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          08/08/2016

          IT与OT的融合

          如何推动智能电网发展
          it

          摘要

          电力企业投资智能电网技术的目的,是为实现更高的能效和性能。智能电网平台意味着运营技术(OT)——物理基础设施与应用——和信息技术(IT)——实现快速、完全人性化界面的融合。本白皮书阐述了向可扩展、适应性智能电网网络转型的最佳实践。

          运营技术(OT)是电力企业得以安全、可靠发电和配电的一系列组件。OT包括从断路器
          和分段器到固态继电器等操作装置以及中间过程的许多设备。OT通常也包含控制室应用程序,例如整个网络的监控与数据采集(SCADA)系统,就像复杂的变电站网关一样连至各个设备,或者就像传感器一样简单。OT通常应用于关键任务框架,负责电力企业运营的员工人人皆晓,但其他人很少(如果有的话)会去考虑或理解。

          如果说OT是小范畴概念的话,那么信息技术(IT)则反之。IT系统允许机器直接与人在一秒或更长时间之内交换信息。在电力行业,IT系统无论在数量上还是质量上都实现了指数增长。改进的企业资源计划(ERP)、地理信息系统(GIS)和客户关系管理(CRM)系统,以及办公区域效能工具和移动计算设备,已经遍布电力企业工作场所。但以前,IT的增长和隐形OT设备是井水不犯河水的,OT设备默默地耕耘,服务并保护着电网。

          智能电网正在改变电力企业运营,使IT跨越传统边界,大大缩短与OT之间的鸿沟,迅速模糊两个范畴之间的区隔(见图1)。本白皮书探讨IT与OT之间的动态整合,以及电力企业如何利用该融合,实现更智能、更可靠、更具成本效益的运营。

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          图1 IT与OT融合

          智能电网重新定义技术标准

          电网现代化的发展正驱动着电力企业在智能化设备和自动化部署方式上发生重大的概念性转变。该自动化呈现下列趋势:

          1. OT部署持续增长
          2. 电力企业持续实施IT,以塑造、监控和管理其配电系统
          3. 电力企业急需整合IT和OT网络

          增长驱动因素

          可用于电网的新型设备

          OT部署的增长以多种方式推动了智能电网的发展。过去几年里,新技术不断被引入市场,从出色的供电监控,到更高效的发电和低消耗,再到更具创新性的能源储存,塑造更智能的电网。

          新型电网技术包括许多带有整合通信模块的设备,例如:

          中低压线路传感器和低压断路器
          凿开功率流波形以简化可再生能源整合的新逆变器
          有载抽头变换装置,使变压器成为提供电网灵活性的有源元件
          基于铅酸电池、锂离子和液流电池技术的电网级与消费者级能源储存设备

          OT角色扩展到消费者

          高级电表架构(AMI)实现了一系列基于消费者的全新OT,其中大部分是传统电力企业无法企及或控制的。

          家庭网络和‘产销者’正在快速变成现实,消费者越来越多地选择缩减能源使用或者自己发电以满足自身需求,这对于电网运营商有启示作用。

          此外,智能电表及家庭网络技术也有助于模糊能源供应与能源配送领域的界线。

          传统设备更加智能,功能更加成熟

          除了新技术之外,现有设备的改进如今也正在部署当中。其中包括增加固态继电器以及自动开关和分段器控制器的‘智能性’,以及改进调节器和电容器控制器。例如,当今的电容器触排控制器能够利用远程、实时参数来影响开关切换,同时通过整合通信模块对电力质量进行监控和报告。

          更多设备实现互联,助力数据交换

          各种设备的扩散以及围绕现代电网的“多面手”心态也推动了OT的增长。2006年的大多数调查指出,SCADA控制在北美的全部配电馈线中使用率不到20%。根据ARC的研究,从那以后,配电变电站自动化每年约以7%的速度增长,而大部分行业观察者认为该趋势将会持续到2020年。

          以上数据代表了变电站围墙内的增长,但OT真正的扩散发生在围墙外的配电馈线上。和变电站自动化不同,馈线自动化意味着每条自动化馈线涉及7到10个线路设备,甚至更多。对电压/无功控制与日俱增的关注将导致电容器和调节器控制器数量的增加,多数情况下也会增加线路电压传感器的数量。用于自愈合和改良开关控制的馈线自动化将导致变电站外智能开关设备的增加。

