自动需求响应信息交换接口设计

第34卷 第31期 5590 2014年11月5日 中 国 电 机 工 程 学 报

Proceedings of the CSEE V ol.34 No.31 Nov.5, 2014 2014 Chin.Soc.for Elec.Eng.

DOI ：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.31.016 文章编号：0258-8013 (2014) 31-5590-07 中图分类号：TM 73

自动需求响应信息交换接口设计

祁兵1，张荣1，李彬1，陈宋宋2

(1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206；

2．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192)

Design of Automated Demand Response Information Exchange Interface

QI Bing1, ZHANG Rong1, LI Bin1, CHEN Songsong2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206,

China; 2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)

ABSTRACT: Automated demand response information exchange interface, which is one of the key technologies for automated demand response, is entity connecting customer automation systems, demand response service systems in power grid-side and the third-party aggregation service systems for participating in the automated demand response. Information exchange capabilities between demand response systems are realized by the interface. By analyzing demand response business, architecture, hierarchical model and functions of interface were designed in this paper. By integrating function layer, information layer and communication layer entities, efficient, flexible, convenient and secure demand response information exchange can be implemented by the interface that mapped to a physical network reasonable, which is significant for automated demand response.

KEY WORDS: automated demand response (ADR); information exchange; interface; level model

摘要：自动需求响应信息交换接口是连接参加自动需求响应的用户自动化系统、电网公司的需求响应服务系统及第三方的聚合服务系统的实体。接口能实现需求响应各系统间的信息交换功能，是自动需求响应的关键技术之一。从需求响应业务分析出发，设计了接口的体系架构、层次模型和接口功能，通过接口的功能层、信息层和通信层实体间的密切配合，合理映射到物理网络后可进行高效、灵活、方便、安全的需求响应信息交换，对实现需求响应的自动化具有重要意义。 关键词：自动需求响应；信息交换；接口；层次模型

基金项目：国家自然科学基金项目(51307051)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(12QN10，2014ZP03) 。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51307051); The Fundamental Research Funds for the Central Universities(12QN10, 2014ZP03).

0 引言

需求响应(demand response，DR) 是智能电网的重要应用之一[1-2]，DR 是指电力用户通过调整用电方式，转移部分用电负荷，以此响应电网企业的电价调整或激励措施[3-4]。自动需求响应(automated demand response，ADR) 是建立在现代信息通信技术基础之上，通过应用先进的传感技术和决策支持技术，采用智能设备和先进控制方法，实现用户用电设备负荷的自动调整，以确保电网电力平衡，提高效率，节省人力，并给用户带来极大的方便，促进用户参加需求响应的积极性[5-7].

自动需求响应是智能电网的重要组成部分，其实现以及大规模应用依赖电网域和用户域之间的互操作性[8]，意味着在特定定义的互操作域(ADR域) ，电网域/用户域包含的智能设备/系统需对交换信号和数据有一个共同的理解。国内外智能电网标准体系着重描述互操作规范及需求响应用例[9-10]，统一的信息交换接口可有效实现ADR 域中实体间的去耦合，使ADR 通信协议不依赖现在和未来具体的通信网络。目前，IEC 、IEEE 和NIST 等国际组织开始制定相关标准用于规范智能电网用户接口和需求响应业务[11-12]。国家电网公司也积极组织相关单位参加智能电网用户接口项目委员会(IEC PC118) 的标准制定工作，研究智能电网用户接口及需求响应接口方面的关键技术[13]，初步完成IEC 智能电网用户接口技术报告和需求响应信息模型的建设工作，为DR 业务的开展奠定了基础，保证了ADR 系统开发的国际化和标准化。但目前国内外专家学者还没有对自动需求响应信息交换接口(ADR

第31期 祁兵等：自动需求响应信息交换接口设计 5591

information exchange interface，ADRI) 的结构、功能、通信协议进行过专门的研究，阻碍了自动需求响应系统的大规模应用。

本文通过对自动需求响应系统的研究，借鉴NIST 、IEEE 和IEC 等标准组织的智能电网规

范

[14-15]

，提出一种基于IEC 62559能源系统需求开

[16]

