微软智能能源参考架构.doc
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1、电力和公用事业智能能源参考架构2009 年 10 月 14 日 www.M本文档所包含的信息仅代表 Microsoft 公司在本文发布之日对所述问题的当前观点。Microsoft 必须响应不断变化的市场环境,因此本文档不得解释为 Microsoft 的承诺,Microsoft 不担保文中的任何信息在发布之日之后的准确性。本参考架构仅用于提供信息之目的。Microsoft 对本文档中的信息不做任何明示、暗示或法定的担保。用户应自行负责符合所有适用的版权法律。除版权法规定的权利以外,未经 Microsoft 公司明确的书面许可,不得以任何形式和任何手段(电子的、机械的、影印、录音或其他)复制、传输
2、本文档的任何部分,或将其存储或导入到信息检索系统或用于其他任何目的。Microsoft 可能对本文档所叙述的主题拥有专利权、专利申请权、商标权、版权或其他知识产权。除 Microsoft 的任何书面许可协议的明文规定外,向您提供本文档并不意味着同时授予您这些专利权、商标权、版权或其他知识产权。 2009 Microsoft Corporation。保留所有权利。目录引言61.0电网的演进91.1智能能源生态系统的兴起121.2智能能源生态系统参与者131.3生态系统内的协作142.0不断变化的业务要求182.1能源资源和限制182.2业务因素202.3技术支持要素223.0架构273.1方法2
3、83.2 用户体验 (UX)333.3协作403.4信息443.5集成753.6应用程序架构993.7安全性1004.0Microsoft 技术体系1024.1体系集成概览1034.2基于功能的信息架构1044.3协作服务1104.4 流程集成1154.5 数据库和数据仓库1234.6商业智能1254.7复杂事件处理1264.8移动性1274.9 管理和安全性1294.10System Center1294.11 端到端信任1314.12 平台1424.13 虚拟化1434.14 工具153结束语170微软智能能源参考架构引言全球电力系统的结构、工程设计和目标正在发生重大的思路转变和显著的改造
4、。全新的推动力量(例如气候变化、插电式油电混合动力汽车等全新市场参与者的出现以及日益增加的能源需求等)正在共同推进当今智能电网的发展。许多观察家都相信,这种变化的范围及其对社会的影响将与电网本身的出现相当,将影响能源电力行业的每一个方面。由于这种变化影响的范围极广,因此微软相信,更为准确的做法是将全新的电力公司环境称为协作式、集成化的“智能能源生态系统”。因此,微软将重点关注打造这样一个生态系统所需的技术创新和进步。在全球各地,各级政府机构和标准实体都在考虑采用或已经在采用智能能源生态系统的各种基本要素: 欧盟委员会已经确立了一个名为 欧盟技术平台(ETP) 的计划,旨在打造顺应未来的电力网络
5、。 中国已经公布了积极的智能电网部署框架,斥资数十亿美元为其提供支持。 国际电工委员会 (IEC) 发起了一项全球计划,通过一个综合全面的通用技术标准框架支持全球的新型“智能”电网。 电子电机工程师学会 (IEEE) 正在开发“智能电网与电力系统 (EPS) 和最终用户应用和负载的能源技术与信息技术操作互通性指导草案”,即 IEEE P2030。 在美国,国家标准与技术局 (NIST) 正在领导一项开发智能电网标准框架以实现设备和系统互操作性的工作。微软承诺将致力于支持这些全球性的工作,在智能能源生态系统的开发中担任领导角色。微软公司的技术策略与战略副总裁 Anoop Gupta 于五月份在白
6、宫会见了美国能源部长朱棣文和美国商务部长骆家辉,此后不久,他简短地汇总了微软对这一行业的贡献:“电网智能化是通过在电网的各种控制点处糅合软件实现的,这使个人和企业能够随时访问及时、用户友好的信息,帮助他们制定有关能源使用的明智决策。有了通用标准和互操作性框架,我们就可以预见到一个拥有能够无缝融入家庭的数以千计的智能设备的世界,这就像今天的即插即用模式允许数千种设备无缝插入 PC 一样。”除了认同在支持智能能源生态系统开发方面建立标准的重要性之外,微软认为还有必要建立一种架构哲学,为迁移到监视、控制和报告这种新型电力系统的资产所需的全新基础设施和服务打造远景和可靠基础。为了支持这种观点,微软竭尽
