互动需求（共8篇）
互动需求 篇1
0 引言
电力需求侧管理 (Power Demand Side Management, 简称DSM) 是供电企业为了改变用户负荷形态和用电量, 使用户合理的利用和消费电能, 在保持电力服务水平的前提下, 有意识的进行的一系列行政的、法规的、经济的和技术的活动。实施DSM关系到政府、供电企业、电力用户多方的利益, 需要国家相关法律、法规、政策的支撑, 需要发、供电部门的协调实施, 更需要电力用户的积极配合。实践证明, DSM是一项由政府、电力企业、电力用户和相关第三方共同积极参与的活动, 在DSM的实施过程中, 政府起主导作用, 供电企业是实施DSM的主体, 而电力用户是DSM的最终执行者。DSM目前在国内发展尚存在很多问题, 若想持续、稳定、健康发展, 需要政府、电力部门、电力用户三方加强互动, 共同携手, 方能为DSM打造一个有利于发展的良好环境。
1 DSM中的各方责任
政府、供电企业与电力用户在DSM计划中扮演者不同的角色, 三方利用技术、经济、行政、引导等多种措施, 承担着各自的责任, 具体流程如图1所示。
1.1 政府的责任
政府在DSM计划的制定和实施中起主导作用, 其具有以下几方面的具体责任:
1) 牵头成立协调机构, 制定大政方针、政策法规, 协调工程进度和资金保证。
2) 制定对电力公司、电力用户的激励政策。
3) 督促和参与DSM的宣传工作, 促使大家观念的转变。
4) 制定一个适合市场机制的、合理的电价机制, 放开电价管理。
5) 积极开展DSM技术的推广工作, 加强节能产品的入网技术管理。
1.2 供电企业的责任
电力公司是实施DSM计划的主体, 电力公司应从以下几个方面开展DSM工作:
1) 宣传DSM活动, 推动DSM的深入研究和增强实施能力。
2) 做好资金筹集和协调工作。
3) 开展DSM研究和规划工作。
4) 建立和完善节电市场竞争机制。
5) 认真做好用户调查和用电审计工作。
6) 改革内部各环节的工作绩效和考核办法。
1.3 电力用户的责任
电力用户是DSM的执行者, DSM实施的效果如何取决于电力用户执行DSM措施的力度和延续性, 电力用户应做好以下工作:
1) 转变观念, 认识到DSM有助于降低成本, 成本的降低就是利润的提高。
2) 建立考核制度, 将DSM的执行情况纳入工作业绩和经营效益来考核。
3) 配合电力公司做好用电情况等统计和分析工作。
4) 严格执行节能和环保的有关政策法规。
2 加强DSM的各方效益
各方的DSM效益如下:
2.1 政府方面
可缓解中长期能源、电力需求压力, 保证社会用电需求;减少废气排放, 缓解环境压力;通过提高效能及资源优化配置, 获取很大的社会节能效益, 有利于可持续发展。
2.2 电力企业方面
改善电网负荷特性, 满足高峰电力需求;提高电网运行的可靠性、安全性与经济性;降低提供配电服务的长期费用;提高发电机组利用小时数, 减少机组启停次数, 合理使用设备寿命;降低发电成本消耗;有利于机组安全稳定运行。
2.3 电力用户方面
通过使用节电设备、改善用电方式和利用优惠电价、电价折扣等, 降低电力消耗;供电可靠性提高;更加清洁、健康的环境;更加强劲的经济带来的各方面利益。
3 DSM仍存在的问题
DSM在各方取得一定成绩和效益的同时, 也正在逐渐滑向非常尴尬的境地。
1) 对政府而言, 总有部分重要用户和企业需要在错峰时开辟绿灯, 因此在制定错峰避峰方案时无法做到公平、公正、公开, 这必然引起某些用户的强烈抵触。
2) 对电网企业而言, 实施DSM后, 可能使本来就举步维艰的企业经营更加雪上加霜。
3) 对部分电力用户而言, 由于峰谷比价的加大, 如在高峰用电, 则生产成本成倍增加;如在低峰用电, 一些设备无法调整, 产品质量下降, 事故率增加;如实行“开三停四”, 调整休息日, 一则无法保证开机时间内的电力供应, 二则产品订单不能以是否有电而延迟, 为完成订单, 只能被迫选择在高峰时用电, 用高成本作为保证企业信誉的代价。
凡事有利即有弊, 下文针对各方的不同立场提出了相应的措施和建议, 旨在让DSM在我国更好、更快发展, 创造更大的经济效益和社会价值。
4 完善DSM中各方应采取措施的建议
4.1 政府措施的建议
1) 建立政府主导的, 由供电企业、电力用户共同实施的DSM。
2) 制定和完善相关法律、法规和政策, 制定供需双方可接受的电力法规。
3) 加强相关部门的协调, 建立有关部门在设计价格、税收、环保、标准、规划等方面实施联动机制。
4) 在继续采取行之有效的行政手段与措施的基础上, 尽快建立DSM激励机制, 解决资金来源和投资渠道。
5) 加大力度培育DSM中介组织。
6) 设立专项资金并有效管理, 以加速DSM的实施和推广。
7) 做好DSM宣传工作, 使广大用户有更好的能源和环境观念, 积极参与并配合到这项管理工作中来, 从而更安全、科学、合理的用电。
4.2 供电企业措施的建议
1) 主动当好经贸委的参谋, 发挥主观能动作用。
2) 重视行之有效的调整负荷措施应用, 做好负荷分析和预测工作, 针对大用户采用可中断负荷管理。
3) 通过推广节电设备、改变用电方式和利用优惠电价、电价折扣等, 降低电力消耗, 带来更加强劲的经济效益。
4) 通过运作DSM项目直接给用户补贴激励, 所产生的节能量和电力节约量计入电力公司的节约量。
5) 邀请能源服务公司、制造商等承包商参与竞争性投标, 通过这种方式, 供电企业购买其在电力用户侧所实现的节约量;亦可直接向其他公司购买已实现的并经第三方核证的节约量。
6) 考虑和制造商、能源服务公司进行战略合作, 在供电企业营业区内为用户开展能效服务活动。
7) 成立节能服务公司直接为用户服务。
4.3 电力用户措施的建议
1) 主动学习, 转变观念, 走出DSM的观念误区。认识到DSM不等同于传统的计划限电、拉闸限电, 更不单单只是电力部门的任务。
2) 坚持正确的舆论导向, 积极树立科学用电、合理用电、有序用电的基本理念。
3) 积极参与到DSM的工作中, 并对电网企业实施DSM的力度与效果进行监督, 及时向上级部门反映汇报。
(4) 配合电力部门顺利开展DSM的各项工作, 确保DSM各项措施落到实处, 创造预期的社会效益与经济价值。
5 结论
实践证明, DSM是一项实现社会、经济可持续发展的有效方法。在当前供需矛盾突出的情况下, DSM是一种有效地能快速缓解电力供需矛盾, 同时增加经济效益、社会效益和环境舒适程度的方法。党和国家已提出了树立可持续发展观、构建资源节约型社会的总体目标, 为DSM指明了未来的发展方向。鉴于此, DSM迫切需要政府、供电企业、电力用户三方的积极配合、协调一致, 伴随着各方的共同参与、多方互动, 才能让有限的电力资源发挥最大的社会效益与经济效益, 最后实现经济社会的可持续发展。
摘要：电力需求侧管理自引进中国后发展迅速并初见成效, 但仍有很大的提升空间。本文分别从政府、供电企业、电力用户三方面, 分析了其各自在电力需求侧管理中应尽的责任以及可获得的收益, 以此激励各方积极参与到加强电力需求侧管理的工作中, 最后对三方应积极采取的措施提出了建议。
关键词：电力需求侧管理,政府,供电企业,电力用户
参考文献
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[4]王红, 郭奇峰, 刘世文.经济发展新形式下的电力需求侧管理[J].经济研究导刊, 2009 (27) .
