客户能源管理终端的相关技术标准解读

冯子煜，陈飞杰，程 岗，王 曼

（1.上海久隆电力（集团）有限公司，上海 200070；2.国网上海市电力公司市区供电公司，上海 200080；3.上海新电后勤服务有限公司，上海 200025；4.上海申瑞继保电气有限公司，上海 200233）

0 引言

在当前电力供需不平衡、能源紧张、环保等问题下，智能电网用电侧技术以其潜力巨大而得到研究者的关注。电网运行时除了线路输送损耗外，80%～90%的电耗是由客户侧使用的，如果能对客户侧的用电方式、用电规律等采用智能化方式进行管控，则可以从源头上提高节能效果。在用电客户侧，各种新技术正在开发与应用，其中需求侧管理（Demand Side Management，DSM）、能效电厂（Efficiency Power Plant，EPP）等技术发展迅速，成为近年来行业深受关注和研发的技术。

客户能源管理终端（Energy Management Controller，EMC）是支撑智能电网客户侧技术的基础设备，而用电侧技术标准的制定，引领了技术的发展，关键是要提高多角度研发的协同性以及避免产品的不通用性。本文通过对国际电工委员会标准（IEC）与EMC设备的相关标准解读，给EMC在国内的设备研发和应用，提供一些借鉴。

1 客户能源管理终端

EMC设备是智能电网客户侧技术的基础。目前正在研究的DSM、EPP，都离不开EMC的研发。

DSM在20世纪70年代世界能源危机时得到电力公司的青睐，当初的目标是终端节电、降低能耗、提高能源使用效率。随着电力工业及智能电网的发展，DSM逐渐被赋予了新的含义，发展到今天，DSM是指通过采取有效措施，引导客户优化用电方式、提高终端用电效率、实现最小成本电力服务所进行的用电管理活动的总称。DSM的基本目标是通过挖潜增效、设备改造，减少总能源的使用；通过改变用电方式，进行移峰填谷。

而EPP是一种虚拟电厂，属于DSM的一项具体内容，即采用投资项目的形式，形成某个地区、行业或企业电力需求节约的一揽子行动方案，对用电设备进行节电改造，鼓励客户采用节能新设备、新技术，达到降低用电负荷、提高能源的使用效率，起到移峰填谷的作用，从而达到与新建电厂和扩建电力系统异曲同工的效果，并使节电项目实现产业化。

无论是DSM，还是EPP，最终都要落实到电网与终端用电系统之间的互动层面。在传统电网中，客户的信息被单向传送到电力公司，使电力公司可以根据负荷的变化进行调度，修正运行方式，但电力公司的信息并没有同时传送给客户端，客户无法根据电网的供应能力改变自己的用电习惯。智能电网的实现，在很大程度上要依托双向互动机制。因此，在被誉为智能电网“高速公路”最后1 km的客户端领域，如何让广大客户真正感知智能电网的成效和收益，已日益成为智能电网建设取得应用成效的关键之一。

EMC是特指部署在终端用电系统中的客户能源管理控制系统。该系统是连接电网控制中心与终端用电系统或用电设备之间的枢纽与桥梁，主要用于实现电网与客户之间的互动联系，是实现各种客户侧技术手段的重要基础设施。

EMC的功能主要体现在三个方面：首先，EMC采用先进科技手段对用电系统的设备进行能耗采集和能耗展示，通过分类账单等方式，让管理者了解电能主要消耗在哪里，什么时间消耗了多少，对用能状况有个全面了解。其次，EMC可以对客户能效状况进行评估，指出电能浪费的漏洞在哪里，改善的机会有哪些，进而指导客户通过管理手段达到节能目标。最后，EMC可以实现与电网控制中心以及与用电设备之间的互动通信，通过标准化的通信接口规约实现自动需求响应，从而达到消峰填谷的目标。

2 客户能源管理终端的相关标准

EMC在智能电网中具有基础支撑作用，面临整合客户设备信息的要求，在用电系统中安装互动设备，所面临的最大挑战是为数众多的各种用电设备之间的接口和互操作性。为实现这些用电设备之间的互操作性，最好的办法是提前出台规范标准。