7、全力,提供了这种参考架构,旨在阐明智能能源生态系统的行业愿景。观察家将注意到,这种架构设计用于将敏捷性提升至最大限度,实现基于角色的生产效率,同时确保安全的IT和运营,并为智能能源生态系统的所有参与者提供最佳 ROI,不但现在如此,更能在系统需求扩增时满足日益增加的市场复杂性。我们的参考架构由四大部分组成,旨在解决不同受众的疑问和关注问题: 第一部分电网的演进介绍了打造行业发展方向的推动力,目的在于概述未来将面临的挑战。 第二部分不断变化的业务要求提供了一种行业架构愿景,详述了整个价值链,从电力公司到最终消费者,包括商业、工业或居民消费者。业务决策制定者将充分认识在智能能源生态系统出现之后他们
8、将面临的业务挑战。 对于已经深入了解了行业和信息架构、更加关注微软技术的软件开发人员、系统集成人员和解决方案专家来说,架构部分最为有用。 Microsoft 技术体系部分介绍了支持这种架构愿景的微软产品与解决方案,在某些情况下还包括合作伙伴主导的解决方案。 最终,我们通过这份文档提供了有关具体主题和相关解决方案的详细指南和超链接。本文档提供了可用并适用于加速智能能源生态系统开发、指导其部署的参考信息。尽管我们尽力提供这种基本框架的观点,但 微软希望读者能够与我们达成共识,认识到智能能源生态系统的实现是一段漫长的旅程,而绝非终点。本参考架构旨在建立最大化微软为客户提供的价值的愿景,明确阐述了智能
9、能源生态系统的愿景,随后介绍了能够实现这一愿景的微软及合作伙伴的技术。正如智能能源生态系统计划有着全球化的本质一样,微软也致力于提供适用于全球的参考架构。1.0电网的演进过去,电网一度是由电力公司部署的一种基础设施,拥有非常“简单”的使命,即将电力从发电厂传输出来,分配给客户。构成电网的基本电力组成部分包括发电厂、变压器、导线、断路器、保险丝、开关、电容器和机器。图 1 - 从发电到客户的电力价值链这种基础设施由一组彼此通信并与整个电网内的多个控制中心通信的设备监视并控制。图 2 - 更广泛的电力价值链视角(来源:维基百科)随着技术的发展,微处理器、软件和通信得到了显著的改进,这些支持电网的设
10、备的功能(和数量)已有极大的增加,它们不仅能够采取措施、响应命令,并且还能独立做出反应并与现场的其他设备协作。这种级别的面向设备的协作现已从过去的变电站扩展到了配电线路上的设备、配电资源和最终客户。举例来说,相量测量装置 (PMU) 就是先进的技术发展带来的一项重大设备功能改进。通过使用准确的 GPS 同步时钟,PMU即可测量电网中多个点的电源频率相位角,带来了电网实时监视与分析的革命性改进。PMU 对电网运作和可视化大有裨益,还能帮助支持将多种电力来源(如风力和太阳能)以可靠、自动化的方式整合到电网之中。技术不断发展,行业标准也随之发展。在电力公司的资助下,电力研究学会 (EPRI) 主持了
11、多项解决互操作性问题的工作。其成果已上报给国际电工委员会 (IEC),实现了标准化,并促进了积极活跃的用户组的发展。这其中包括: 控制中心间通信协议 (ICCP) 电力通信架构 (UCA) 通用信息模型 (CIM)此外,值得一提的其他标准化工作包括: 倡导技术的专业联盟IEEE帮助建立了众多重要的通信和电力工程标准。 2004 年,美国能源部 (DOE) 和 GridWise 联盟达成共识,协力实现改造美国全国电网的愿景。 国际大电网系统委员会 (CIGRE) 称为 D2.24 的一项工作正在推动新一代能源市场和能源管理系统的需求和架构。 IEC 和 IEEE 开发的标准现已纳入 NIST 开