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[6]许之敏.电力需求侧管理现状、问题及对策[J].电力需求侧管理, 2005 (04) .
互动需求 篇2
为了加强与广大校友的联系，搭建校友与母校的交流平台，中学校友会、教育基金会以建校（115）周年庆为契机，推出以校友基金会网页端和和手机客户端为主要载体的互动平台。
青葱梦远、母校情深。高中毕业的校友进入大学，若干年后走上工作岗位，需要一个有形和常态化的平台在学校和校友之间、校友与校友之间进行黏合。随着移动互联网技术的发展，人们浏览和处理信息的方式呈现出碎片化和短促化的特征。本系统的设计初衷是要利用好这种碎片化的时间缝隙在中学和校友们、校友和校友们之间搭建一个交流和互动的平台，并对校友们的母校情、同窗谊予以物化、汇聚、维系和提升。
我们设计的原则是要体现出“简”并符合“碎片化”的操作特性。
一、核心需求
用“互联网+”的方式，把目前中学三万多以及未来逐年递增的更多的校友连起来，进行相互之间的沟通和对母校教育基金会的捐赠。
两大核心功能：
1）沟通互动：校友与校友之间、母校与校友之间的沟通互动； 2）教育基金会捐赠：校友能够以非常简单、便捷的方式向基金会捐款。
二、功能需求
1、基础功能
1）校友档案管理。从学校档案系统中把学生档案信息自动导入、比对以建立校友档案，包括但不限于姓名，性别，年级、班级和学号等原始信息，生成具唯一性的校友身份基础档案和系统标识。在上述基础信息的基础上以校友自助方式补充社会工作信息，包括但不限于工作地点、公司名称以及职位等信息。这些信息系统做保密处理，只用作推送消息的一个识别依据。校友如果想更深的了解某位校友的情况，可以通过申请加好友的方式，待同意后可以查看更多的校友信息。
公开的信息是最基本的信息。
档案中是否包含图像信息：最近新毕业的两届可能有照片，但是之前的都没有照片）；档案的数据格式中学老师后续提供。
2）师长档案管理。主要以界别和班级为单元建立师长档案，方便校友们查询及与师长们联系，并供老师、教工与校友们沟通互动。
档案中是否包含图像信息：目前档案没有照片，所以需要让校友自己上传照片。需要头像的可自定义功能（设置头像以及头像是否可见等功能），周年换头像的温馨提示（eg，10周年，提示他换个最新的头像等）
3）其他角色档案管理。为以企业、团体或其他社会组织名义参与校友会或基金会工作的角色建立档案并予管理（如有）；保留该模块以后会用到
各类建档单元均提供二维码电子名片转换和列示功能。
4）账户管理。系统以校友个人、班级和界别为单元自动匹配生成具唯一性账户，并对该账户作分类管理。该账户为虚拟账户，记录单向捐赠历史流水和统计各期总额；
5）交易接口管理。拟开通银联、支付宝和财付通三个支付接口，并对接口予以集中管理。为支付安全起见，拟不提供PC端支付功能；
6）社交。支持定向个人、群组与班级群发等交互功能，此外如有其他功能烦请母校确定。相当于简化版微信，包括界面设计风格等相关细节尽量参考微信进行开发以增加产品的亲和度（公益性应用不必忌讳侵权）；
7）通讯录管理。A、系统以班级、界别为单元自动汇总本班、本届通讯录；B、系统提供自定义通讯录，但仅限于容纳跨界别校友信息；
8）界面布局。A、合并建立校友会和基金会网站（PC端），承担普通信息发布与浏览功能（不设交流与互动），网页设计内容要求与布局烦请母校确定：跟丘老师后续跟进；B、手机端专注于社交与捐赠功能、但提供校友会和基金会网站跳转功能，以此形成手机端与PC端适当分工并互为补充的格局；C、PC端与手机端共用同一个系统后台，其中手机客户端兼容苹果与安卓操作系统；
9）重要信息分类推送及其管理。在PC端设立推送分类信息编辑管理模块，校友会、基金会值班工作人员（系统管理员）编辑后向值班领导手机作一次推送，值班领导手机端审核并返回发布权限后由系统向手机端作二次推送。A、一类信息为“广而告之”类重要信息，由系统在手机端直接形成公告并向每一个登陆用户进行推送。B、二类信息为次重要类，推送后在手机端的公告专区予以悬挂，并在手机端各群组入口形成红色提示标志提示一定时间。C、信息分类标准、管理权限及其流程、提示时长等事宜由母校确定：宣传员定稿之后给到初审员，由初审员做信息分类，决定走什么流程：1）不太重要的不需要在经过审核的信息，直接由初审员发布，2）比较重要的，需要经过刘校审核的，发给刘校审核，审核完毕再决定是否发布；3）非常重要需要在刘校审核的基础上经过黄校的审核。提示时常可以自定义D、兼容投票及其统计、结果公示功能；
信息在不同平台推送问题：在手机端、微信公众账号、PC端等，用户希望可以自己选择在什么时间哪个平台发布信息的功能。
10）地理信息辅助应用。主要满足定位和导航应用需求，兼容高德、腾讯和百度地图三种图型可供用户自由选择；
11）结构化与非结构化数据管理。各类结构化和非结构化文件的上传与下载，用户头像缺省为校友档案中的照片、可更改；
12）手机论坛（BBS）。板块设置以及权限管理由母校确定；决定不要这个模块，理由如下：教育局有发文说学校尽量不要弄BBS之类的，如果要做，需要通过审核，还需要有人24小时看管，所以总体考虑决定不做这个功能。13）查询、统计和报表。A、捐赠情况的智能查询统计功能。以个人、界别、班级等单元结合年度等汇总统计捐赠情况，等。为免过度商业化，相关统计结果暂建议仅限于后台报表子系统显示而不推送向客户端（小额度的或者单个项目的捐赠情况统计希望可以公开）；B、人员等其他需要汇总、统计和呈现的业务报表格式烦请母校、校友会和基金会定义：母校想要一些校友按照毕业院校、专业或者从事的工作岗位的性质等维度进行统计，因为需要一定的用户量基础，所以商定下一期再做这些功能。
14）信息披露。不同于普通的信息公示，捐赠资金的使用情况由校友会与基金会定期将结余与使用等情况汇总并于此专项界面公示以接受社会监督，发布时间节点：年度必须要有，季度，月度或者周，都做。
