概览

上期我们介绍NSIT智能电网中的理论模型、理论模型中的域的概念，以及每个域在美国电网中扮演的角色，初步构建了美国电网的框架和运行逻辑。

本期我们将从理论模型中的用户域（Customer Domain）,市场域（ Market Domain）,服务提供商域（Service Provider Domain）这3个技术层面来解读NIST智能电网。同时本文对于想要对“虚拟电厂”这一热门话题有更进一步深入了解的读者，也可以作为一个参考和输入。

在NIST智能电网框架中，用户域代表着电力消费者。市场域是用户域与发电域之间的桥梁，用户通过市场购买电力以及各种附加服务，发电端通过市场了解用户的实时需求，服务提供商则为上述各种服务提供保障。

用户域(Customer Domain)

满足用户用电需求是电网存在的根本意义。随着现代科技的不断发展，用户不再仅仅消耗电力，而逐渐开始主动管理自己的电力使用，甚至可以产生电力（图1）。用户域中的部分角色为用户提供电源使用管理功能和发电功能，还有一些角色可以为用户域和其他域之间提供通信服务，传输各种信息流和控制流。一般来说，用户域的边界是电能表(Utility Meter)和能源服务接口（Energy Service Interface, ESI），分别对应用户域能量传输边界和信息传输边界。ESI为服务提供商与用户之间的互动提供了一个安全通讯接口。反过来，ESI可以作为用户域内部智能设备沟通的桥梁，如建筑自动化系统（Building Automation System, BAS）或智能物业管理系统(Premise Management System)。

图1-用户域概览，白色云团表示不同的域，黄色虚线代表两个实体之间存在电气连接(即电能传输)，蓝色线表示存在网络连接(即信息传输)，普通蓝色线表示域内的网络连接，带箭头的蓝色线表示域间的网络连接。

按照用电量大小，用户域被划分为家庭、建筑/商业和工业等子领域。通常住宅域的用电需求小于20kW，商业建筑领域介于20-200kw，工业域则一般在200kW以上。每个子域都有多个角色和应用，这些角色和应用也可能存在于其他子域中。 每个子域都有一个电表角色和一个能源服务接口（ESI），这是用户域的主要服务接口。ESI可以驻留在终端设备、场所管理系统、电表或场所外，并可以通过智能电表基础设施（Advanced Metering Infrastructure, AMI）或其他方式（如互联网）与其他域进行通信。ESI同时包含用户域内的设备和系统之间的通信接口，保证用户域内部之间可以直接或通过家庭区域网络（HAN）、其他局域网（LAN）或未来的一些其他机制通信。每个用户可能有多条通信路径(WiFi，4G等)以支持各种功能，如远程负荷控制、监测和控制分布式发电、在家中显示用户用电情况、读取非能源表（non-energy meters, 指用户付费中非电费的部分，包括电力设施建设费等），为网络安全的目的对数据进行审计/记录等。

如图1所示，用户域与配电域与发电域之间的黄色连线表示用户域与配电和发电域进行了电气连接（即电能传输）。用户域与发电域之间的电气连接反映了在电表后连接分布式能源资源(DER, Distributed Energy Resources)的趋势，即用户可以通过DER满足自己的日常使用需求而不用再向电力系统请求电力，这种情况下用户能够为自己最高能够提供320A的单相交流电。用户域与配电域之间的连接则反映了社区储能和DER逐渐连接到配电系统的趋势，用户未来可以通过储能等方式稳定地向配电系统反向输出电能。从这里也可以看出，由于DER的位置和功能的多样性，很难把DER放置在理论模型中的某个域。根据连接点的不同，DER发挥着不同的作用。

用户域中一些典型应用(Application)的例子见表1。

表1 用户域中的一些典型应用

市场域(Markets Domain)

市场是购买和出售电网资产和服务的地方。现阶段市场域中对DER的支持还不友好，但这是未来的发展趋势。如图2所示，市场域中的各个实体之间会实时交换协商价格信息，平衡电力系统的供需。

市场域的边界包括起控制作用的运营域、能源供应域（包括DER的发电、输电和配电）、服务提供商域和用户域。简而言之，市场域与智能电网的所有域都有接口。

为了维持电网稳定，电网的供电量与用电量之间必须平衡。而电力的生产和消费的有效匹配就是通过市场实现的，因此市场域和能源供应域之间的通信非常重要。能源供应域是指产生电力的域，现阶段包括发电域以及逐渐兴起的用户域。北美电力可靠性公司（NERC）的关键基础设施保护（CIP）标准规定电力供应商的供电功率应该超过300兆瓦。大多数DER规模较小，因此通常通过聚合器将各DER产生电力汇聚输送到电网。

·图2-市场域概览

DER聚合在一些电力批发市场中发挥着积极作用，并且随着智能电网互操作性(Interoperability)越来越强，其所占比重将会越来越大。 基于点对点原则的超本地市场，如可交易能源Transactive Energy未来将大大扩展用户域和市场域之间的互动。可交易能源的设计思想是不再使用传统的层级式电网架构，而使用网络式的结构，其实就是本标准所致力于的目标之一。欧美目前已经有多个可交易能源工程，例如欧洲的能源柔性平台和接口Energy Flexibility Platform and Interface和美国的西北太平洋示范项目Pacific Northwest Demonstration Project等。

