引言

隨著對智能電網(wǎng)的迫切需求，各國正在加快部署和推進智能電網(wǎng)建設(shè)。很多國際組織已經(jīng)紛紛發(fā)布了一系列智能電網(wǎng)架構(gòu)白皮書、標準和路線圖等，并且仍在不斷改進和研究中[1]。如美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)先后發(fā)布了《智能電網(wǎng)互操作體系框架和路線圖》的1.0版、2.0版和3.0版草案，將智能電網(wǎng)劃分為7個領(lǐng)域，側(cè)重互操作性，提出了一系列的標準、規(guī)范和指南，并制訂了優(yōu)先行動計劃;國際電工委員會(IEC)第57技術(shù)委員會(TC57)的核心標準之一——IECTR 62357對智能電網(wǎng)的參考架構(gòu)框架進行了描述，包括數(shù)據(jù)模型、服務(wù)、協(xié)議以及面向未來系統(tǒng)集成的所有應(yīng)用程序的融合[2-4]。

中國在智能電網(wǎng)標準方面也做出了一定的貢獻，如IEEE 1888工作組提出泛在綠色社區(qū)控制網(wǎng)絡(luò)標準，為構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智慧化的“創(chuàng)能、儲能、節(jié)能”;IEC PC118工作組側(cè)重用戶側(cè)系統(tǒng)/設(shè)備的信息交換接口，并已形成《智能電網(wǎng)用戶接口技術(shù)規(guī)范》[5-6]。然而，中國在智能電網(wǎng)架構(gòu)方面還沒有相關(guān)工作，國家電網(wǎng)公司也只在宏觀上提出了堅強智能電網(wǎng)的標準體系框架[7]。本文基于諸多權(quán)威機構(gòu)提出的智能電網(wǎng)相關(guān)標準、規(guī)范、白皮書和架構(gòu)框架，結(jié)合IT架構(gòu)的發(fā)展路線，對智能電網(wǎng)架構(gòu)的目標原則和智能電網(wǎng)架構(gòu)的演進路線進行描述，并提出了滿足未來智能電網(wǎng)不確定性需求的、以服務(wù)為中心的架構(gòu)設(shè)想。

1 智能電網(wǎng)架構(gòu)的目標原則

未來20年是“傳統(tǒng)電網(wǎng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸悄茈娋W(wǎng)”的過渡階段，要經(jīng)歷漫長的改進和更替[8]。智能電網(wǎng)架構(gòu)目標主要包括：對新技術(shù)的強適應(yīng)性，促進信息通信新技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相融合，確保系統(tǒng)在增加新功能模塊后仍能高效穩(wěn)定運行;控制信息和通信技術(shù)(ICT)系統(tǒng)支撐電網(wǎng)智能化日益增長的復(fù)雜度;新技術(shù)與智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略目標和發(fā)展規(guī)劃相匹配;制定長遠方案，不僅要實現(xiàn)智能電網(wǎng)愿景，還能滿足未來不確定的業(yè)務(wù)需求;支持各類交互，確?；ゲ僮?，避免信息孤島;智能電網(wǎng)架構(gòu)最終是簡單、透明的。

確定智能電網(wǎng)架構(gòu)目標之后，需要一系列的高層次設(shè)計原則來指導(dǎo)架構(gòu)開發(fā)工作，基于智能電網(wǎng)愿景和發(fā)展趨勢、業(yè)務(wù)需求、企業(yè)資本和投資成本、決策制定等方面，從設(shè)計開發(fā)技術(shù)人員、管理人員和用戶、決策高層的角度出發(fā)，提出以下架構(gòu)開發(fā)原則[8-11]：

(1)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建衡量機制。利用戰(zhàn)略性資產(chǎn)優(yōu)勢簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是簡化企業(yè)內(nèi)部流程，大幅度提高員工工作效率。重要技術(shù)決策要以總體擁有成本為基礎(chǔ)，建立企業(yè)績效和價值的可衡量機制，驗證當前ICT模式是否為最佳模式，同時使ICT達到投資回報最大化。