15）用户管理。本平台所对应的应用场景属于“强联系”类型，应力求隔绝欺诈、止讼息争以为校友们建立起一块近乎绝对信任的互动绿洲和心灵净土，故建议以“宽进严管”原则、实行先认证后入门的管理制度，区分并分级开放“组织认证”和“自行注册”两种类型用户的使用权限（后者可方便地向前者过渡和转换）。A、建立用户认证管理员制度，以班级为单元设立不多于一正三副共三名联络员（可由毕业时原班长、副班长和组织委员担任，新毕业界别亦可由班主任或任课老师担任），由系统管理员授权管理本班级校友的用户认证及其他各项相关事务，经认证后用户拥有手机端和PC端的最高用户权限。具体认证方法请参考“重要信息分类推送及其管理”中相关机制。B、“自行注册”类用户权限等同于访客，不进班级、不开放互动而仅限于浏览功能，但支持匿名向基金会捐赠（捐赠时提供留言功能）。
16）系统管理。略。2.教育基金会 2.1、基金捐赠 1）业务入口
在手机端“用户”目录（相当于微信的“我”）下设立“微捐赠”专区，并以隐藏方式内化至群组和论坛页面上。
开放匿名捐赠权限，“自行注册”类用户以及未注册的访客用户也可以参与捐赠，此时可弹出基本信息录入框，但不作强制要求。2）有捐赠分类入口（指定项目捐赠、无指向捐赠等）； 3）捐赠方式要简便：原则上支付环节不得超出微信支付步骤；
4）已经注册的校友捐赠时自动提取该校友的相关信息，无需再让校友填写界别班级等信息的复杂操作。
5）捐赠完毕，想给到校友的反馈：定向项目捐赠，除了显示自己捐赠的金额，还显示目前已经收到的捐赠金额；无定向基金会的捐赠则显示自己已经为基金会捐赠了多少钱，作为感谢。2.2、基金会的网站结构
1）基金会基本信息：包括基金会简介、机构组成、章程制度等。2）基金会活动情况：开展的活动介绍、新闻信息、活动图片、视频等。3）基金会项目开展情况：项目介绍，项目相关信息、项目捐赠入口等。4）基金会信息披露：年度工作报告、财务报告、审查报告等。其中第四类信息即信息披露部分同步向手机客户端的适当功能区域内，以方便校友们监督。三.、其他事宜
1）基金会增设微信公共账号，主要用于信息发布和捐赠接收功能以扩大用户覆盖面和基金会影响力，支持匿名和手工填列实名捐赠两种方式；
互动需求 篇3
一、我省高校现状和经济区发展需求
河北省涌现出一批以清河羊绒、安平丝网、安国中药材、白沟箱包、南大堡蔬菜、辛集皮革、晋州布匹市场等为代表的规模较大、发展水平较高的特色产业集群。这些县域特色产业集群以其强大的经济辐射力和较高的国内外市场知名度，打造了县域经济的核心竞争优势，推动了全省经济的快速健康发展。 河北省139个特色产业集群分布在120多个县，优化了区域经济布局，实现了资源的合理配置。在此基础上，我省经济急需对外扩展，因此需要大量相关的外贸型创业人才。一个成功的外贸创业者需要做到以下几点：了解外贸企业的运作方式、战略管理、市场分析、人力资源建设、财务流程等内容掌握国际贸易业务知识和技能、国际市场营销的基本原理和方法精通一门外语，外语是国际营销必备的工具，鉴于英语广泛运用于国际贸易界，必须熟练掌握，但是，有相当一部分拥有六级英语证书的外贸专业的学生，在面临英语提问时，不能从容应答。能读写，但不能听说的高校毕业生在处理外贸问题时出现交际困难，而英语基础相对较好的，应依据贸易对象结合个人兴趣，学习掌握第二门外语，透彻了解所经营的产品和服务，比如生产工艺、供应状况、市场情况、竞争态势。成功的创业案例基于创业者自身条件的前期准备，调研过程中，我们发现，我省所需的外贸人才对于英语口语表达能力一定要好。在此对接过程中，这些有特色的区域经济恰恰为大学生创业提供了较好的资源，大学生外贸创业者尤其要充分利用家乡的特产货源，利用自身外贸专业所学，推及海外，做于己、于家乡有益的创业者。经济发展特色的保障作为促进大学生创业的保障因素之一，同时大学生的前期素质积淀和互动式创业培训机制的结合方能促成学生的创业成功。我省高校对于学生创业能力的培养主要集中在以课堂选修为基础，通过创业园区、校外创业实训基地引导学生创业，通过创业大赛、实习、模拟创业等为学生提供展示自我的舞台，这种鼓励学生创业的缺陷在于未能将我省实际发展状况和高校学生需求相联系，在某种程度上学生的创业素质不能够更好的被催化出来。因此应将互动式创业培训机制与我省县域经济外贸转型期对接。
二、我省大学生创业体系和创业情况
本次调查共发放问卷320份，收回有效问卷292份，覆盖河北省10所高校。调研结果发现，河北省大学生的创业意愿比往年增强，部分高校10%的学生已成功创业，但52%的学生创业积极性较低。56%的学生对于高校开设的创业课堂表示不满，要求更具有针对性和实际指导意义的方式及内容。在大学生创业障碍和需求方面，调查结果显示，个人经验、技能、知识及能力，市场环境、家庭经济条件和政策的保障方面具有较大的影响因素，与之对应的经验不足、缺乏社会关系，资金短缺和要考虑发展前景成为创业障碍中的前三名，自主创业能力较差，缺乏创业知识，缺乏社会经验，资金不足。从创业意愿上来看，38.07%的调查对象选择就业压力大是做出创业决策的直接原因。教学模式仍然注重学科标准、教师主导、知识传授、静态评估，专业设置狭窄，课程体系追求“小而全”，忽略甚至压制学生个性化发展。29.07%的调查对象所在学校在创业教育方面主要是开设创业选修课或必修课。学生被过分强调对书本知识的理解和掌握，缺乏参与社会的意识和责任感，缺乏创新意识。从此次的调查数据可以看到过半的调查对象对创业环境持否定态度，有近一半的调查对象对创业的相关政策是关注和了解的。可见目前我省大学生创业的环境让人并不满意，大学生关注创业方面的政策，创业环境有待完善。在被问到政府在大學生创业方面应做哪些扶持时，选择最多的是社会化、专业化管理服务机构提供服务。与我省对外贸易经济相联系的成功创业案例，89%的没有做好后续鼓励创业机制，成功的对接外贸经济的创业者87%的认为自己的团队中及其缺乏国际贸易商务英语方面人才。