尽管ISO、IEC、JTC1等国际标准化组织针对家庭电子系统（Home Electronic System，HES），已经制定了一系列与通信相关的技术标准，如Lon Works，KNX，Echonet，UPnP，IGRS等；但由于设备和供应商千差万别，不可能有任何上述一种通信标准在HES中占据主导地位。因此，上述通信规约最好能在尽量少动或者不改动的情况下进行协调工作。在这个前提下，国际标准化组织进行了大量工作，针对HES设备互操作、建筑物网关以及能源管理，制定了一系列标准。作者对上述标准进行了翻译和研究，其中与客户能源管理相关度较大的有三个标准：HES设备互操作性导则（ISO／IEC 18012）、HES家庭网关模型（ISO／IEC 15045）、HES能量管理模型（ISO／IEC 15067-3）。

2.1 HES设备互操作性导则

2.1.1 ISO／IEC 18012标准

ISO／IEC 18012标准是针对建筑或家庭用电设备与外部网络之间通信集成的相关标准，它是美国国家标准与技术研究院（NIST）设备互操作计划的组成部分。

为了让众多家庭电子产品能统一到一个平台上，这就要求所有的电子产品都遵循一种互操作性机制。这种机制可保证来自不同供应商的产品能协同工作，最好的方法就是这些设备在不修改其底层网络规范和规约的前提下可以无缝协同工作，为终端客户提供各种集成应用。

《ISO／IEC 18012-1设备互操作性导则》第Ⅰ部分（分类和词汇）针对设备互操作性的基本方法和一些系统问题（安全性、管理性、操作性等）给出了描述；第Ⅱ部分针对设备互操作性，在应用层面给出了一种描述机制。通过这种机制，为异构的底层系统，提供了一种通用的应用描述方法。同时，为了便于互操作性透明实施，这种机制也针对一些关键执行元素（如数据原语等）给出了明确的语义映射。

2.1.2 主要内容

通过对家用电子设备的通信标准及其应用、交互和实现模型进行深入研究，发现了不同方法与实现的共性，在于更高层面上所执行的应用功能，而差异在于这些功能如何表达和实现的细节。简言之，各种自动化系统应用功能在语义层面存在大量共性，但在句法层面却各不相同。

英国：在中小学教材中增添个人理财内容，并列入考试范围。1998年7月，苏格兰课程咨询委员会在苏格兰皇家银行的赞助下，设置了5～18岁学生的理财教育目标；到了2005年年底，英国教育当局在教材编写过程中，出台了一项引人注目的举措——在中小学教材中增添两个教学单元的个人理财内容，着重教学生如何管理自己的钱财，如何存钱和花钱。并在2006年9月开始全国实施课程教授。2010年9月起，英国政府教育主管部门已经决定，“基础财务技能”将成为英国初中毕业考试中数学考试的一个组成部分。尽管英国家庭普遍富裕，但英国每年都会有50万的报童。这与父母鼓励孩子“打工赚零花钱”是分不开的。

针对任何家庭网络系统，都可创建一个与之对应的描述系统：通用的互操作性框架（Common Interoperability Framework，CIF）。CIF包含3个层面，如图1所示。规约层：定义了要交换的消息；词法层：定义了消息的结构；语义层：定义了消息中包含的意义。

图1 通用的互操作性框架

如图1所示，针对某种特定的客户网络系统，CIF框架首先创建与之对应的通用的交互功能（Generic Inter Working Function，GIWF）；在GIWF基础上应用抽象中间语言（HES Abstract Intermediate Language，AIL），针对每种消息单元产生对应的公共表达。这种公共表达经由实时“事件总线”传递给另一个GIWF，由GIWF在对应的客户网络中将这种近似于自然语言的描述转换为对应的具体网络信息。

当新的客户端网络引入时，只需创建对应的GIWF即可。GWIF可以采取一个可访问的公共注册元数据库中的已经存在的转换表格式。这种方法避免了依赖于特定原始制造商而带来的不能进行规约语义转换的缺陷。这种方法具有模块化特点，可无限扩展而不受引入未来新型客户端网络的局限。