发方法的设计思想，即以电力系统架构和信息系

统架构的交互式设计为理念，通过分析用例获取用户需求，针对自动需求响应信息交换接口进行研究和设计。

图1 自动需求响应系统概念模型 Fig. 1 Conceptual model of ADR system

1 自动需求响应系统分析

1.1 IEC 62559框架下的ADR 系统构成分析

IEC TC8以美国电科院报告为蓝本，发布了 IEC/PAS 62559 能源系统需求开发的智能电网方法，为业界提供了一致的系统工程方法，全面地定义了电网用户的需求。作为智能电网系统方法的一部分，62559同样秉承了智能电网一些高层次概念和原则：1）系统集成，特别是电力系统及其控制通信系统之间的集成；2）采用基于标准的可互操作的开放系统；3）应用和需求的用户定义；4）可映射到需求的技术解决方案；5）开发分层解决方案的相关策略，以最大程度减少未来技术变化带来的不利影响。

智能电网用户侧的应用场景是用例的基础，通过用例描述用户/使用者在不同应用场景的特征行为

[17]

在ADR 系统中的各方角色，应支持资源监控、数据采集、数据处理以及界面展现部分，涉及典型的设备模型、控制策略模型、需方响应模型以及数据分析模型。OpenADR 2.0定义了虚拟根节点(virtual top node，VTN) 与虚拟端节点(virtual end node ，VEN) 模型，在ADR 系统概念模型中，VTN 将作为服务器角色，公布DR 事件，并向VEN 提供信息。VEN 则监听DR 事件，并对其响应，同时支持向下游VEN 的扩散传播。 1.2 自动需求响应系统部署

自动需求响应系统物理设施分布在配电域、分布式能源(distributed energy resource，DER) 域、服务商域(营销部门及第三方服务企业) 和用户域[14]，如图2所示。系统的主要设备包括ADR 服务器、DR 调度管理、DR 聚合系统、DR 客户端、用户自动化系统、智能设备控制器、DER 管理系统、负荷设备、DER 设备及通信设备等，根据智能电网架构模型(smart grid architecture model，SGAM) 模型分析，这些设备分别部署在智能电网信息管理的过程层、区间层、厂站层、运行层、企业层和市场层6个信息管理层中[15]。

电网公司内部与DR 业务有信息交互的相关实体，如配电运行管理、市场管理、用户DER 管理和用电信息采集/高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI) 等，通过企业内部信息交换总线，或IEC 61970定义的能源管理系统的应用程序接口，与ADR 服务器通信[18]。电网公司内部的系统之间不会通过DR 接口进行通信，DR 接口是电网公司与用户之间的信息接口。在用户域中用户系统和用户智能设备均与DR 客户端相连，根据需要，用户可以直接连接到电网公司的ADR 服务器，也可以连接到第三方服务商的DR 聚合系统。

。客户能源管理系统是DR 客户端的核心构成，

可以根据来自电网和/或智能设备的信息来发布决定并实施管理。自动需求响应系统是实现需求响应业务自动化的信息处理系统。

需求响应业务的主要参加者包括电网公司的营销部门和调度部门，电力用户的居民用户、商业用户、楼宇用户和工业用户，第三方服务企业及政府监管部门。营销部门执行需求响应调度管理职能根据电力调度负荷消减需求等信息形成用户的DR 需求，并将该DR 需求发给自动需求响系统的ADR 服务器，ADR 服务器将DR 需求分解并发布，DR 客户端、DR 聚合系统收到ADR 服务器的需求响应发布信号后启动自己的DR 项目，参加到DR 业务互动中。ADR 系统概念模型如图1所示。

该系统的组成一般包括用户侧的DR 客户端、电网公司的ADR 服务器、需求响应调度管理系统及第三方的DR 聚合系统，如图1所示。

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图2 自动需求响应系统物理部署

Fig. 2 System physical deployment of automated demand response

1.3 自动需求响应信息交换接口

ADRI 是自动需求响应系统中的参与者DR 应用系统的通信接口组件，ADRI 为参加自动需求响应的用户、电网公司及第三方服务商提供信息交换服务，是自动需求响应系统的信息通信基础。ADRI 位于OSI 应用层之上的应用系统之中，是应用系统中的一个通信服务子层，ADRI 由一组特殊的应用进程组成，为更高子层提供服务。ADR 服务系统和用户系统，可直接调用OSI 环境，或者通过其他服务(如XMPP) 间接调用OSI 环境，为用户和电网提供交互信息。考虑到OpenADR 规范中已经规范了基于XML 的XMPP 协议传输，在ADR 信息交换接口将采用WebService 方式。具体信息交换接口主要服务的内容涉及如下方面。

