0 引言

国家电网公司在2019年中国智能量测产业技术创新战略联盟峰会上明确了以源网荷储协同服务为基础，以构建能源互联网生态圈为方向，以客户服务业务中台为枢纽的泛在电力物联网建设思路，借助泛在电力物联网的广泛互联和深度感知能力，将电网的管理向用户末端延伸，通过深度挖掘用户的用电数据、感知用户行为，提供更加优质的用电增值服务，力争打造电网企业盈利和创收的新业态^[1]。

目前，客户侧泛在电力物联网受限于信息化基础设施和底层通信标准协议，难以实现大规模的互联互通，大部分客户侧物联设备的接口和协议标准制式不统一，短时间内难以实现整个产业的整合和技术标准的统一。

客户侧泛在电力物联网业务传输通常采用HTTP/XMMP通信协议，利用XSD（XML Schema Definition）模式组织抽象信息模型（不同于IEC-DR标准采用的UML语法描述模型的方式），因此需要客户侧对泛在电力物联网业务适配器制定规范进行约束^[2-3]。对客户侧资源调节方面的研究，由于缺少数据支撑，无法深入地考虑客户侧资源本身的特性，也无法准确地刻画其行为，因此目前只能通过半行政化手段，使客户侧资源参与电网互动。随着泛在电力物联网的快速建设，可以充分利用大数据、人工智能、边缘计算等新型信息化技术，通过智能感知手段获取用能设备的精准用能规律，进而挖掘客户侧资源可调节和互动协作的潜力，准确评估客户侧资源调节能力^[4]。通过深度分析用户用能规律，设计客户侧资源的柔性调节方案，从而促使需求侧资源与电网的互动业务从半行政化向市场化行为转变。基于上述考虑，本文针对泛在电力物联网客户侧设备的特点进行分析，从信息互操作模式、客户侧信息模型、优化控制方式等方面，探索未来物联网ICT技术的深度融合与应用方式，并探讨未来客户侧泛在电力物联网的发展趋势。

1 客户侧泛在电力物联网的典型业务场景

电力需求响应（DR）是客户侧泛在电力物联网建设的代表性业务之一，DR业务已经从传统的削峰填谷衍变为新能源消纳、电力辅助服务等新型业务模式。OpenADR是目前最为主流的需求响应信息交换协议^[5-7]。2017年6月，OpenADR联盟正式宣布扩展需求响应信息交换标准的范围，其中包括对OpenADR协议进行简单修改形成标准化的框架，以解决当前太阳能光伏、储能等分布式能源通信标准不统一的问题。2019年，联盟正式启动分散式客户侧资源参与电网可靠性调节的研究。对于接收分散信息的客户侧终端设备，OpenADR服务器采用PUSH方式发布事件状态信息，每个客户端收到该命令后进行响应并返回确认，使服务器端能够获知该消息被准确传递。从泛在电力物联网的需求响应业务发展来看，DR业务系统具有典型的CPS系统特征。

随着DR业务的推广，系统规模不断增大，DR业务系统最终将迁移到云端来实现。客户侧DR业务典型架构见图 1所示。所有参与DR业务的客户端需向DRAS（需求响应自动化服务器）注册，并承诺可以进行负荷削减或转移。一旦DR业务被激活，DRAS会发送初始化指令给所有的客户端，客户端开始执行削减指令，如果负荷可以进行编程处理，则可以同时启动负荷转移程序。

DR系统已经成为维护电力系统正常运行的有效手段，随着泛在电力物联手段逐步丰富，DR资源可被当做虚拟发电机使用，国外预测在未来10 a内，DR终端的数量将增长10倍，而且DR资源在2020年占比将达到20%。对于工业负荷而言，基本的DR操作已作为保障电网安全的重要手段。客户侧可以采用单元级、系统级、SoS级的分级调控策略，有利于未来客户侧资源调节的大规模应用和推广。在DR交易管理中，由于硬件配置不同，相同的操作其执行时间也不相同，在选择通信方式时应当重点考虑。

