大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)相關技術的蓬勃發(fā)展，給智能配電網(wǎng)升級帶來了機遇。文章首先分析了智能配電網(wǎng)的新特征，包括智能配電網(wǎng)的內涵以及外延；然后探討了智能配電網(wǎng)的體系架構設計需要考慮的問題，包括基本的設計原則、IEC核心標準驅動的體系架構設計等方面。對智能配電網(wǎng)的體系架構設計進行探討，有利于實現(xiàn)未來配電網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。
0、引言
智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是智能電網(wǎng)研究的一個熱點，也是智能電網(wǎng)研究和發(fā)展最為活躍的領域之一。智能電網(wǎng)相對于傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生的最大變革可能體現(xiàn)在配電網(wǎng)，智能配電網(wǎng)允許可再生能源和分布式發(fā)電單元的大量接入和微電網(wǎng)的運行，并鼓勵各類不同電力用戶積極參與電網(wǎng)互動：①在電力流上，由于分布式電源的接入點處于配電網(wǎng)，因此會導致配電網(wǎng)出現(xiàn)雙向電力潮流，配電網(wǎng)的調度控制和運檢管理更趨向于輸電網(wǎng)；②在信息流上，智能電網(wǎng)的信息集成和信息安全真正需要突破的瓶頸和難點也在配電網(wǎng)上，配電自動化建設既面臨信息交互技術上的難關，也面臨管理變革的不適應；③在業(yè)務流上，配電網(wǎng)處于中間環(huán)節(jié)，上下已經(jīng)形成系統(tǒng)，既面臨配電自動化沒有形成運行管控的局面，也面臨著雙向互動服務的壓力。
大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、信息與物理融合等互聯(lián)網(wǎng)相關技術的蓬勃發(fā)展，在帶動一大批新技術的同時，也給智能配電網(wǎng)的升級改造帶來了機遇。智能配電網(wǎng)架構考慮了一系列系統(tǒng)未來運行的可能性，已超出了將電能輸送到終端設備的范圍，擴展到了從集中發(fā)電系統(tǒng)到用戶終端電源設備及分布式電源的廣泛運行環(huán)境，提出了應用互聯(lián)網(wǎng)技術最大限度地實現(xiàn)互聯(lián)互通和資源共享。本文對智能配電網(wǎng)體系架構設計進行了探討，使其能夠滿足未來的需求，增強能源服務系統(tǒng)間交互和融合的開放性和安全性。
1、智能配電網(wǎng)的新特征
智能配電網(wǎng)是一個配電自動化完全覆蓋下的配電網(wǎng)絡，配電自動化管控配電網(wǎng)設備的拓撲連接關系和連接在網(wǎng)絡中每個設備的運行效率，它可以感知到每一個設備的非健康狀態(tài)和故障狀態(tài)，自動獲取電網(wǎng)的關鍵節(jié)點越限變化數(shù)據(jù)和生產(chǎn)能效分析統(tǒng)計信息，依據(jù)配電網(wǎng)供電可靠性要求，自動化檢測出非健康配電設備的狀態(tài)并提出或執(zhí)行自愈方案，將故障排除在萌芽之中；如果發(fā)生故障可以自動化檢測出故障、定位到故障位置、隔離故障區(qū)間，提出或執(zhí)行非故障區(qū)域的供電方案。自動化提供的信息足以支持智能電網(wǎng)的規(guī)劃、設計、建設、運維、優(yōu)化運行等各種應用，滿足配電網(wǎng)企業(yè)優(yōu)質經(jīng)濟管理和安全高效運行、智慧城市和美麗鄉(xiāng)村以及現(xiàn)代社會對于供電可靠性需求。
如果要更全面地定義智能配電網(wǎng)的概念，需要充分考慮到技術的發(fā)展和變化，從內涵和外延兩方面描述智能配電網(wǎng)的新特征。
1.1 智能配電網(wǎng)的內涵
智能配電網(wǎng)的內涵包括以下幾個方面：