(2)開發(fā)緊密圍繞需求，為后續(xù)開發(fā)帶來便利。利用業(yè)務(wù)流程使開發(fā)轉(zhuǎn)型為“以流程為中心”，驅(qū)動ICT發(fā)展，不斷提高其有效性和服務(wù)效率;開發(fā)通用數(shù)據(jù)模型，創(chuàng)建統(tǒng)一的易于訪問的數(shù)據(jù)字典，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快捷交換、集成和共享，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提高運行效率;流程、數(shù)據(jù)、服務(wù)甚至ICT系統(tǒng)等應(yīng)具備可重用性，以加快業(yè)務(wù)交付能力、降低投入成本，使系統(tǒng)處于可持續(xù)發(fā)展狀態(tài);此外，應(yīng)用程序應(yīng)是可移植的，要求采用開放標準和通用數(shù)據(jù)模型及建模方法，使程序與平臺、位置和虛擬化無關(guān)，能迅速增加、修改、刪減和替換服務(wù)。

(3)充分利用現(xiàn)有資源，避免大規(guī)模重建。最大限度吸收當前系統(tǒng)及設(shè)備組件，減少低價值應(yīng)用和引入，以便調(diào)用高價值應(yīng)用及重用現(xiàn)有通用服務(wù)，不僅可以減少基礎(chǔ)服務(wù)的冗余和開發(fā)成本，加快服務(wù)市場進度，同時也能提高系統(tǒng)的互操作性，優(yōu)化關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可管理性。這就需要分析現(xiàn)有資源的整合方式，設(shè)計利用現(xiàn)有產(chǎn)品或服務(wù)等資源的業(yè)務(wù)流程和解決方案。

(4)重視可信數(shù)據(jù)源，制定數(shù)據(jù)質(zhì)量計劃。支撐決策制定的信息必須來自可信數(shù)據(jù)源，這需要對可信數(shù)據(jù)源有明確判定，并對其應(yīng)用的業(yè)務(wù)領(lǐng)域范圍有清晰劃分;在可信數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建主數(shù)據(jù)庫，便于其他程序檢索到信息，更好地保障信息的完整性和可靠性，同時降低數(shù)據(jù)管理成本;為所有業(yè)務(wù)制定數(shù)據(jù)質(zhì)量計劃，避免因數(shù)據(jù)錯誤而導(dǎo)致運行中斷甚至決策失誤，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量狀態(tài)良好。

2 智能電網(wǎng)演進路線

未來智能電網(wǎng)是基于開放標準的、高集成的集中-分布式混合系統(tǒng)，具有良好的互操作和互通互聯(lián)性，而智能電網(wǎng)架構(gòu)的發(fā)展與演進必然遵從IT架構(gòu)的發(fā)展趨勢[12]。在演進過程中架構(gòu)主要呈現(xiàn)以下3個階段。

2.1 業(yè)務(wù)筒倉階段

筒倉階段可以被描述為不同業(yè)務(wù)筒倉的集合，如圖 1所示。每個筒倉服務(wù)于一個業(yè)務(wù)單元，具備各自的信息系統(tǒng)，筒倉間微小的集成維系著電網(wǎng)有效地運行。然而，筒倉的這種特點無法滿足智能化的需求。業(yè)務(wù)的獨立筒倉結(jié)構(gòu)在以后的集成整合中不僅會耗費大量的時間和成本，同時也有高風(fēng)險。所以，筒倉間的交互問題是演進第一步的主要內(nèi)容。?

隨著分布式能源接入等新需求的出現(xiàn)，除了筒倉間的交互，還要解決與新業(yè)務(wù)的交互問題，這就需要在現(xiàn)有業(yè)務(wù)筒倉的基礎(chǔ)上開發(fā)利用相關(guān)方與筒倉之間相應(yīng)的接口，此外，這些不同的接口需隨著需求的發(fā)展演進。

2.2 總線部分集成階段

這一階段是標準化技術(shù)階段，主要通過企業(yè)服務(wù)總線(ESB)實現(xiàn)后臺、應(yīng)用和服務(wù)的集成，如圖 2所示。ESB以開放標準為支撐，將業(yè)務(wù)筒倉的應(yīng)用程序共享到整個基礎(chǔ)架構(gòu)，完成系統(tǒng)間的良好交互和應(yīng)用的靈活調(diào)用，克服了筒倉架構(gòu)信息孤島的問題[13]。然而ESB集成要求嚴格地執(zhí)行開放標準和數(shù)據(jù)模型，否則ESB將只能作為共享的通信介質(zhì)。?