1）数据传递需求。

采用发布/订阅机制，DR 发布方将值写入发送侧的当地缓冲区，接收方从本地缓冲区读取数据。通信系统负责刷新订阅方的当地缓冲区；

2）通信连接管理需求。

单播、广播、组播通道的管理、连接的维护； 3）时间同步需求。

提供DR 服务器、DR 响应客户端之间的时钟同步，时间校准服务；

4）DR 业务需求。

发布电价、下发削减任务、DR 执行效果评估、DR 客户组优选。

目前按照业务和对象，与DR 相关的业务信息接口主要涉及6类信息交换接口，具体包括公共基

础类、DR 业务应用类、DR 能效评估类、分布式能源类、电动汽车充电类、负荷管理类。

2 自动需求响应接口设计

2.1 接口的层次结构

ISO/IEC开放系统互连基本参考模型ISO/IEC 7498-1标准中的分层思想是将庞大而复杂的问题分为若干较小的易于处理的局部问题，通过对开放系统复杂结构7个层次的划分，将开放系统互连中的服务、接口和协议明确地区分开来，使不同的系统之间实现方便可靠的通信[19]。按照ISO/IEC 7498-1标准的分层思想，遵循IEC 智能电网标准路线图V1.21草案中提出的SGAM 方法，并结合需求响应系统的实现，将支持需求响应业务的ADRI 划分为功能层、信息层、通信层和基础平台层4个层次。ADRI 的设计主要是对功能层、信息层和通信层的设计，其中的基础平台层又划分为专用基础层和公共基础层，采用现有的环境平台，不需要再设计。

ADRI 层次结构如图3所示。ADRI 功能层的服务支持DR 业务系统，DR 业务系统的应用进程通过调用功能层的服务使用ADRI 的各种功能，实现自动需求响应服务器、DR 聚合系统和DR 客户端之间的交互信息，进而实现DR 业务功能。 2.2 接口的功能层

DR 业务执行时需要在电网公司、第三方服务商和用户之间进行数据传输及信息交换，主要交 互的信息包括市场信息、价格和产品信息、配套服务信息、需求响应请求和通知、电力故障、自然

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祁兵等：自动需求响应信息交换接口设计 5593

2.5 接口基础平台层

ADRI 基础平台层是支持ADRI 运行的软硬件平台。基础平台可划分为专用基础层和公用基础层。

专用基础层包括为电力应用专门设计的软硬件平台。如电力通信规约IEC 60870、IEC 61850、IEC 61970、IEC 61968、IEC 62746及DL/T645等[20-21]。

公用基础是为满足通用信息交换需要而设计的软硬件平台。包括各种公用的计算机/服务器和公共通信协议栈，如XMPP 、HTTP 、TCP/IP、以太网、WIA 、ZigBee 、PLC 和RS-485等。该层包括整个OSI 环境作为基础通信设施，对通信报文、频度、定时、组播、广播及单播等给予规范。 2.6 ADRI的物理实现

ADRI 实体是由一组软件组成的，这一组软件运行在DR 系统基础平台上，实现了功能层、信息层和通信层的功能，基础平台可以是独享专用的(如ADRI 专用的1台计算机) ，也可以是共用共享的(如ADRI 共享DR 客户端计算机、DR 聚合系统计算机或ADR 服务器计算机) 。在专用硬件时，ADRI 和DR 应用进程之间以客户/服务器方式交换信息。在共用硬件时，ADRI 是一个通信组件，DR 应用进程以软件调用等方式交换信息。

图3 ADRI层次模型 Fig. 3 ADRI hierarchical model

灾害或其他特殊事件的指示、直接交互请求、历史或实时能源使用量(电表测量值) 及监测信息等。ADRI 的功能层定义并实现了这种信息交换的服务功能。

ADRI 的功能必须支持现有的DR 商业模式，如TOU 、IL 、CPP 、DLC 等，支持DR 实施的全过程，如用户管理、创建计划、DR 实施、评估和结算等。ADRI 接口必须支持普遍认同的DR 业务的4个功能级别，即价格控制功能、任务控制功能、自动控制功能和直接控制功能2.3 接口的信息层

