适合国际标准 IEC 61970 和 IEC 61968 的智能楼宇能源管理系统设计

袁心怡，邵峥达，陈 博，曾 真，高非池，赵艳敏（国网上海市电力公司， 上海 200051）

1 背景概述

1.1 智能楼宇能源管理系统现状

在我国经济高速发展的趋势下，公共建筑（大型商场、酒店、办公楼、宾馆等）的能源消耗问题日益显现。公共建筑中暖通空调系统和照明系统的用能占据了建筑整体能耗的绝大部分。

智能楼宇能源管理系统的建设目的是实现新建公共建筑的节能降耗，其主要功能是通过建筑能耗模型的建立，对建筑楼宇、用能系统设备的能耗数据进行监测和分析，挖掘建筑节能潜力，实现建筑用能系统高效运行。

1.2 IEC 61970 和 61968 应用情况

随着计算机通信技术的发展，国际电工技术委员会（IEC）的第 57 技术委员会（IEC TC 57）为了解决建筑电力系统对数据信息的集成共享问题，制定了一系列标准，包括电力标准 IEC 61970 和 IEC 61968。通过电力系统信息模型进行数据的共享，实现能源数据的获取、分析和动态调控管理。

1.3 目 标

本文将提出一系列思路，即通过借鉴 IEC 61970 与 IEC 61968 标准，以及电力系统的实践经验，为智能楼宇能源管理系统提出一系列设计规范，为此类系统的标准化实施提供依据。

2 应用 IEC 标准设计智能楼宇能源管理系统

2.1 智能楼宇能源管理系统功能分析

通过对当前各类智能楼宇能源管理系统的调研，总结其主要功能，具体有如下几个方面。

（1）楼宇整体用能监测：对建筑分类、分项、分区域能源数据并且逐时、逐日、逐月能耗趋势进行监测。

（2）设备用能监测：对建筑主要用能系统设备的实时用能负荷和运行参数的监测。

（3）建筑配电网络监测：对建筑配电系统的线路运行状态进行监测。

电力需求响应双向互动，分布式新能源控制。

（1）综合指标分析：对各建筑区域能耗数据、用能趋势、能耗费用进行同比、环比分析，并以图、表、曲线的方式进行展示。

（2）设备耗能分析：通过对设备的运行负荷、运行状态的监测，对设备运行效率进行分析。

（3）能效对标分析：对建筑用能系统建立对标评价指标体系，以曲线、图表等多种方式进行建筑能源使用单耗分析。

（4）高级分析：通过大数据智能计算，对建筑能源使用负荷进行预测，方便用户对当前发电、用电的趋势进行动态掌握，进行智能动态供需匹配，辅助用户实现能源调度策略。

通过以上分析可以发现，该类系统大量业务功能与电网能量管理系统有重叠，IEC 61970、61968 中的公共信息模型（CIM）能够描述这些功能涉及的信息模型。

2.2 应用公共信息模型

IEC 61970 与 IEC 61968 标准中，已定义了大量规范的CIM，根据对智能楼宇能源管理系统业务架构的研究，可以发现可应用于系统设计过程中的以下信息模型。

2.2.1 电力用户档案管理

IEC 61968 中的 Customers（用户档案包） 包含了对电力用户相关信息的管理功能，能描述用户户号、电价组成、账单明细等信息，可为智能楼宇能源管理系统实现用户电费管理提供借鉴。

2.2.2 抄表管理

IEC 61968 中的 Metering （测量包）包含了完整的电能表抄表管理功能，对智能楼宇能源管理系统分项计量有借鉴作用。

2.2.3 用户电力设备拓扑管理

IEC 61970 中的 Topology （拓扑包）能描述智能楼宇内部电力设备的拓扑关系，能实现智能楼宇的变配电设备监控、电源追溯能力。

2.2.4 用户电力设备管理

IEC 61970 中的 Wires （电网包）是对建模输电和配电网络的电气特性的信息的 Core 和 Topology 包的扩展，描述了高压输电网、中压输电网、变电站、配电馈线设备以及其相互间如何连接的定义。这部分信息能用于智能楼宇电力设备的状态管理、安全分析等网络分析应用。