2 客户侧泛在电力物联网ICT技术深度融合方式 2.1 信息互操作模式

客户侧泛在电力物联网涉及大量的分散物联终端、边缘代理及传统的能源管理系统，存在多种协议，OpenADR2.0b和IEC 61850是其中的代表性协议。XMPP是OpenADR2.0b和IEC 61850应用层的协议，能够提供快速通告机制，控制设备将物联终端感知数据向远端设备传递。应用系统采用XMPP的协议时可以通过交换XML的消息实现设备或者系统间的互操作。XMPP封包器作为客户端平台的基本构成，需要专门为每个协议制定1个转换单元，用于翻译信息模型的名称和通信网络连接管理，为不同应用的信息模型转换提供支撑，消除不同协议的差异性。当能源管理系统需要同时向电网主站和DR聚合商通信时，网关需要同时支持IEC 61850和OpenADR2.0协议，在单个网关同时实现的难度较大，这是由于在OpenADR2.0b中定义的C/S架构与IEC 61850中的差别较大，其协议、API接口、信息模型均不相同。除了上述主流协议外，还有SEP2.0^[8]和AS/NZS 4755系列标准^[9-10]可支撑客户侧的信息互操作模式，在此不再展开论述。客户侧的发电设备和储能设备在电网紧急情况下可利用OpenADR2.0b和IEC 61850协议共同配合完成互操作，XMPP可作为二者共同的底层传输协议，通过协作参与电网调度。

根据IEC物联网分域模型，客户侧泛在电力物联网的业务系统可以划分为管理域、资源访问与交换域、应用和服务域、运营管理域、客户侧感知与控制域、客户侧物理实体域，具体分域模型的互操作模式如图 2所示。客户侧资源的信息采集大多通过网关汇聚的方式获取，靠近客户侧资源的分布式节点通过边缘计算处理后发送到主站。在这些分布式节点的特定范围内通过传感器网络获取信息，除了收集信息之外，集中处理该范围内节点收集的信息也是分布式节点的核心功能之一。

2.2 客户侧信息模型

客户侧泛在电力物联网根据资产的类型，其特征包括能源的生产、消费、存储能力，客户侧的设备或系统的操作模式，如开启、关闭、爬坡等测量和控制能力等。目前，绝大部分信息还是通过DR业务系统静态配置的方式来完成，迫切需要从协议层面完成控制逻辑和控制指令的转换。语义模型可以支撑参与DR业务的能源资产设施和自动化操作，未来将被即插即用的设备所取代，设备的类型和属性可以直接被自动化系统所获知，而无需操作者单独输入^[11-12]。适配器用于支撑电网侧基于IEC-CIM国际标准与客户侧非CIM的相关标准进行互操作，以解决电网侧与客户侧接口标准不统一、不兼容等问题。

DR业务系统与其他电力信息化系统之间通过扩展CIM信息模型进行交互，使各系统之间能够通过公用的语法、语义互通。目前我国发布的《电力需求响应信息模型》系列标准，虽然最初设计是为电力需求响应业务服务的，但是该标准除了定义电力需求响应信息模型建模原则、各类需求响应设备之外，还定义了数据类型、业务系统与家电云平台的交互内容、接口方式等，同时还规范了客户侧代表性资源的信息描述方式，将支撑我国客户侧泛在电力物联网资源库的构建，通过提高用电设备互联互通能力，为进一步扩大客户侧泛在电力物联网试点规模提供支撑。

2.3 优化控制方式

目前，电网管理更多地关注发电资产的使用。在客户侧泛在电力物联网中，虚拟电厂（VPP）则是将客户侧资产作为发电资产进行统一管理，将负荷作为负瓦特发电设备进行管理。为了使VPP资源能像传统的发电资产一样便捷管理，聚合后的资源应当具有可观测、可预测、可控制的特性^[13]。

2.3.1 VPP聚合对象的选择

具有相似特性的资源，形成的聚合体可以有效地降低VPP发电（或者用电）曲线的不确定性。实际上，即使同是商业楼宇，其负荷特性以及消费习惯也会有所区别，而且聚合体对空间上的分布并没有提出新的要求，反之电网结构对执行的效果影响更大。用户侧代表性的可控负荷就是恒温控制的空调系统，可以有效降低对于异构负荷的管理难度。但是，在进行居民用户负荷聚类时需要考虑它们的日负荷曲线、DR响应特性或者空调设备的规模。

2.3.2 VPP及其内部资产的控制

VPP应像传统发电资产一样进行调度并且响应上级发布的控制指令。控制时存在一些限制条件（如最大、最小功率等级和爬坡率），其特性必须被客户侧泛在电力物联网调度者预先所知。借助动态闭环控制及新的量测与通信系统，VPP对负荷曲线能够实现更精细化的控制。