三、美国高校鼓励大学生创业的实施途径
美国的创业机制本着“大学-政府-企业”三螺旋模式，美国的政府、社会、学校为大学生创业者提供了便利的条件：包括简便的新公司申请手续、健全的信用制度，成熟的创业板市场和风险投资体制为大学生创业提供了充足的资金支持。同时发达的网络经济也使得公司的运转更加简便。而灵活开放式的教育体制也为大学生的创业提供了充裕的时间。高校创业项目覆盖面全，理论与实践兼备的专业型创业导师创业师资丰富，哈佛商学院要求大一新生学习创业基础课程，20多门课程供大二学生选修。美国充分发展的市场经济体系，造就了美国国民价值观的核心，美国人崇尚挑战、敢于冒险、信仰个人奋斗和机会均等，在培训过程中重视培养独立自主的个人主义。大学里的课程侧重理论与实践紧密结合，学院与业界形成良性互动。美国通过校办企业即学校自己开办的针对本校专业特色的企业，对于学生创业实践能够提供很好的机会。
四、互动式创业教育模式的构建
20世纪90年代亨利.埃兹科维茨提出了关于大学、产业界、政府三者在区域经济发展中互动关系的"三螺旋模式"。它将处于同一区域中的大学、产业界和政府之间的互动关系形象的比喻为生物学中的三螺旋结构。三螺旋模式为创业型大学与区域经济发展提供了坚实的理论基础和实践指南。互动式创业模式将政府、大学企业和高校三个环节紧密联系，创业基点集中于以本省对外贸易经济链接，将本地区特色产业作为高校、政府、企业合作的中心。政府在开发项目和创新活动中占有领导地位，向产业和大学提供新资源，政府和高校的金融支持包括政府对创业教育的直接财政支持、高校创业教育实践所需的资金支持，企业界支持下的学校创业资金保障。政府可适当出台相关政策支持和指导，建立创业教育实践基地使学生实现创业理论到创业实践的转变。大学不只是进行人才培养、基础知识传播的机构，也是新信息、新技术的来源，同时结合教学与科研优势，生成新企业，以其特有的方式推动产业的发展升级和区域经济的发展。以知识资本化推动发展，发挥特色学科、交叉学科的优势，面向区域各界需求进行学科建设和人才培养，加强产业界及政府的合作，综合利用区域优势资源。在校内建立创业实践基地，为学生提供创业实战演习场所，高校通过其创业园区为学生创业提供实训基地，制定一系列激励措施，鼓励学生参加社会实践活动，如到实践基地挂职锻炼、在大学生创业园创办公司等，为学生未来创业提供历练，同时将互动式各个环节的保障因素运行到学生创业的实践环节，让学生在学校创业园开办企业实习，使学生的创业能力真正得到提升。政府通过专家评审、资金扶持和优秀项目孵化等配套服务，激发外贸专业大学生的创业热情，高校成立校办外贸实体企业，培训学生从企业创建开始开展真实的外贸业务，区域经济提供特色资源。帮助大学生的创业企业进行可行性分析和指导，高校不仅是知识的来源也是新技术、新信息的来源。以政府为主导、高校为重点、社会广泛参与的互动式创业教育保障机制的结合为大学生创业提供强大的支持。
五、 创业互动模式评估体系构建
首先政府、学校和企业可以建立监督部门，进行互评此模式通过课堂教学、实践教学及相关配套机制的互动运作，培养大学生的创业意识，因此应对主体进行多元化评估，包括：学生的创业风险意识、创业主动性，教学环节是否能将理论知识与实践知识相衔接，创业项目的可行性评估，通过过程评估和形成性评估，及时向教师和学生提供反馈信息，使他们能够了解创业活动中存在的缺陷和不足，从而促进其不断改进、完善自己的教育活动和学习活动，使教育活动更好地为学生的发展服务，同时对领导机构、服务效能、企业市场运作能力结合学校评估体系进行深度评估。
参考文献：
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互动需求 篇4
从电力负荷统计数据来看, 高峰负荷的年累计持续时间并不长, 采用增加调峰发电装机容量的方法来满足这部分高峰负荷很不经济。另外, 由于间歇式新能源自身的“不友好”特点, 其装机容量的快速增加对电力系统调节能力提出新的挑战。需求响应[1] (DR) 是指电力用户针对市场价格信号或激励机制主动改变原有电力消费模式的行为, 随着智能电网相关技术的发展, 需求响应资源参与调度运行将能成为保持电力供需平衡的更为经济的手段, 是智能电网框架下重要的互动资源[2,3,4,5]。
然而, 需求侧资源数量多、分布广, 难以直接调度。多代理系统[6]具有良好的分散自治—集中协调特性, 已在配电网故障恢复、微电网能量管理以及电网紧急控制等方面得到了广泛应用[7,8,9], 同时也为负荷参与电网运行控制提供了有效手段[10]。负荷代理 (或称负荷聚合商) 作为协调大量中小规模需求响应资源和电网调度中心的中间机构, 能够实现所管辖范围内负荷资源的分散自治, 减少与电力公司大量通信的交互, 增强电网运行的可靠性和鲁棒性。文献[11-12]建立了竞争环境下配电公司的日前市场能量获取模型。其中, 文献[11]将各配电公司之间的竞争用一个两层优化问题描述, 外层子问题以配电公司自身利润最大为决策目标, 里层子问题为考虑安全约束的能量出清优化问题。文献[12]建立了具有分布式发电与不完全信息可中断负荷选择的配电公司能量获取模型, 针对不完全信息博弈的特征, 扩展改进了协同进化算法, 并用于求解市场贝叶斯纳什均衡。文献[13]构建了基于双层优化的可入网电动汽车充放电调度模型, 上层模型通过优化电动汽车代理商在各时段的调度计划以使得研究时段内总负荷水平的方差最小, 下层模型通过电动汽车代理商对其所管辖电动汽车充放电时间进行优化。文献[14]利用多代理对大用户直购电中不同类型交易者的谈判行为进行了模拟。针对上述相关研究, 可以发现以下结论。