          运营领域的信息技术正在经历平稳转型。配电监控与数据采集(DSCADA)和配电管理系统(DMS)过去的开发和维护模式与IT体系结构的其他部分是完全隔离的。并且,它们以前仅聚焦于控制数量有限的运营资产。如今,DSCADA与DMS应用程序应用范围和整合需求都要宽泛很多。

          重新定义角色

          与此同时,许多站点的停电管理系统(OMS)已经偏离企业转向运营领域。OMS曾被许多人视为客户服务中心应用程序的一个延伸,但现代OMS部署嵌入网络智能以支持恢复和切换。OMS网络模型越精确、越新,就越有可能与运营中心的其他应用程序和工作流整合。显而易见,IT与OT的整合对于塑造、监控和管理配电网络的运营应用程序有着深远的启示作用。

          塑造

          对精确网络模型的需求驱动着前端的监控与数据采集(SCADA)、配电管理系统(DMS)和停电管理系统(OMS)应用程序的进一步整合。对于许多遗留的SCADA、DMS和OMS应用程序而言,维持对网络最新情况的了解可谓一项挑战。

          伴随着日常大大小小的工作订单,配电网的变化持续不断。OMS或DMS的性能要求(某种程度上,配电监控与数据采集(DSCADA)亦然)要求最新网络模型——或者至少其相关部分,必须立即可用。当发生电力中断或者即将发生紧急倒闸操作时,电网运营商要求模型处于最精确的当前状态。然而获取这样高性能的模型并不容易。

          当今的多数电力企业将地理信息系统(GIS)用作网络和资产管理工具箱中的关键部件。但地理信息系统的网络模型必须比以往任何时候都更完整、准确和新颖。

          支持性能及当前状态要求进行新的网络模型整合。现代整合技术和体系结构能够帮助SCADA、DMS和OMS共享源自地理信息系统完工网络的一个通用模型。既实现了单个统一环境和用户体验,即“单个版本的事实”,又不会影响数据新鲜度或速度(见图2)。

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          图2 统一电力企业管理架

          监控

          可用于监控电网的大量端点增强了运营意识。但是,配电网络模型的规模和复杂性算得上是一项管理挑战。IT/OT系统必须能够处理大量信息,并且,必须快速整理并识别运营相关数据点。

          由于更多互联设备加入了电网,配电监控与数据采集(DSCADA)系统延伸到了变电站围墙内外,IT/OT系统必须消化越来越大量的数据才能了解电网的当前状态。传统OT设备的关键性限制使这项任务成为一种挑战。大多数遗留现场设备有赖于无法进行升级或更新的专用通信协议。将这些设备与更现代、开放的技术整合,对于IT/OT的融合而言是一项关键任务。

          智能化‘变电站网关’的使用能够促进遗留设备的整合,帮助访问关键任务或情境数据。这些设备在现代化变电站自动化的开放标准协议下运行,例如IP、DNP3、IEC104和IEC61850。

          他们能够连接并转化可能存在于遗留OT设备的大量较旧的或专用协议。

          来自现场的大量信息包含并不容易找到和提取的宝贵洞见。对数据进行分析和解析,以便进一步提高可靠性及电力质量,这对于有效电网管理而言极为关键。倘若此类数据被通过整合而累积的正常运营信息所隐藏,那么就会失去改进的机会。传统的电表数据管理(MDM)工具和企业数据挖掘系统通常无法及时识别并提取宝贵的电网运营信息。基于旨在以实时或近实时的方式管理和解读数据的平台,部署运营数据存储,有助于实现这一目标。

          管理

          通过融合的IT/OT系统对配电网络进行控制,相较于传统系统,更容易,也更困难。一方面,更多的数据以及增强的功能意味着更周全、快速的决策。另一方面,复杂性的增加可能提高操作失误的风险。在许多电力企业,操作员将需要努力处理更大量的信息,并从更多的备选方案中选择操作选项。

          此外,单独的DSCADA、DMS和OMS应用程序不会支持配电系统的有效操作。设想一下控制室紧急倒闸操作时的情境:操作员必须恢复对整个街坊或购物中心等商业设施的服务。现在,想象一下,配电系统操作员试图关注三个不同的系统。操作员必须监控DSCADA系统,以获得警报和网络参数,同时留意DMS系统,以确定是否有必要进行倒闸以恢复供电。与此同时,操作员需要靠OMS系统来识别可能导致电力中断的原因,并设想任何上报的危害,计算受停电影响的客户数量,并确定可以派哪些人员去提供帮助。这是一个令人怯步的任务,尤其是在大范围停电的压力之下。