2.3.3 VPP的层次化结构

VPP采用抽象的虚拟资源概念，单次汇聚无法实现大规模的客户侧资源接入。因此，客户侧泛在电力物联网可以采用层次化的组织形式，实现更为快捷的群组负荷管理。但是不同层级之间的调度信号以及控制策略如何进行分解、下发，将成为影响分级VPP性能的主要因素。

为了实现客户侧泛在电力物联网VPP的优化控制，需要充分利用泛在电力物联网的感知数据，对受控对象进行深度行为分析、负荷预测、潜力分析及能效评估，为后续的负荷互动、调控提供基础数据，虚拟聚合的VPP管理方式见图 3所示。借鉴CPS的分级控制理论，在能源管理系统层级的上行、下行方向分别构建本地分散自律控制和边缘协同控制模型，在满足快速响应的前提下，尽可能快速完成互动操作。

3 客户侧泛在电力物联网的安全管理建议

目前，由于我国尚缺少客户侧泛在电力物联网云安全标准机制，基于云部署方式的客户侧泛在电力物联网系统的安全将面临云端数据泄露、丢失、数据安全传输、数据访问安全、高级持续性威胁攻击、DNS攻击等问题。由于客户侧泛在电力物联网参与的主体具有位置分散、数量多、分布广等特性，导致各类客户侧终端、系统部署环境复杂，信息交换安全在多方面会遭到威胁，如电网控制信号遭受到非法拦截、能源交易信息篡改、用户个人隐私泄露、内外网数据交互遭受攻击等。现国内外通常采用公钥基础设施（PKI）证书保证安全服务的真实性、机密性和完整性^[14]，如OpenADR2.0可选择使用RSA和ECC的PKI证书，其符合NIST网络安全要求，用TLS确保信息传输通道安全，使用XML签名提供强大的不可抵赖性。目前，OpenADR采用的安全机制大多依赖已有的安全防护技术，所有参与的节点都采用独立的公钥认证和TLS1.2版本的安全传输协议。此外，XML签名被作为不可抵赖性的备选方案。未来在设计客户侧泛在电力物联网的安全时，应当重点考虑如下特性。

（1）机密性。在客户侧泛在电力物联网中，客户的隐私数据必须存储在服务器。数据可能包括：智能电能表采集的实时电力使用信息、计费账单和个人信息数据等，用于执行准确的需求峰值预测，负瓦特发电设备预测以及最优投资组合选择。类似数据在网络传输及存储过程中必须加密，以防止未经授权的访问。

（2）完整性。客户侧泛在电力物联网需要在网络中传递采集和控制信息，如需要削减的电量和对应的时间信息，如果该信息被恶意修改或伪造，会造成电网不稳定甚至断电，因此，数据通信的完整性很重要。此外，在DR系统中使用的数据，如用于峰值负荷预测的用电数据，也必须保护完整以避免恶意操纵。

（3）可用性。客户侧泛在电力物联网中快速需求响应的业务，有时需要在很短时间内快速控制负荷，因此通信信息传输通道和服务器系统的实时可用性至关重要。

（4）认证。相对于完整性而言，一方面对能够发送DR事件信号的特定实体，必须进行认证（如与参与者签订协议的电力公司或者DR聚合商），可以通过发送身份验证进行保障。另一方面，DR客户端需要鉴权以确保只有参与的客户设备才会收到DR信号，而且负荷削减报告确实是由DR客户端发送并与报告中声明的载荷响应量相对应。

（5）不可抵赖性。客户侧泛在电力物联网的服务提供商（电力公司或者DR聚合商）与用户签订服务合同，需约定付给用户激励结算的规则。为了让每个参与实体获得凭证，所有可以验证的交互证据应当被保留。

（6）审计和日志。为了应对网络攻击，必须建立可靠的审计机制。所有安全日志记录的事件和敏感的操作均需防止非授权的访问和篡改。

4 结束语

目前，客户侧泛在电力物联网建设是我国泛在电力物联网建设的重点和难点，客户侧由于存在众多异构设备和多样化通信协议，导致互联互通难度非常大。因此，需要通过从信息互操作模式、客户侧信息模型、控制方式等方面进行规范和统一。本文从上述方面针对客户侧泛在电力物联网的代表性业务和架构，结合需求响应业务实例对其通信技术进行分析和研究。未来，随着客户侧泛在电力物联网的深度建设，ICT技术将会全方位影响现有的业务模式，甚至会衍生出大量的颠覆性商业模式，客户侧资源的管控方式和业务提升方面还需要进一步探索相关的解决方案。