1) 负荷代理可以是传统意义上的配电公司或政府实体, 也可是代表单一类型或多种类型负荷的第三方机构。其共同点是将大量电力终端用户聚合在一起参与电网调度, 并努力实现电网公司、负荷代理和电力终端用户各方的既定目标。已有研究多是针对单一类型负荷代理开展的研究。
2) 负荷代理通过对历史数据或竞争对手信息的学习, 能够通过策略性报价实现自身利润的最大化, 但不同负荷代理间存在信息不完全的可能性。
本文在上述研究的基础上, 设计了负荷代理与调度中心以及负荷代理内部响应协调机制, 发展了包含多种类型电力终端用户的负荷代理与电网调度中心的互动调度模型, 并进行了仿真验证。
1 负荷代理调度机制
负荷代理对外表现负荷群的综合外特性, 对内则协调电网调度信息和负荷群内部响应资源, 做出针对某一优化目标的最优决策。基于负荷代理的调度架构可分为3层: (1) 调度控制层, 对发用电可调度资源进行统一决策, 下发调度需求信息及调度指令; (2) 代理协调层, 将代理管辖范围内可调度负荷资源信息、报价策略等上传给调度中心, 同时将调度中心的调度指令分解成控制命令下发给负荷个体; (3) 响应本地层, 电力终端用户将自身可调度信息上传给负荷代理, 并执行代理下发的控制命令。三者间的标准输入输出接口如图1所示。
1.1 负荷代理与调度中心的互动机制
电力公司通过对发用电资源的统一调度来实现电力系统的有功功率平衡。如图2所示, 调度中心综合考虑发电侧和负荷侧资源, 以某一优化目标 (如成本最低、利润最大、接纳新能源最多等) 进行发用电资源统一优化计算。负荷代理以竞价的方式与调度中心进行互动, 竞价策略包括负荷功率调整量和相应补偿 (折扣) 价格以及功率调整的上、下限。
1.2 负荷代理内部响应协调机制
负荷代理管理着大量地理位置分散、类型各异、响应特性不同的电力用户 (如图3所示的电动汽车换电站、智能小区、商业建筑等) , 电力用户向负荷代理提供可调度负荷资源的容量、开始时间、持续时间等信息, 负荷代理通过与用户签订合同[10,15]获得部分电力终端设备的用电决策权。具体如下。
1) 代理根据内部需求响应资源特点制定多种类型的需求响应项目供电力用户选择并与用户签订合同。本文针对需求响应资源的不同响应特性, 设计了2种类型的激励型合同。合同类型Ⅰ的内容包括提前通知时间、负荷调节容量和持续时间、补偿率、折扣率等。当代理发出功率调整指令时, 签约用户按控制指令调整用电量并基于约定的补偿电价 (下调用电量) 或折扣电价 (上调用电量) 得到补偿。合同类型Ⅱ与合同类型Ⅰ的区别在于激励机制不同, 负荷代理与签约用户基于历史数据或双方协商共同形成需求价格弹性矩阵, 以此确定补偿电价 (或折扣电价) 与用电调整量的关系。负荷代理通过比较内部不同签约用户的调度成本来确定各类需求响应资源的参与数量。
2) 代理根据自身可调度资源并结合电网运行状况对电网调度中心进行策略性报价, 代理竞价成功后将基于事先签订的合同引导电力终端用户调整用电量, 负荷代理只对终端用户用电调整量进行补偿, 终端用户基线负荷仍按系统统一电价进行结算。
3) 代理具备自主学习的能力。目前, 欧美电力市场的运行一般以每天或每小时进行各类市场的投标, 并根据不同电力市场的运行规则在市场结清后公布各市场参与者的历史投标数据, 这意味着市场参与者能够根据历史运行及投标数据进行“学习”和自我优化决策, 这是多代理系统最为重要的特点之一。各代理之间进行博弈竞争, 最终引导市场趋于均衡[16]。本文也假定当多个代理同时参与电网的调度运行时, 代理通过合理猜测其他代理的不完全报价策略来进一步优化自身的报价策略。图4给出了负荷代理制定报价策略的流程图。
2 计及负荷代理的日前调度计划模型
2.1 负荷代理分散优化决策模型
2.1.1 代理报价模型
2.1.1. 1 负荷调度成本
基于本文1.2节提出的合同类型Ⅰ, 签订该类型合同的需求响应资源, 当下调或上调其用电量时, 边际成本可分别表示为:
式中:α为补偿率;β为折扣率;l0为系统统一售电电价。
签订合同类型Ⅱ的需求响应资源, 其调度成本基于合同约定的电力需求价格弹性矩阵, 补偿电价ΔlP与用电变化量ΔPP的关系如下:
式中:ε为补偿电价弹性系数;P0P为电力终端用户的基线负荷;ΔPP为签订合同类型Ⅱ的需求响应资源功率调整量;CP为调用该类型负荷的边际成本。
2.1.1. 2 代理报价策略
假设负荷代理的功率调整补偿 (折扣) 价格与功率调整量存在线性关系, 则报价策略可表示为:
式中:ljt为时段t负荷代理j上报的功率调整价格;ΔPtLdA, j为对应的负荷调整量;Ajt和Bjt为报价策略参数。
本文借鉴文献[16]提出的学习算法, 基于目前时段系统运行状态预测 (负荷预测、间歇式能源出力预测、发电机信息) , 在历史时段中搜索与目前时段最为接近的运行状态, 并将这个时段所有竞争对手的报价策略作为当前时段的猜测, 可表示为:
式中:m≠j;tn为历史上与时段t运行状态最为接近的时段;Atnm和Btnm为时段tn负荷代理m的报价策略参数; (Amt) ′和 (Bmt) ′为时段t负荷代理j对负荷代理m报价策略参数的猜测。
各负荷代理各自追求自身短期最优利润, 决策目标相互独立, 是一种非合作博弈关系。当各代理同时猜中其他代理的报价策略时, 各代理均将达到预期的最大收益, 即达到彼此接受的纳什均衡解。
2.1.1. 3 负荷代理利润
代理在向调度中心报价时, 其决策模型以自身参与调度运行的利润最大化为目标, 具体如下:
式中:T为电网调度的总时段;pILA, j为负荷代理j参与调度的利润;ΔPtLdA, P, j为时段t负荷代理j预上报的负荷调整量, ltP, j为时段t负荷代理j负荷调整的预报价, 均为报价策略参数Ajt和Bjt的函数;ΔPtEX和ΔPPt为代理内部不同类型负荷的调整量。
需考虑以下约束条件。
1) 系统功率平衡约束