          一些主要电力企业及其供应商合作伙伴采取的一个方法,是将配电运营应用程序整合到单个平台上。这有助于简化整个系统的管理与任务执行程序,改进工作流。

          高级配电管理系统

          除了帮助运营商管理大量IT/OT信息之外,高级配电管理(ADMS)具有许多电网改进功能,可用于需求和能效管理;分析并管理分散化能源;以及支持自我修复自动切换。

          高级ADMS可支持‘闭环’控制,运营商通常通过来自高级天气系统的预报数据模拟预测电网条件,并从系统提供的一系列潜在解决方案中选择一个优化方案。ADMS继而实施电网优化项目。它随着电网参数变化,自动地监控和重新调整切换或电压/无功设置。

          大规模整合

          该方法通常称为高级DMS(ADMS),它将DSCADA、OMS和DMS合并到单个平台上。通过给用户单个工具,以统一、直接的用户体验,提供整合的信息流,为操作员简化操作和配电网分析,实现高速优质决策。

          IT与OT的融合意味着以新的方式集合应用程序和设备,并将原本孤立运行的系统捆绑在一起。随着设备数量的增加以及IT与OT功能的增加,不同系统集合在一起带来了全新的整合。要想应对IT/OT集成配电网的需求,就要改进通信,遵守扩展化标准,并聚焦体系结构和安全性。

          通信与协议

          IT/OT集成系统可能包含许多网络,这些网络结合公私体系架构,并将IP等基于标准的开放技术与现有的专用遗留解决方案进行整合。该共生通信系统集成群将会发展和演变。没有任何一个运营电力企业能够从零开始设计其通信体系结构。应当维护的重要参数是那些在关键任务应用程序中支持OT的参数。那些正是确保可靠性、可用性、安全性和可预见性能的系统。

          标准

          智能电网带来的最大附加益处之一,是支持政府和产业团体开展的工作。互操作性标准的制定将在支持电网现代化方面扮演重要的角色。美国国家标准与技术研究院(NIST),国际电工委员会(IEC)、美国电力研究所(EPRI)和智能电网互操作性小组(SGIP)等行业协会,以及智能电网联盟(GWA)和智能电网架构委员会(GWAC)等行业团体,都对电网设备连接定义及规范的制定做出了贡献。这些团体推动了智能电网快速向前发展。

          填补当前标准缺口的流程已经到位。大部分遵守当前标准的侧重于电网的互操作性项目得以继续推进。

          体系结构

          除了解决可靠性、安全性等核心性能要求,新的智能电网IT/OT体系结构必须支持现有企业系统在电网建模、监控和管理环境下的整合。

          现代电网体系结构必须考虑一个电力企业当前和未来的生态系统。此外,它也需要具备灵活性,以满足未来需求,同时提供环境保护方面所需的规模和安全性。正如通信体系结构,没有任何一家运营性电力企业有足够的财力从零开始设计和实施体系结构。但是存在久经行业证明的体系结构路线图,可帮助电力企业进行设计。微软的智能能源参考体系结构(SERA)和思科的GridBlocks体系结构是两个有用的参考体系结构版本。两种参考版本都有记录详尽的参考模型,并提供关于整合设计的有益探讨。

          总结

          以上两种参考体系结构都提到了用于连接经IT强化的OT的各端点的技术的重要性。许多现代体系结构方法将实时或近实时数据流从企业数据流中分离开来,结果是基于时间和优先级的两种不同数据通路。该‘二总线’概念并非全新出炉,但它确实有助于电网公司架构师考虑数据集成的不同要求,选择适当的技术去满足需求。

          电力企业利益相关者无需担心IT/OT融合的前景。虽然电力企业传统运营方式几乎每个方面都会发生变化,但智能电网技术部署能够让电力企业为客户提供更好的服务。

          向智能电网转型是一种演变,而非一场革命。意识到IT对运营设备产生的重大影响是改变的开始。接下来需要就更智能的网络创建清晰、长期的路线图。该路线图应包含通信体系结构,并且最重要的是,应包含适应IT/OT融合趋势的体系结构。路线图在手,IT/OT融合方案将作为互联整体的一部分,帮助电力企业人员部署各个电网现代化应用程序项目。最后,必须谨慎考虑涉及网络塑造、监控和管理系统的决定。部署高级DMS有助于电力企业成功实现IT/OT技术的加速。