从根本上说，市场是由一组行为者组成的，他们共同确定商品和服务的价格。随着信息和通信技术的进步，各个实体之间通信协调的成本不断降低，这为一些传统电网中的边缘角色提供了新的发展机会。比如平台(Platform)这种组织结构，对于交易成本的降低和其他服务市场的形成越来越关键。

市场域中，配电市场价格会影响批发市场价格，批发市场的价格也会反作用于配电市场价格。然而不同层次的市场经营者和参与者之间的信息流现阶段并不确定，而且现阶段，影响市场价格水平的经济基本面和法律规定随着时间的推移仍在不断发展。因此批发市场和配电市场之间的关系现在仍然不明朗。

传统电网中，价格是由对应的监管机构设置的税率以及费率计算方法决定的。这些费率包括固定费率(flat rate)，分段时间费率，或其他诸如实时定价这种更动态的费率设计。费率主要是公用事业公司主动调控其收入的一种手段。此外，费率也可以告诉用户什么时候用电成本更高或者更低，鼓励用户将消费转移到其他时间。新兴技术能够动态地、自主地收集分析用户的偏好，用户也可以实时收集价格、资源可用性等各种服务信息，使用户能够更加积极主动的管理其用电策略。

市场领域互动的通信必须是可靠的、可追踪的和可审计的。同时，这些通信必须支持电子商务的完整性和不可抵赖性标准。同时随着小型DER提供的能源比例的增加，小型DER与市场域之间的通信延迟也应逐渐规范化，标准化。

现阶段市场领域中亟待解决的问题主要包括：

(1)将价格和DER信号扩展到每个用户子领域；

(2)简化市场规则；

(3)扩大聚合者的能力；

(4)确保所有市场信息的提供者和消费者之间的互操作性；

(5)管理和监管能源零售和批发的增长；

(6)提供有关用户和电网的可操作数据以支持这些新技术和资源；

(7)以及在整个市场和用户域之间发展价格和能源特性的通信机制。

市场域中一些典型应用(Application)的例子见表2。

表2 – 市场域中的一些典型应用

服务供应商域(Service Provider Domain)

这里要说明美国电网的一个概念，电力供应是公共事业(Utility)的一种，Utility Provider（公共事业提供商）负责保证电能能够输送到用户家中。然而公共事业提供商Utility Provider只负责将电力输送到用户，至于其他服务，例如电费收取，这些是由非公共事业提供商(Non-Utility Provider)来提供，并会附带一些增值服务，比如各种购电优惠。本节提到的服务提供商Service Provider就属于非公共事业提供商Non-utility Provider的一种。网络安全提供商也算是服务供应商service provider，为电网中各个实体的信息安全提供保障。

如图三所示，服务供应商域负责为电力系统生产商、分销商和用户的业务流程提供服务。这些业务流程包括传统的公用事业服务，如账单和用户账户管理，还包括增强的用户服务，如电量使用管理和家庭能源发电。

图3 服务提供商域概览

为了满足不断发展的智能电网的要求，服务供应商需要不断创造新的服务和产品。服务可以由电力服务提供商、现有的第三方、或由新的商业模式吸引的新参与者来提供。每一个新兴服务都代表了一个新的经济增长领域。例如智能电网的发展对信息安全的要求越来越高，从发电、输电、电，到配电、用电，信息安全厂商已经逐渐参与到电网中的各个环节。

服务提供商域目前最大挑战是开发关键的接口和标准，在保护关键的电力基础设施的同时实现一个动态的市场驱动的电网系统。这些接口必须能够在各种网络技术上运行，同时保持一致的信息传递语义。服务提供商在提供现有或新兴服务时，必须保证电力网络的网络安全、可靠性、稳定性、完整性或安全性。

最新版本的理论模型对服务提供商域进行了修订，明确要求服务提供商域需要开始关注系统级的问题。早期版本的服务提供商领域侧重于为用户提供管理资产等服务，而本版本则要求服务提供商需要提供接口响应用户和电力基础设施的实时要求，确保智能电网的平稳运行。

服务提供商领域与发电、配电、市场、运营和用户域都存在通信接口。与运营域的通信是为了保障系统控制和对电网进行态势感知；与市场和用户领域的通信则是为逐渐兴起的各种智能服务提供帮助，比如大楼智能电力管理等。例如，服务提供商域可以提供接口，使用户能够与市场互动，实时获取各种信息。

随着DER在电网中占比不断增大，服务提供商还需要与配电域和发电域通信。无论这些新的通信流是直接连接到单一的大型DER，还是连接到分布域或用户域的接口后面的DER聚集，这些连接对系统参与者来说都是新的挑战。

下表给出了服务提供商域一些经典应用。

表3-服务提供商域经典应用