信息层定义DR 的信息模型和信息交换方式，并为ADRI 功能层提供对信息模型的加工处理服务。

信息模型用于描述DR 系统内的信息资源以及资源的相互关系。通过信息模型可以实现不同的应用程序对所管理的数据重用、变更以及分享，实现DR 信息的高度集成和共享，从而实现各系统的开放性、可扩展性、可维护性。目前，IEC 的相关部门正在制定DR 的公共信息模型。

信息交换方式规定了2个或多个系统之间实现信息交换的方法，是在ADRI 设计中必须考虑的问题。在目前的技术环境下，ADRI 应兼容客户端/服务器(C/S)模式及浏览器/服务器(B/S)模式，支持点到点、点到多点、请求/应答和订阅者/发布者(P/S)等交换方式。 2.4 接口的通信层

通信层定义了DR 通信协议和通信协议的映射方法。按照IEC 62559的设计思想，DR 通信协议是抽象的，是独立于现有的物理通信协议的。智能电网的物理网络一般划分为用户接入网络、配电网络、高级量测系统回传网络、内部控制中心/内部数据中心网络、骨干网络和运营回传网络[15]，这些网络连接DR 业务相关的设备及系统。

[13]

。

3 ADRI服务功能设计

3.1 ADRI功能分析

依据市场电价机制和激励机制2种不同的DR 交互机制，DR 的业务需求可分为价格型 DR和激励型DR [22]，对于这2种类型的需求响应业务，在应用时可以通过自动需求响应系统实现。ADRI 服务功能是ADRI 满足需求响应业务层应用需求的一种能力。

因此，ADRI 支持的信息交换又可分为价格相关信息，如分时电价(time of use，TOU) 、尖峰电价(critical peak pricing，CPP) 和实时电价(real time pricing ，RTP) 等[23-25]，激励相关信息，如紧急需求响应、容量市场项目、辅助服务项目、需求侧竞标和频率响应、可中断负荷和直接负荷控制等。

ADRI 提供4类服务功能给需求响应业务进程，以满足DR 应用要求。

1）信息服务功能，包括项目信息、用户信息、设备信息的服务。分别用于电网公司向DR 用户提供DR 项目、用户信息、设备信息的相关操作，如创建、删除、查询、更改。

2）交易服务功能，包括DR 投标服务、事件

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服务、峰值需求信息服务。DR 投标服务，电网公司向用户提供DR 投标服务（购买和出售）。DR 事件服务，主要用于用户对DR 事件的请求操作或电网公司对DR 事件的创建、删除、请求及变更操作。峰值需求信息服务，电网侧向用户提供峰值需求信息服务。

3）监控服务功能：电网公司对用户的DR 项目进行监控，查看其执行状况及最终结果。

4）合约服务功能：在进行需求响应之前，电网公司会给用户发送相应的DR 合约，具有法律效应，等待用户签字同意；用户对合约签字同意后，回复给电网侧的合约确认信息，完成合约信息服务。

ADRI 提供的4类功能中的每一个具体服务功能是由“信息模型+动作”来描述的。动作是对服务动态的描述，包括查询、创建、操作、更改、取消、删除、报告和发布。 3.2 ADRI服务原语

ADRI 为DR 业务进程提供可调用的服务原语，实现接口的功能。服务原语表示DR 业务进程要求ADRI 获取DR 事件状态的请求，描述ADRI 服务的原语由4个部分组成，如图4所示。

GET 动词

EvenStatus 资源

requset 原语类型

3）资源，即DR 信息模型中的对象和类。 4）原语类型：标准的服务原语分为4种不同的类型：请求原语，应用进程要求服务接口做某项工作；指示原语，服务接口告知某应用进程事件发生；响应原语，应用进程对服务接口表示某事件的响应；确认原语，应用进程收到服务接口关于请求的答复。