式中:Ng为系统中常规发电机组的总数;NLdA为参与调度运行的负荷代理数;PtG, P, i为时段t负荷代理j根据历史数据预估的发电机组i的出力;Pttotal, 0为时段t系统基线负荷总量。
2) 代理报价上下限约束
式中:lmin和lmax分别为补偿电价下、上限约束。
3) 最大中断持续时间约束
如果电力终端设备的可中断持续时间达到用户容忍的极限, 那么该负荷必须重新接入电网。
式中:Toffline, i为负荷i从在线变为离线状态后的持续中断累积时间;TmaxoffLine, i为负荷i最大中断允许时间。
4) 最小在线持续时间约束
对于部分电力终端设备 (如空调) , 其在线持续时间必须满足用户需求。因此, 如果终端设备在线持续时间小于用户能承受的最小在线时间, 该设备必须接入电网。
式中:TonLine, i为负荷i从离线变为在线状态后的持续在线累积时间;TminonLine, i为负荷i最小在线持续时间约束。
2.1.2 负荷代理调整量内部优化决策模型
当调度中心对系统内发用电资源统一优化决策并将调度指令下发到负荷代理时, 负荷代理以最小化负荷调节成本为目标确定不同类型需求响应资源的参与数量, 具体为:
式中:ΔPEX为签订合同类型Ⅰ的需求响应资源功率调整量。
2.2 基于利润的日前调度计划决策模型
计及需求响应项目后负荷用电量的变化可能降低电力公司的收益进而影响其开展需求响应项目的积极性, 文献[17]针对这个问题提出基于利润的负荷管理模式以兼顾电力公司的利益。本文借鉴该思想, 将电网公司的利润表示为售电总收益与发用电成本之差, 因而日前调度计划决策目标可表示为:
式中:pgrid为电网售电总收益与调度总成本之差;Nw为系统中风电机组的总数;ptgrid为时段t电网售电总收益;Ctgrid为时段t电网调度常规发电机组、风电机组和负荷代理的总成本;CtG, i为时段t常规发电机组i的调度成本, 包括发电成本fG (PtG, i) 、启动成本CtG, i (1-Uit-1) Uit和备用成本fG, R (RtG, i) , 其中PtG, i为该时段发电机组i的出力, fG (PtG, i) =aiP2G, i (t) +biPG, i (t) +ci, ai, bi, ci为成本系数, ctG, i为发电机组i在时段t的启动费用系数, Uit为发电机组i在时段t的状态, 0表示停机, 1表示开机, RtG, i为发电机组i提供的备用;CtW, k为时段t风电机组k的调度成本, 由于风力发电的边际成本较低且多数享受新能源发电补贴[18,19,20], 在欧美一些风电渗透率较高的国家, 风电价格基本上是市场最低价, 本文也假设风电的调度成本较低;cWt为风电机组成本系数;PtW, k为时段t风电机组k的出力;CtLdA, j为时段t负荷代理j的调度成本;lt为时段t负荷代理功率调整的出清价格;lRt和RtLdA, j分别为负荷代理j提供的备用容量价格和容量。
约束条件如下。
1) 功率平衡约束
式中:PtG, total为时段t的机组总出力;Pttotal为时段t负荷总和;为时段t负荷代理的总调节量。
2) 负荷代理可调节容量约束
式中:分别为时段t负荷代理j可调节容量的下限和上限。
3) 系统正旋转备用约束
若系统中含有大规模间歇式新能源, 日前调度计划中还需计及由于间歇式新能源预测误差导致增加的备用, 可表示为:
式中:RtupG, i为发电机组i提供的正旋转备用;RtdLdA, j为负荷代理j提供的可下调容量;Rtup为时段t为应对负荷预测误差、机组停运和间歇式电源功率波动所需的正旋转备用需求。
4) 系统负旋转备用约束
式中:RtdG, i为发电机组i提供的负旋转备用;RtupLdA, j为负荷代理j提供的可上调容量;Rtdown为时段t为应对间歇式电源功率波动所需的负旋转备用需求。
常规发电机组的功率上下限约束、爬坡率约束等这里不再赘述。
3 算例分析
3.1 算例1
算例采用IEEE 39节点10机系统, 选取2个发电机组节点作为风电场接入点, 风电机组装机容量为3 000 MW, 结合某地区96时段 (每时段表示15min) 风电场数据和原始负荷数据进行仿真验证。仿真系统内有60%的负荷参与电网调度, 分别由2个负荷代理管理, 每个代理内部均包含1.2节所述2种类型的激励型合同, 具体参数如表1所示。
图5给出了负荷预测曲线、风电预测曲线、将风电作为负的负荷融入后的负荷曲线、同时计及风电和负荷代理功率调整的负荷曲线。从图中可以看出, 风电的“反调峰”特性拉大了负荷峰谷差, 负荷代理的融入则优化了负荷曲线。
调度中心通过对发电机组和负荷代理进行统一优化决策, 实现计及需求响应的发用电统一调度, 图6给出了负荷代理融入前后机组总出力及负荷代理的调整量。
3.1.1 电网调度成本及收益分析
图7对比了电力公司有无融入负荷代理的成本和收益, 可以得出以下结论。
1) 基于本文提出的互动调度机制, 能够促进部分需求响应资源调整用电时段, 或者在用电高峰时段 (对应风电出力较低时段) 减少用电量, 当这些需求响应资源的调用成本小于调度同样数量的发电机组成本时, 有利于电力公司降低整体的调度成本。在用电谷时段 (对应风电大发时段) 时, 由于成本中计及了向负荷代理支付的折扣电价, 使得电力公司的成本有所上升。
2) 当负荷代理参与电网调度时, 在用电谷时段, 电网公司的收益比无负荷代理时的收益要高, 这是由于本文假设风电的成本较低, 通过电网公司和负荷代理之间的良性互动促进负荷侧储能、蓄能、可转移负荷 (比如洗衣机、洗碗机) 在风电大发时多用电, 一方面有利于促进新能源的消纳, 另一方面也有利于增加电力公司的收益。在用电高峰时段 (对应风电出力较低时段) , 当负荷代理内存在部分廉价的可转移或可削减负荷时, 通过调用这些需求响应资源, 可以使得电力公司减少调度高成本的机组, 所以负荷代理的参与也有可能增加电力公司的盈利能力。
3.1.2 负荷代理收益分析