1）具有配電自動化基礎。配電自動化是智能配電網(wǎng)的必要條件，這是因為配電自動化將配電網(wǎng)的實時運行、電網(wǎng)結構、設備、用戶以及地理圖形等信息進行集成，構成完整的配電自動化系統(tǒng)。
2）融入互聯(lián)網(wǎng)的通信體系。對于配電網(wǎng)必須面向互聯(lián)網(wǎng)的體系架構，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，完全改變了終端互聯(lián)的技術生態(tài)，配電自動化終端融入互聯(lián)網(wǎng)體系是必由之路。
3）無處不在的傳感器和測量裝置。大量的傳感器和智能測量，足以保證獲得系統(tǒng)運行參數(shù)、設備運行狀態(tài)、廣域測量網(wǎng)絡、靈活的保護系統(tǒng)等，真實可靠地提供配電網(wǎng)的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)，為各類智能化的應用提供基礎信息。
4）智能配電網(wǎng)主站。由于云儲存和大數(shù)據(jù)處理的出現(xiàn)，智能配電的集中處理能力得以提高，關鍵是應用需求和體系架構的適應性，需求在不斷的變化，架構必須重新設計。
5）統(tǒng)一的輸配電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。該模型可將電網(wǎng)的智能二次設備和高級分析處理程序有效納入到統(tǒng)一的分析框架體系中。
6）智能配電網(wǎng)管理。通過圖形和地理空間信息技術手段最大程度地提高一次電網(wǎng)的可見度，使得電力系統(tǒng)的運行操作可視化，同時輔以更智能、更綜合的分析應用程序，實現(xiàn)對電網(wǎng)高效有序的管理，降低管理難度。
7）統(tǒng)一的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型。將電網(wǎng)的物理模型映射為標準的數(shù)據(jù)模型，使得相關數(shù)據(jù)源以一種有效的、結構化的、清楚的方式關聯(lián)起來，這種關聯(lián)不依賴于現(xiàn)有設備的物理特性。
8）統(tǒng)一的標準服務。通過服務來訪問通用設備和應用程序的處理結果，這種方式隱藏了每個設備和應用的內部運行細節(jié)，從而可以把系統(tǒng)組件的相關應用當作黑盒子來處理。
9）“即插即用”的智能裝置。智能配電網(wǎng)需要解決電網(wǎng)智能設備的配置需求、信息安全需求、數(shù)據(jù)管理和交換需求、服務質量需求，實現(xiàn)智能裝置的“即插即用”，最大程度地減少配電設備的維護工作量。
10）高級應用軟件。智能配電網(wǎng)通過對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的多層次分析，使得電網(wǎng)更加智能協(xié)調地運行，包括配電網(wǎng)自愈電網(wǎng)、電源和負荷自適應平衡、分布式電源智能接入等。
11）信息安全。智能配電網(wǎng)不但能實現(xiàn)跨業(yè)務的數(shù)據(jù)交換和信息集成，同時也可保證信息的安全。
1.2 智能配電網(wǎng)的外延
智能配電網(wǎng)的外延包括以下4個方面：
1）配電網(wǎng)的供電與用戶的需求形成良性互動。通過智能終端提供用電和市場信息，促使用戶通過需求響應來改變自己的用電方式，主動參與電網(wǎng)管理和市場競爭，獲取相應的經(jīng)濟利益，實現(xiàn)供需雙方互動。
2）配電網(wǎng)大量接入風能、太陽能、生物質能等可再生能源分布式電源。接入配電網(wǎng)的分布式電源可以由配電網(wǎng)自動調節(jié)控制，微電網(wǎng)既可以自己控制又可以與配電網(wǎng)互為支持，相應的控制調節(jié)系統(tǒng)將各種分布式能源和電動汽車充放電站積極納入配電網(wǎng)管理和市場交易，充分支持環(huán)境友好的發(fā)電形式。