雖然ESB架構(gòu)在一定程度上也是集成架構(gòu)，但并不是最終“集成一切的系統(tǒng)”的目標架構(gòu)，其下層系統(tǒng)仍然保持著一定的筒倉性質(zhì)，在滿足未來業(yè)務(wù)需求的靈活性和業(yè)務(wù)拓展的松耦合性方面還存在很大欠缺。

2.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合階段

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合階段側(cè)重異構(gòu)系統(tǒng)融合，集成異構(gòu)平臺下的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，通過適配器等中間件連接企業(yè)內(nèi)外各種業(yè)務(wù)相關(guān)的異構(gòu)系統(tǒng)、應(yīng)用及數(shù)據(jù)源，從而滿足企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用系統(tǒng)間的信息、數(shù)據(jù)和服務(wù)等的共享，如圖 3所示。?

適配器體系架構(gòu)能夠支持異構(gòu)系統(tǒng)的不斷演進，這主要得益于適配器的接口轉(zhuǎn)換作用，它將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的消息、數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和路由。但是該架構(gòu)本質(zhì)上是基于消息集成，只是為已有的應(yīng)用系統(tǒng)提供一種中間溝通的解決方案，是一種網(wǎng)路的集成方式，并沒有實現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊化、服務(wù)的可重用及標準的統(tǒng)一，所以它并不是智能電網(wǎng)最終的目標架構(gòu)，也不能充分利用開放的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的良好機會。

綜上，筒倉結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)將給系統(tǒng)整合集成和信息交互帶來很大困難，架構(gòu)在演進過程中，首先需要加強業(yè)務(wù)筒倉間的交互，通過總線集成應(yīng)用和后臺，實現(xiàn)業(yè)務(wù)筒倉到初步集成的過渡;然后，在部分集成的基礎(chǔ)上實現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的融合，形成利用中間件融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu);之后，在前述基礎(chǔ)上架構(gòu)將向面向服務(wù)過渡，實現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊化。

3 未來智能電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)想

要建成一個具有很強適應(yīng)性和健壯性的智能電網(wǎng)體系，需要一個靈活的架構(gòu)作為支撐[14]。以服務(wù)為中心的集成是集成高度異構(gòu)、分布的各個系統(tǒng)和應(yīng)用的最有效方案。因此，以服務(wù)為中心的架構(gòu)是未來IT架構(gòu)的發(fā)展目標，也是未來智能電網(wǎng)架構(gòu)的發(fā)展趨勢。

基于開放標準的分層服務(wù)架構(gòu)延續(xù)了企業(yè)服務(wù)總線的ESB集成和適配器體系架構(gòu)的中間件融合，通過開放標準將服務(wù)、業(yè)務(wù)等模塊化，以服務(wù)為中心，并結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)的特點和業(yè)務(wù)需要將服務(wù)分類分層，形成結(jié)合集中式共享服務(wù)棧和分布式共享服務(wù)棧的分層架構(gòu)，如圖 4所示。這種架構(gòu)滿足“系統(tǒng)的系統(tǒng)”的主要特征，整個系統(tǒng)由關(guān)聯(lián)的多個獨立的分布式系統(tǒng)組成，獨立在于成員系統(tǒng)的運行和管理相互獨立，而關(guān)聯(lián)在于成員系統(tǒng)需要彼此協(xié)同實現(xiàn)系統(tǒng)功能，這種協(xié)同關(guān)系只是暫時的突發(fā)行為[15-16]。?

