的系统将遭到淘汰。

智能架构非常重视系统扩展需求以实现未来可能需要的系统运行功能，这些未来的系统功能是从各种不同的需求来源中总结的。许多需求是可知的，但很多需求都可以归结于不可知需求。尽管通信、分布式计算和信息技术已经很先进了，这些不可知的需求还是会带来许多安全方面的隐患。因此在设计系统架构时，必须考虑到未来电力供应系统中可能存在的未知需求。除了工业间的整合，在一些关键领域，如政策系统的管理和系统安全，也涌现了越来越多的需求，它们都需要在一定程度上具有足够的安全保障，无论是现在还是未来。

5)面向人工智能的发展。智能架构是要面向未来电网的发展，人工智能为大数据的处理和复杂问题的判断提供了处理复杂电网的风险、趋势、故障的能力和可能;电网的管控和运行最终是要由机器来管理和把控的，这是智能电网的终极发展目标，从人工智能发展的速度来看，实现这一目标是指日可待的。

3 结语

配电网处在电力系统的中间层，将负责能量传输的输电网与负责能量配置的低压用电侧互联起来。智能配电网必须利用互联网的思维和理念，集合电力系统、油气热力管网、电动汽车充换电网络、供水系统等网络，形成一种多能源网络协调互补理念下的未来能源系统，解决能源绿色、低碳可持续发展的问题，实现最为广泛的一、二次能源网络的互联互通。

智能架构建立了一系列考虑了系统未来运行的可能性设想。智能架构的范围扩展到了从集中发电系统到用户终端电源设备及分布式电源的广泛运行环境。智能架构超出了将电能输送到终端设备的范围，提出了应用互联网技术最大限度地实现互联互通资源共享。通过架构设计，使这个架构能够满足未来需求的设想，对于能源服务系统间交互和融合，应该在一定程度上具有开放性和安全性。