3）提供良好的電能質量和供電可靠性。對電能質量進行監(jiān)測、診斷和需求響應，根據(jù)不同的電能質量等級來定制電力，電能質量可以滿足不同客戶對于電能質量和高可靠性標準的需求。
4）精細化的配電網(wǎng)生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設。研究配電網(wǎng)風險管理控制系統(tǒng)，對運行中的風險進行提前預判，提高配電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率，降低運行成本，減少或推遲投資。建立有效、聯(lián)動的優(yōu)化設計系統(tǒng)，對于生產(chǎn)指揮、資產(chǎn)管理、工作流程管理、運維搶修管理和運行狀態(tài)監(jiān)測都形成在線分析和統(tǒng)計，真正支持配電生產(chǎn)的精細化管理。
2、智能配電網(wǎng)的體系架構設計
配電網(wǎng)現(xiàn)在還未達到智能化的階段，處在智能化的進程中，見圖1。配電網(wǎng)的業(yè)務已經(jīng)和信息化開始融合，配電自動化逐步開始建立，但隨著配電網(wǎng)的發(fā)展變化，智能配電網(wǎng)是發(fā)展的方向，構建智能配電網(wǎng)最重要的就是建立一個支持智能化發(fā)展、進步的體系架構。
圖1 配電網(wǎng)智能化
智能配電網(wǎng)的體系架構是在分析和研究智能電網(wǎng)面臨的重要發(fā)展趨勢和需求下提出的。因此構建智能配電網(wǎng)的體系架構，需要考慮以下5個方面。
1）高效利用已有的技術。一個從全局考慮的架構，能幫助保證系統(tǒng)在最初建立時就有足夠的規(guī)范和設計擴展能力來保障目前和未來兩方面的需求。架構系統(tǒng)將實現(xiàn)與未來系統(tǒng)的整合和擴展，它能夠做到增加一個新功能而無需整個范圍內的升級和更換系統(tǒng)。因此如何有效利用國際開放和通用的標準，促進先進的通信和計算機技術應用到能源系統(tǒng)中，是實現(xiàn)標準化的最重要意義，這就需要企業(yè)能夠為智能電網(wǎng)這一目標的實現(xiàn)提供標準化的產(chǎn)品。
從全局角度出發(fā)，電力行業(yè)要通過對設備和管理的信息化和自動化提升技術水平，越來越多的先進自動化技術和通信基礎設施建設必須支持目前的需求，并能夠滿足未來的能源結構的變化。電力行業(yè)需要改變導致條塊分割的重復建設的管理體系，智能電網(wǎng)體系架構設計上就需要克服孤立部門使用的系統(tǒng)、定義范圍太窄的標準、功能重疊的應用、無法通信的異構系統(tǒng)、消除互聯(lián)互通等方面的限制。一個優(yōu)秀的架構設計能夠將最初的設計和安裝考慮到未來的系統(tǒng)運行中，使其能夠智能開放、有效地管理并重復利用設備，延長設備的使用壽命。
2）打破系統(tǒng)的傳統(tǒng)界線，實現(xiàn)更高層次的整合。能夠跨越傳統(tǒng)的界線和阻礙，建立起一個可實現(xiàn)互操作、更好更先進的集成系統(tǒng)，這一需求是智能架構實現(xiàn)的核心原動力。現(xiàn)代電力工業(yè)的變化將使各種商業(yè)實體間需要更廣泛和緊密的聯(lián)系，要求業(yè)務應用系統(tǒng)可進行互操作的系統(tǒng)集成需求。例如，電網(wǎng)希望將分布式電源、供電系統(tǒng)和用戶的設備集成在一個系統(tǒng)中，形成一個微電網(wǎng)系統(tǒng)，智能架構就需要動態(tài)地將多種應用程序集成到用戶可以參與操作的環(huán)境中去，因此無數(shù)技術和管理問題就要被提出，新的架構需求設計上就必須打破傳統(tǒng)用戶的界限。
微電網(wǎng)需求的出現(xiàn)將需要一個非常廣泛層次上的系統(tǒng)間的互操作，這種層次上的互操作性是電力行業(yè)前所未有的。最終將用戶與電力系統(tǒng)并列運行，可能出現(xiàn)數(shù)萬個甚至百萬個設備高度關聯(lián)，隨之而來的是對這樣一個大系統(tǒng)的管理，這為設備使用者提出了一個非常巨大的挑戰(zhàn)。