4 ADRI通信协议映射

智能电网用户的设备和系统实际中使用的通信协议多种多样[26]。为将通信层定义的通信方式、服务结构和操作原语运用于实际应用中，必须将其映射到具体的通信协议当中，映射方法应具有强大的扩展性，以适应发展迅速的网络通信技术。为了保障DR 系统的通用性，在映射过程中，DR 作为OSI 模型的高层协议，并未限定底层的承载协议。通信协议的映射存在定义新的协议集与现有协议集扩展2种方式。前者实现方式较为简单，可在现有的电力专用通信协议上将DR 业务接口信息作为净荷直接承载，允许对现有的协议、原语进行少量的扩展。后者则利用公用通信系统构建全新的DR 协议集，通过组合调用DR 接口指令实现复杂的逻辑功能。虽然成本较高，但有助于实现优化的DR

控制逻辑。目前已经在《电网与用户侧智能设备信息交换接口》草案中，初步定义了与DR 系统相关的6类服务的原语控制方式，重点涵盖了与分布式能源及用户侧能源管理系统等相关领域[27-29]。

考虑到DR 系统的主从特性，ADRI 的信息交换主要采用C/S方式，并支持P/S方式，少量的告警组播方式，如图5所示。

图4 ADRI服务原语构成 Fig. 4 ADRI service primitives

1）前缀。

前缀固定为ADRI ，表明该原语为ADRI 的服务原语。

2）动词。

表明该原语对资源的动作，主要包括创建、升表1所示。

表1 服务接口动词说明

Tab. 1 Service interface verb description

基本动词

说明

GET 获取请求，读取资源具体内容

CHANGE 改变请求与响应，写入资源并响应写入结果 UPDATE CHANGE的近义词，用于同一资源的多次改变

取消请求与响应，用于终止该次正在进行的事件，但不

CANCEL

影响下个周期事件的执行 删除请求与响应，与取消的区别在于，直接将事件删除，

DELETE

此后该事件与设备无关 创建请求与响应，用于请求目标设备创建一个新的资源

CREATE

与响应结果

REPLY 基本响应，可用于请求资源变更改变后的各种具体结果

订阅请求与订阅取消请求，用于订阅与取消订阅可订阅

SUBSCRIBE

资源

REPORT 报告请求，用于紧急告警

级、变更、取消、删除、获取、订阅等，具体如

逻辑设备(S)逻辑设备(C)

图5 ADRI信息交换方式

Fig. 5 ADRI information exchange style

在C/S交换方式中，虽然将逻辑设备分为客户端与服务器，但仅限于某次具体的通信过程，逻辑设备可能在不同的通信过程中充当客户端和服务器2种不同的角色，也可以将C/S交换方式看做点对点的对等通信。P/S交换方式下，服务器将在客

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户端要求的时刻(参数改变、固定时间间隔等订阅要求) 向客户端群公布订阅资源的内容。当出现紧急事件时，ADR 服务器进行组播通知，以确保紧急事件第一时间被所有设备得知。

目前，智能电网中与DR 相关的协议有IEC 61850、IEC 62746 、IEC 62056、IEC 61968和DL/T645等，这些专用协议使映射更加简洁方便。与DR 相关的公共通信协议主要有XMPP 、HTTP 、TCP/IP、WIA-PA 、PLC 协议等。映射的实质是服务原语到通信协议的标准报文的转换过程。

通信映射是指将抽象的功能服务映射到具体的通信网络及协议上，在具体协议的最顶层，对功能服务进行映射，生成最终应用层协议数据单元，再通过底层网络进行传输，映射模型如图

6所示。

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图6 通信协议的映射模型

Fig. 6 Communication protocol mapping model

5 结论

本文从DR 信息模型、DR 通信协议和ADR 平台间关联等方面出发，设计了支持自动需求响应实体之间信息交换的接口ADRI ，规范了ADRI 服务功能、服务原语以及通信协议映射方式，为自动需求响应系统建设提供了必要的技术支撑。为了满足后续ADR 工程的需要，还需进一步开展ADRI 的扩展性、安全性、互操作性和兼容性等方面的研究，并针对不同国家和地区的电网建设情况进一步优化，从而促进ADR 业务的推广。

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收稿日期：2014-03-13。 作者简介：

祁兵(1965)，男，教授，IEC PC118 工作组专家，研究方向为电力系统信息、通信及智能用电，[email protected]；

张荣(1990)，男，硕士研究生，研究方

祁兵

向为通信与信息系统；

李彬(1983)，男，讲师，博士，研究方向为电力系统通信及智能用电；

陈宋宋(1987)，男，工程师，硕士，研究方向为能效与智能用电技术。

(编辑 李泽荣)