該架構(gòu)面向服務(wù)，將每個應(yīng)用功能分解為可供訪問的服務(wù)。這些服務(wù)具有協(xié)議和技術(shù)的無關(guān)性，每個服務(wù)不需要關(guān)心其他服務(wù)的物理位置和實現(xiàn)技術(shù)，并且可以通過不同的協(xié)議來調(diào)用，服務(wù)之間以松耦合方式實現(xiàn)交互與集成，服務(wù)的增減和修改也不會影響其他服務(wù)。將服務(wù)按照不同的方式進行組合會形成不同的業(yè)務(wù)流程，可以實現(xiàn)不同功能。當某個業(yè)務(wù)流程發(fā)生改變時，一般只需要修改服務(wù)組合方式;當有新業(yè)務(wù)需求時，只需按照業(yè)務(wù)需求設(shè)計相應(yīng)的服務(wù)，并加入到服務(wù)棧中，通過與其他服務(wù)的組合便可實現(xiàn)新的業(yè)務(wù)需求。服務(wù)的松耦合性和重用性減少了系統(tǒng)對底層編程開發(fā)的需要，使得系統(tǒng)可以用更靈活的方式實現(xiàn)更高質(zhì)量的開發(fā)應(yīng)用。

這一架構(gòu)中的接口是基于開放標準一致定義的，使服務(wù)描述易于理解，是實現(xiàn)服務(wù)可重用的保障;這種接口并不與特定功能強制綁定，能屏蔽實現(xiàn)技術(shù)和物理位置;只要保證服務(wù)的接口不變，服務(wù)提供者和使用者的變化也不會影響彼此，從而將變化帶來的影響降到最小。

基于開放標準的分層服務(wù)架構(gòu)支持上文提到的演進路線，其優(yōu)勢還在于可以將已有系統(tǒng)功能應(yīng)用作為服務(wù)進行集成，保護了現(xiàn)有的基礎(chǔ)建設(shè)投資。在架構(gòu)建設(shè)的起初階段，首先考慮從當前重要的集成需求開始，封裝已有系統(tǒng)和應(yīng)用等，開發(fā)必要的新服務(wù)為后續(xù)集成提供基礎(chǔ);隨著集成的服務(wù)越來越多，最終，絕大部分新的集成需求會通過已有的服務(wù)實現(xiàn)，整個系統(tǒng)的集成會以漸進的方式逐步擴展。由于開放標準帶來的松耦合性和靈活性，已有系統(tǒng)遷移到新技術(shù)平臺或者被替代，都不會影響到相關(guān)功能應(yīng)用，這就使整個系統(tǒng)具有很強的適應(yīng)性和健壯性。

4 結(jié)語

本文根據(jù)未來智能電網(wǎng)的需求和發(fā)展趨勢，提出了架構(gòu)目標和原則，注重在降低投資成本和實現(xiàn)復(fù)雜智能電網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上達到最大的投資效益和最佳的架構(gòu)開發(fā)，強調(diào)現(xiàn)有電網(wǎng)資源的整合利用和程序及服務(wù)等的可重用性和系統(tǒng)的易管理性。提出了不同階段智能電網(wǎng)的演進路線，實現(xiàn)了電網(wǎng)從業(yè)務(wù)筒倉階段到利用標準化階段再到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合階段的轉(zhuǎn)變，使電網(wǎng)架構(gòu)逐步像未來需求的架構(gòu)目標過渡，避免了電網(wǎng)系統(tǒng)的重建和設(shè)備的大量替換，最大限度地保護了現(xiàn)有建設(shè)投資，降低了過渡成本;提出了未來智能電網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)想，未來智能電網(wǎng)的架構(gòu)應(yīng)是基于開放標準的分層服務(wù)架構(gòu)，這種架構(gòu)充分結(jié)合利用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了系統(tǒng)向面向服務(wù)和業(yè)務(wù)模塊化的轉(zhuǎn)變，基于開放標準的服務(wù)和接口使架構(gòu)變得非常靈活，同時使服務(wù)具有很高的可重用性和松耦合性，使得系統(tǒng)在面對新業(yè)務(wù)的加入和業(yè)務(wù)更替時具有非常高的適應(yīng)性和健壯性。