12、展的有关智能电网的工作。 最后,随着智能能源生态系统逐步演进为包含最终消费者(包括商业或居民消费者),OASIS 等Web服务标准实体将承担更为重要的角色。1.1智能能源生态系统的兴起智能电网包括这些新型或改进的连接电网的设备,这使智能能源生态系统能够提供诸多新功能,从而响应并推动不断变化的消费者行为和对于能源的态度。举例来说,智能能源生态系统很可能需要接受安装在商业建筑物和私人房屋屋顶的太阳能电池板提供的能源。此外还需要整合来自强力但多变的风力发电厂的电源。在数百万人拥有插电式油电混合动力汽车(PHEV)的情况下,智能能源生态系统将允许他们在深夜的非高峰时间从电网中购买电力。随后,如果出现用
13、电高峰事件,电网需要电力能源,电力公司也可提取这些 PHEV 存储的电力。图 3 - 创新推动的智能能源生态系统实际上,电力公司已经部署了众多配备微处理器和双向通信功能的设备,能够实现过去不可能实现的广泛功能,包括收集更多信息、本地决策制定与协调。1.2智能能源生态系统参与者智能能源生态系统具有广泛且不断增加的活跃参与者,他们各有不同的角色、兴趣和相关责任。参与者可以是组织、人员或智能设备,其中包括: 电力公司及相关企业,包括:v 配电企业v 独立系统运营商 (ISO)v 地区输电运营商 (RTO)v 输电市场运营商v 输电企业v 发电企业v 配电平衡权威机构 服务提供商,包括:v 能源聚合机
14、构v 维护服务提供商v 计量服务提供商v 气象预报v 能源零售提供商v 设备提供商(PHEV、太阳能电池板、蓄电池等) 客户,包括:v 居民v 商业v 工业v 政府机构PJM Interconnection公司开发了以下图示,展示了智能电网中的不同角色,及其如何开展通信和协作以履行其各自的职责。图 4 - 智能电网参与者(来源:PJM Interconnection)下文给出的参考架构描述了这些参与者是如何进行互换的,并提供了根据 微软平台技术实现这些系统的指南。1.3生态系统内的协作如果将智能电网视为一种能源生态系统,那么就可以立即注意到,急需通过组织与设备之间的协作来支持电网。用户、企业、
15、个人客户和多种技术系统、资源与智能设备之间必须存在协作和相关的业务流程。协作关系可以是合作式的,也可以是竞争式的。电力公司和市场运营商可以合作解决威胁电网稳定性的重大中断事故。市场参与者可以在竞争的环境中开展电力市场协作。实际上,协作是必不可少的,原因有很多: 为了运作电网 为了通过能源市场购买和销售能源 为了经济有效地利用能源 为了参与能源计划(例如,需求响应、效率等)以便更好地管理能源的使用 调度资源 调度用电 结算 维护电力基础设施图 5 - 智能能源生态系统概览生态系统内的责任是联合的,不同类型的组织之间可能存在交互,此外组织也可能需要与电网和客户基础设施交互。某些组织承担了多个角色,
16、例如在垂直整合的电力公司内,发电、输电和配电的责任是整合在一起的。也可能有多种类型的服务提供商参与需求响应计划,例如提供计量、维护、气象预测或负载聚合服务的提供商。除此之外,所有这些角色都需要交互和协作。过去,参与者一直是人员或组织,但设备在本地制定决策的能力进一步扩展了参与者/参与模型。2.0不断变化的业务要求全新的智能能源经济将使电力公司和市场参与者进入多种新型关系,并采用能够在智能电网的形式逐步明确、展现自身的机会逐步出现时随之演进的业务模式。实际上,我们相信,这些新型的关系和不断变化的业务模式将是智能电网发展过程中最有趣的成果之一。这种新型业务环境使得充分理解架构以便捕捉新机遇变得势在
17、必行。这一部分内容考虑以下几个主题: 能源资源和限制 业务因素 技术支持要素2.1能源资源和限制能源资源日益增加的多样性将成为全新业务模式的主要推动力之一。举例来说,风力、太阳能和其他分布式发电形式逐渐普及,而且较为经济,但这些形式有着与传统发电厂截然不同的运营、经济和控制特征。考虑一家电力公司将这种多变的电力来源与需求响应相结合时的运营复杂性,如果需求能够得到控制,未得到利用的能源(有时也称为“负瓦”)即可视为能源资源。这种全新、多样化的发电模式(包括可再生能源、分布式发电和所谓的“负瓦”)将电网从一种从一组较小的发电厂开始单向输出电力的运营模式转变为混合大量大中小能源资源的双向电力流,并且