图8给出了负荷代理1和2的收益。可以看出, 负荷代理在丰富电网调度模式的同时, 基于合适的学习策略和内部分配机制, 能够通过管理内部需求响应资源并与电力公司互动来获取利润, 内部需求响应资源调度成本以及与电力公司互动时的报价策略是影响其利润的主要因素。
3.2 算例2
图9给出了某时段2个负荷代理进行30次竞价的代理收益以及电网调度成本曲线。可见, 随着竞价次数的增加, 代理不断地通过学习来优化自身的报价策略, 并最终达到非合作博弈的纳什均衡状态。另外, 随着竞价次数的增加, 系统总的调度成本有望得到降低, 市场更为有效和合理。
4 结语
互动需求 篇5
1 我国零售业态发展的历史回顾与发展现状
1.1 我国零售业态发展的历史回顾
零售业态是指现代零售厂商有组织地开展采购和营销活动行程的经营形态。它区别于传统业种店的“卖什么”, 强调的是“进什么”和“怎么卖”, 围绕消费需求进行采购和营销是核心活动。零售的主要业态包括超市、百货店、便利店、仓储店、购物中心和新型业态等, 其中新型业态包括专业店、专营店及折扣店等。国际上的零售业态的演变大致经历了四个阶段, 即始于19世纪60年代的百货商店时代, 20世纪30年代的超级市场时代, 20世纪70年代的购物中心时代及现在的网络购物时代。
在我国零售业对外开放之前, 我国只存在着传统的百货商店的单一业态。由于当时中国经济尚处于初步发展阶段, 消费者的消费观念还比较淡薄, 人民的生活水平也处于较低水平。因此, 百货店这种拥有货品种类齐全、布局合理且明码标价的特点的零售业态就足以满足消费需求。与国际上的零售业态的发展历程相比较, 我国的零售业态的发展并没有呈现出明显的阶段性特征。在我国对零售业进行对外开放后, 大批的外资零售企业纷纷进入中国市场。外资零售企业的进入在给我国零售业态的发展带来一定程度冲击的同时, 亦为其发展注入了新的活力, 各种新型零售业态在我国零售领域遍地开花。零售业态呈现多样化。
1.2 我国零售业态的发展现状和发展趋势
当前我国零售业态的发展大致呈现出多业态并存和业态边界模糊的复杂格局, 各业态所占市场比重和发展速度、发展前景不同, 多业态经营同时突出主业的趋势。根据目前我国零售业态的发展现状、发展趋势及相关学者的研究。可以得出, 目前我国零售业态的发展趋势为:专业店和大型超市发展迅猛, 百货店开始退居二线;超市、专卖店和专业店的门店数迅速扩张。根据中国统计年鉴的数据统计, 从2007年至2009年这三年的时间里, 专业店、大型超市、仓储会员店、折扣店等的年末营业面积呈现出扩大趋势, 其中以大型超市和专业店最为突出, 专业店从4565.4万平方千米发展至6075.3万平方米, 而大型超市则由1124.5万平方米增至1844.8万平方米, 增幅比较大。从2009年限额以上零售业态的经营情况来看, 专业店的门店总数最多, 达到了80724个, 占限额以上零售业态门店总数的40.34%, 其次是超级市场和专卖店, 其门店总数分别为33224个和24075个, 占比达16.21%与11.74%。而其他的各种业态的门店数也呈相应的变化, 只是没有那么突出。我国的零售企业已经形成以大中型百货商店为主导, 以专业店、超级市场为主题, 便利店、专卖店等多种零售业态并存的零售业态模式。
2 消费需求与零售业态发展的互动关系分析
2.1 新的消费需求要求有新的零售业态与之相适应
消费需求是促进零售业态发展的根源, 即零售业态的发展是消费需求直接拉动的结果。新的消费需求的出现就要求新型的零售业态来与之匹配。近几年, 我国专业店和专卖店的发展如此迅猛并在零售业态中位居一线地位, 正是迎合我国消费者个性化、品牌化和时尚化的消费需求的结果。
2.2 零售业态的发展也引导消费需求的发展
零售业态的多样性在一定程度上刺激新的消费需求, 引导居民的消费走向。如人们买日常生活用品都会去超市或是杂货店, 买家居就会去家居建材店、买服装鞋子就会去专卖店等等。即零售业态的发展在一定程度上引导着消费需求的发展。购物中心的出现也诱发了消费者的一体化购物。
2.3 消费需求与零售业态发展的互动关系
消费需求演变过程与零售业态的发展过程关系密切, 两者相互影响, 消费需求的改变造成了零售业态的改变, 随着消费需求所处阶段不同, 零售形式也随之改变, 而零售形式的发展也引导着消费需求的演变, 但只有真正满足了消费需求的零售形式才能得到很好的发展。虽然, 影响零售业态发展的因素很多, 但是消费需求才是影响零售发展的中心因素, 消费结构的变化会影响到零售业态的发展, 同时零售业态的发展也会激发新的消费需求, 双方具有相互影响的关系。消费需求的变动会影响并推动零售业态的发展, 但与此同时, 零售业态的发展在一定程度上也会激发并且引导消费者的消费需求和消费行为, 两者之间存在着互动关系, 而不只是局限于反方面的作用。
3 优化我国零售业态的对策
3.1 零售企业的对策
(1) 把握消费需求的动向。以消费者为本意味着要尊重顾客需求的变化, 通过敏锐的市场洞察力, 不断调整发展策略。零售企业可以在各个细分市场收集销量变动信息, 敏锐地感知市场的波动, 通过大规模市场覆盖提高对这种细微变化的洞察力。
(2) 实现多元化发展。零售企业实现多样化发展, 主要包括以下几种途径:第一种是从单一业态向多业态发展, 最后形成多品牌与多业态相结合的经营格局。第二种是从单一的自建店铺发展为联合兼并, 因为市场基本饱和以后, 自建店铺越来越没有空间, 所以要通过品牌整合实现规模扩张。第三是从单一的商品经营转变为供应链组织, 零售企业逐渐向上游生产制造环节渗透, 如建立生产基地、定牌经营, 订单式采购等。第四是从单一的以进场费为主导的盈利模式转变为以商品经营为核心, 包括商业服务、商业地产、特许加盟等多种盈利模式。