2.3 应用 IEC 61970 组件接口规范

IEC 61970 组件接口规范是 （CIS） 在 OMG 和 OPC 标准基础上编制出来的公共通用服务标准。组件接口体系如图 1 所示。图 1 用图形的方式说明定义的每一部分和底层OMG 与 OPC 标准的关系。每一部分包括了整个通用服务的一个不可再细化的子集。虽然任何具体组件使用哪部分的服务是设计选择问题，但是遵循这个技术规范就需要完全实现将来的公共服务，加上一个或多个其他部分规定的服务。

图1 组件接口体系图

2.4 IEC 61968 消息适配器

IEC 61968 的消息适配器对企业应用软件基础架构的要求是，应有一个逻辑的信息交换模型（IEM）。其实现在物理上可以是分布式的，允许以公开的可访问的方式进行组件间的信息交换。消息类型有效的内容可以通过以下几种方式来定义。

（1）对一个 XML 模式定义的复杂类型的强类型引用。

（2）对 XML:any 声明的无类型引用。接收消息的应用程序将利用消息头中的名词来对内容进行解码。

（3）编码的 XML 字符串，其中的数据可能遵从一个XML 模式（由消息头中的名词指定）或者一个 RDF 模式。

IEC 61968 系列标准中的消息类型是指定了必需和可选元素的消息模式，同时还指定了元素之间导航关系。所有的元素和导航连接分别对应 CIM 中定义的类和关联。CIM 类属性以及其数据类型和定义见 IEC 61968-11 和 IEC 161970-301 部分定义。

2.5 参考架构

架构是系统的基本组织，建立企业能源管理系统架构应该由一个架构框架支持。一个架构框架是基于多个实施的一个抽象，并成为一套工具（如模式建模和管理工具，或用来逻辑和物理数据建模的工具）。这些工具使用特定领域的分类、方法、准则和最佳做法，并融入一些重要方面，如标准和规章。

参考架构封装在一个抽象的层面，其结果和最佳实践从给定业务问题的多个部署解决方案中得到，要求建立完整系统任务形成逻辑顺序。参考架构提供了一个共同的格式，有利于方式一致的解决方案的反复设计和部署。因此，其对 IT架构师是一个有价值的工具，以下是参考架构的关键特点。

（1）主要基础部件或构件—帮助描述端对端的架构解决方案。

（2）公用语言—简化了说到给定系统类型时的沟通交流。

（3）框架—一个用来范围确定、路线图定义、风险评估和差距评估的框架。

（4）基础—被证实的基础，可以用在一个领域的所有解决方案设计中。

该参考架构框架概括并总结了具有重大意义的架构需求，并为项目工程师提供了一个与技术无关的架构体系。

2.6 应用案例

项目组的主要工作成果是定义了参考架构框架（Reference Architecture Framework），一个面向电力行业信息基础设施需求的架构框架。该框架包括以下方面。

（1）电力行业的业务需求，如电力系统运行功能的获取以及对电力系统环境加以分类。

（2）基于分布式信息的高层概念的策略视图。

（3）基于公共服务、信息模型和接口的与具体技术无关的技术战术途径。

（4）能够用于电力行业的标准、技术以及最优实践。

智能楼宇能源管理系统使用 CIM 设计了数据持久层，并通过 IEC 61970 的组件接口实现了统一的数据访问服务，通过 IEC 61968 实现了与企业内部其他系统的标准集成。

3 结 语

应用 IEC 61970、IEC 61968 能够为智能楼宇能源管理系统的设计提供有力的架构标准。同时，当前流行的OPENADR、EI 和 SEP 2.0 等需求侧与电网的接口标准都传承自这两项标准。因此，应用 IEC 61970、61968 标准设计的智能楼宇能源管理系统能具备优秀的业务扩展能力。