18、许多此类资源都具有截然不同的运作特征。如前文所述,这种动向的一个极端示例就是 PHEV 中的电池可作为电网的电力储备,在高峰时间,可以按需提取电池中的电力作为能源资源,随后在更经济的非高峰时间可以为其充电。目前,输电网具有一定的运营限制,需要谨慎加以管理。随着消费者购买的 PHEV 越来越多,部署的分布式资源越来越多,输电网的限制也会愈加明显。配电线路在设计时确定的平均客户负载可能是 1.5KW,而单独一台 PHEV 的充电周期可能就会使负载增加至 20KW。随着越来越多的 PHEV 连入电网,配电线路的容量就可能发生超负荷的情况,此时就需要大规模升级物理设备和/或协调 PHEV 充电。电力公
19、司将更倾向于采用协调的方式,从而最小化峰值负载,并保证配电线路具有不超过设计限制的平衡操作。最后,与电力公司的基本计量职能相关的新型因素及限制也在不断涌现。过去,只能以月度总计的形式测量大型消费者的用电情况。通过先进的仪表部署,现在就可以按照指定的时间间隔,以接近实时的方式测量所有客户的用电情况,可以每隔 15 分钟报告一次所有客户的用电情况。这种指定时间间隔的报告使电力公司有机会在成本较高的高峰时段向客户收取较高的用电费用,或者为在非高峰时间用电提供较为优惠的电费。这种分时计价为客户提供了改变其用电行为和/或在家庭或企业中利用设备来合理化整体能源成本的动机。因此,先进仪表所用的通信基础设施将
20、成为客户与电力公司或服务提供商之间的一道通路,用于提供需求响应、中断检测、供电质量监视等附加服务。2.2业务因素智能能源生态系统的出现将带来广泛的经济和技术变革,这就要求日常业务流程加强其能力和灵活性以便适应变革。只要企业能够迅速而经济地改变其业务流程,新型市场就能提供大量新的盈利机会。这种灵活性将需要能够支持和预测以智能能源生态系统为目标发展演进的每个后续阶段的信息技术架构。此架构的价值体现在实现特定业务流程的持续发展演进的经济有效性方面。实际上,这种连续不断的灵活性和适应能力将成为最初起便需要一种架构框架的主要原因。以下行业问题展现了电力企业面临的挑战以及可解决这些挑战的技术解决方案。2.
21、2.1 电力公司劳动力优化与其他行业中的企业相似,电力公司也面临着将支持业务流程所需的人员数量减至最低的沉重压力。过去的业务流程执行可能要求有多名具备特定应用程序知识的人员,但现在完全可以利用工作流技术,对用户隐藏底层应用程序细节。这种做法能为用户提供简化、流线化的流程视图,使之能够更高效地执行,并且保证所需的培训最少。工作流技术也能自动化许多步骤,避免繁琐的数据录入,提高准确性和效率,并保证业务流程执行符合企业合规策略和程序。2.2.2 劳动力的人口统计特征变化支持智能能源生态系统的架构还需要考虑并支持不断变化的电力公司劳动力中出现的新动态。婴儿潮一代人步入老年,导致众多高级人才(携其丰富的
22、经验)离开工作岗位,许多文章已经讨论了这个主题。除了众所周知的人才流失问题之外,新一代劳动力的人口统计特征也需要采用全新的工作工具:即逐渐步入工作岗位的千禧一代,他们对用于执行电力公司工作流程的先进工具的期待更高。这些动态将促使企业寻求通过技术系统来解决两种劳动力人口统计特征挑战。最快适应这些不断变化的情况的企业将能够更快地获得收益。然而,为了实现这种灵活性,企业内的人员将需要通过建立协作、知识管理、数据存储库和流程集成的工具及时访问所需信息,而且这些信息应为他们可以使用的形式。企业将需要一种能够支持实际集成并作为智能能源生态系统革命的支持动力的架构。2.2.3 设备协作优化将设备添加到电网也
23、是一个展示工作流自动化如何促进计划和运作模式、资产管理系统、地理空间信息系统以及可能的客户信息系统(在相位重新平衡的情况下)更新的良好流程示例。2.2.4 外包和承包优化如今,电力公司均将向专业服务提供商承包新服务或外包现有服务。这种做法增加了利用可利用工作流或门户技术实现的外观模式保护企业应用程序免于直接访问的需要。外包和承包的这种动态也促成了对于位置不可知访问的需求,同时突出强调了对于健壮的多企业安全性基础设施的需求。如果安全性和性能因素在解决方案中得到了合理的管理,电力公司即可考虑将云服务作为可行战略。总而言之,客户正在利用技术发展,合理化其能源使用,同时其他一些外部因素也在影响着电力公
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