2.2 HES家庭网关模型

2.2.1 ISO／IEC 15045标准

ISO／IEC 15045家庭网关模型则在前述标准的基础上，以网关模型的方式，对设备互操作给出了具体实现方法。

《ISO／IEC 15045-1 HES设备互操作性导则》第Ⅰ部分（HES家庭网关模型）描述了家庭网关的基本架构及其功能需求；第Ⅱ部分（模块化和协议）描述了3种针对不同网关实现的模块化结构。即简单网关：实现一对一网络互联，不具备扩展性；多网络网关：实现两个以上的网络互联；分布式网关：实现多个网关单元互联。

2.2.2 主要内容

图2 模块化网关架构

从理论上讲，任意多的网关链接模块都可以插入到网关链接母线上，从而构成一个可扩展的系统。图2架构图中，包含了广域网（Wide Area Networks，WAN）、家域网（Home Area Networks，HAN）和接口模块（Interface Module）。在整个架构中，广域网模块和家域网模块的地位是完全等同的。

各模块要求具备足够的处理运输能力，除了实现与该网络对应的GWIF外，还需要支持模块所能提供的服务需求。网关链接总线作为一个整体以类似以太网的形式实现网关的所有服务。各模块在硬件结构上无需局限于同一设备内，集中式网关架构和分布式网关架构如图3所示。

图3 集中式网关和分布式网关

除了对应于各具体局域网的网络接口模块外，还有一种链接于网关链接总线上的扩展模块，称之为“服务模块”（Service Module）。服务模块不对应到具体的局域网，可以透过网关链接总线访问到其他网络接口模块。服务模块提供各种应用服务，并可具有任意层次的复杂性，如图4所示。

图4 服务模块

2.3 HES能量管理模型

2.3.1 ISO／IEC 15067标准

EMC的一个应用领域是能源管理，涉及到微网环境下的分布能源、用电管理、需求响应等，终端设备是能源管理的采集和控制基础。而《ISO／IEC 15067-3 HES能量管理模型》就是针对这一应用，对如何管理与用电相关的设备和应用而制定的标准。标准分为4个部分：应用服务和协议；HES照明模型；HES能源管理模型；HES安全系统模型。这些应用模型，对处于不同制造商产品之间的互操作性，起到了重要的推动作用。在类似应用HES标准这样的场合，产品互操作是必不可少的。

2.3.2 主要内容

在《ISO／IEC 15067-3 HES能量管理模型》标准中，HES能量管理系统模型定义了能源管理系统标准，给出了所必须的通信服务。该标准定义了基于HES的高层能源管理系统模型，为家庭或建筑能源管理系统架构和功能集合，提供了标准。在这个标准中，提出一种能源管理代理模式，对外与公用事业公司或者其他服务提供商通信，实现需求响应、远程抄表、实时电价等功能；对内与智能用电设备通信，管理电力负荷。

一些可能与能源管理代理模式相关的功能和设备，例如：智能家居或者智能用电设备；智能温度调节器和其他传感器；太阳能光伏发电设备及逆变设备；微型燃气轮机或者其他发电设备；智能蓄电池或充放电设备（包括混合动力或者电动汽车）；电力补偿设备（谐波治理、无功补偿、三相平衡设备）；智能电表和电能质量表；需求响应协议；实时电价协议及参与负荷控制的用电设备响应。

3 结语

上述标准互相支持，为智能电网客户端管理的发展、客户能源管理终端的研发，给出可遵循的标准。在标准群里，针对智能电网还有很多其它的标准已制定，或即将制定。这些标准集合在一起，规定了用电和分布式能源子系统之间的协调交互，成为智能电网标准中的重要组成部分。

他山之石，可以攻玉。客户能源管理终端的研究，将重新构建新型电网关系，使客户侧电源系统与电网之间形成新的反馈机制。通过对国际标准的相关标准介绍和解读，希望能起到抛砖引玉的作用，给国内研究客户能源管理终端的同行们提供进一步研究的基础。