新的架構將發(fā)展成為統(tǒng)一標準的系統(tǒng)模式，消除系統(tǒng)管理間的界線，實現(xiàn)更強大的系統(tǒng)管理功能（包括數(shù)據(jù)管理、安全、監(jiān)控和診斷），這些功能將被直接設計和嵌入在設備中，使電力系統(tǒng)的管理更為智能、廣泛和深入。
3）核心標準驅動的模型架構設計。智能架構設計是為了更好地協(xié)調和整合各個行業(yè)標準，以及滿足整個工業(yè)領域中正在涌現(xiàn)的各種智能電力設備和系統(tǒng)的發(fā)展需求。其中關鍵的標準是IEC的3個核心標準：設備的標準是IEC61850；系統(tǒng)間的互操作標準是IEC61968；配電網(wǎng)的通用信息模型是IEC61970。行業(yè)發(fā)展的各種標準必須能夠協(xié)調作用，使它們能夠適用于更普遍的領域要求。
為了實現(xiàn)各種標準制定組織內部及相互之間，以及一些企業(yè)內部及相互之間的更高要求的整合，制定一個行業(yè)級的智能架構是滿足這一需要的自然思路。一個架構將成為發(fā)展和整合未來標準的關鍵角色，它不是通常意義上的單一標準，而是一個能夠提供具體連貫內容且涉及廣范的框架。只有通過這個方法，這些標準才能夠有希望實現(xiàn)互操作并滿足未來的需要。
4）滿足不斷涌現(xiàn)的新需求。智能架構是根據(jù)不斷涌現(xiàn)的企業(yè)級和工業(yè)級需求得出的，智能電網(wǎng)的發(fā)展導致新的需求層出不窮，所以新的系統(tǒng)體系架構必須能夠有足夠的能力適應新的需求。現(xiàn)有的許多系統(tǒng)為了適用于未來需要都要進行升級，沒有足夠能力適應新需求的系統(tǒng)將遭到淘汰。
智能架構非常重視系統(tǒng)擴展需求以實現(xiàn)未來可能需要的系統(tǒng)運行功能，這些未來的系統(tǒng)功能是從各種不同的需求來源中總結的。許多需求是可知的，但很多需求都可以歸結于不可知需求。盡管通信、分布式計算和信息技術已經(jīng)很先進了，這些不可知的需求還是會帶來許多安全方面的隱患。因此在設計系統(tǒng)架構時，必須考慮到未來電力供應系統(tǒng)中可能存在的未知需求。除了工業(yè)間的整合，在一些關鍵領域，如政策系統(tǒng)的管理和系統(tǒng)安全，也涌現(xiàn)了越來越多的需求，它們都需要在一定程度上具有足夠的安全保障，無論是現(xiàn)在還是未來。
5）面向人工智能的發(fā)展。智能架構是要面向未來電網(wǎng)的發(fā)展，人工智能為大數(shù)據(jù)的處理和復雜問題的判斷提供了處理復雜電網(wǎng)的風險、趨勢、故障的能力和可能；電網(wǎng)的管控和運行最終是要由機器來管理和把控的，這是智能電網(wǎng)的終極發(fā)展目標，從人工智能發(fā)展的速度來看，實現(xiàn)這一目標是指日可待的。
3、結語
配電網(wǎng)處在電力系統(tǒng)的中間層，將負責能量傳輸?shù)妮旊娋W(wǎng)與負責能量配置的低壓用電側互聯(lián)起來。智能配電網(wǎng)必須利用互聯(lián)網(wǎng)的思維和理念，集合電力系統(tǒng)、油氣熱力管網(wǎng)、電動汽車充換電網(wǎng)絡、供水系統(tǒng)等網(wǎng)絡，形成一種多能源網(wǎng)絡協(xié)調互補理念下的未來能源系統(tǒng)，解決能源綠色、低碳可持續(xù)發(fā)展的問題，實現(xiàn)最為廣泛的一、二次能源網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。
智能架構建立了一系列考慮了系統(tǒng)未來運行的可能性設想。智能架構的范圍擴展到了從集中發(fā)電系統(tǒng)到用戶終端電源設備及分布式電源的廣泛運行環(huán)境。智能架構超出了將電能輸送到終端設備的范圍，提出了應用互聯(lián)網(wǎng)技術最大限度地實現(xiàn)互聯(lián)互通資源共享。通過架構設計，使這個架構能夠滿足未來需求的設想，對于能源服務系統(tǒng)間交互和融合，應該在一定程度上具有開放性和安全性。