(3) 提升核心竞争力。核心竞争力包括以下四个方面的工作:加强人才的培养;重视信息技术的建设和运用;加强战略规划工作, 重点做好客户需求管理工作;借助网络加强与供应商和消费者的信息沟通。上述四点最终落实到店铺的执行力与服务能力, 其中最关键的是要培育一批训练有素并具有职业荣誉感的优秀员工。用沟通了解和引导消费者的思维, 用远见占领市场空间和管理市场风险, 用员工保证提升执行力, 用信息技术提高执行效率, 四者合一才能创造出零售业的核心竞争力。
3.2 政府的政策
零售业是消费市场中重要的活动主体, 是沟通生产者和消费者的关键环节, 零售企业的垄断势力可能会侵害生产者和消费者双方的利益和权益。由于市场经济的固有缺陷, 作为市场的监督者、市场竞争秩序维护者的政府, 应在把握市场活动中各个主体的角色作用的基础上制定有效的政策措施, 引导市场开展有序和公平的竞争, 纠正损害人民利益的倾向和市场不健康发展的趋向。具体如下:始终加强零售市场宏观信息的收集和发布;充分重视零售业在国民经济中的战略地位和作用;重点加强零售业人才的培养教育工作;特别防范零售市场的垄断行为;纠正中国零售业脱离实业发展的倾向, 特别是“泛地产化”的现象。
总之, 为了满足消费需求, 提高社会福利, 繁荣市场及促进生产和就业, 必须建设健康的零售市场。对于建设和维护零售市场的优良环境, 政府相关部门的角色作用体现在站在全局利益的高度处理市场各个主体之间的关系。对于生产者, 重点是规范生产, 制定产品质量标准等手段管理;对于零售企业, 重点是规范其市场行为;对于消费者, 主要是保障其权益, 通过宣传和教育引导人们理性消费。
摘要：随着我国居民消费水平的提高和消费结构的升级, 零售业态的变革围绕“以消费者为本”经营理念的调整和创新, 消费者需求的变化可以说是推进零售业态转型的根本动力。本文基于经济学的角度, 对消费需求与零售业态之间的互动关系进行了分析, 并为零售业态的优化调整提供相关建议。
关键词：零售业态,消费需求,对策
参考文献
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[4]吕一林.影响中国零售业态变迁的因素分析[J].商场现代化, 2000.
互动需求 篇6
互动化是智能电网的基本特征之一[1,2,3,4,5]。为满足电力用户与电力运营商之间的需求交互,通过信息和电能的双向流动,形成互动用电方式。信息互动是互动用电的先决条件之一,电力运营商与各类用户之间,按一定的时间约束,通过必要的双向通信网络,实现数据的收集、处理和发布,以及控制指令的执行[6,7]。信息互动建立在高级量测体系(AMI)的基础上,需要安装数以百万计的新型智能电表,用户侧终端设备和部分通信网络都不可避免地以开放形式存在,接入点和可探测路径显著增加[8,9,10]。开放的信息技术和用户参与的特性,将导致信息安全事故发生的概率大大提高。正如美国国家标准与技术研究院(NIST)在“智能电网互操作标准的框架和发展蓝图”中所指出的“满足互动用电的信息安全需求,毫无疑问是智能电网建设中优先规划的关键环节”[10]。
在美国,由NIST牵头,整合学术界、电力运营商、监管机构和联邦政府机构的有效资源,成立了智能电网的信息安全工作组(SGIP-CSWG),重点针对智能电网环境下的信息安全策略和安全需求展开研究,并逐步制定相关的信息安全标准。该组织2010年2月发布的研究报告中明确指出“目前信息安全的关键技术领域,还达不到智能电网预想功能、可靠性和可扩展性的要求”[9]。因此,报告中试图对智能电网环境下的信息基础架构进行分析,力求做到综合而彻底地理解安全需求,并从设备、网络和系统等角度,初步提出一些未来的研究课题。其中,因互动用电而带来的关键技术缺失,在研究主题中占据相当数量[9]。国际电工委员会(IEC)的相关工作组也进行了初步探索,提出了互动用电方式下具体的安全需求,并强调相应的解决方法应该与AMI的其他功能同步展开研究[11]。
在国内,信息化和互动化同属于“坚强智能电网”的基本特征,国家电网公司就智能电网的信息化问题也明确指出,信息化是发展坚强智能电网的基础和保障,要始终把自主、可控放在重要位置,保障信息安全,并促进国产化水平提升[12]。依据国家电网公司规划,2010年是全面实施坚强智能电网建设的一年,未来20年,智能电网建设必定将成为电力行业的中心任务,但智能电网的信息安全建设如何进行、何时进行以及相关标准都还不清晰。
针对上述情况,本文通过比较研究的方法,对互动用电方式下的信息安全风险进行了初步分析,并结合国内外研究现状,提炼出互动用电方式下的信息安全特点与难点问题,以提升国内研究机构和电力运营商的重视程度,为智能电网的信息化建设提供探讨与思路。
1 互动用电方式下的信息安全风险
1.1 信息安全风险评估
风险是指灾害或事故发生的可能性和造成影响的严重程度。信息安全风险评估是评价网络与信息系统安全最常用的方法。运用定性、定量的科学分析方法和手段,系统地分析信息和信息系统等资产所面临的人为的和自然的威胁,以及威胁事件一旦发生可能遭受的危害程度,有针对性地提出抵御威胁的安全等级防护对策和整改措施,从而最大限度地减少经济损失和负面影响[13]。
通常情况下,风险由信息安全事故发生的可能性及其造成的影响这2种指标来衡量。风险评估方法可分为定性和定量2种:定性方法是依据研究者的知识、经验、历史教训、政策走向及特殊案例等非量化资料对系统风险状况作出判断的过程;定量方法是运用数量指标来对风险进行评估[14]。在定量评估过程中,又将事故发生的可能性和影响程度进一步分解为资产、脆弱性和威胁等风险要素,用威胁发生的概率和系统的脆弱性来量化事故发生的可能性,用资产的价值来量化事故造成的影响程度。就电力系统的信息安全而言,定量方法在评估过程中还存在一些困难,仍处于理论研究阶段[15,16,17,18]。
本文在研究过程中采用定性的评估方法,初步分析互动用电方式下的信息安全风险,并与传统电力系统下的信息安全风险进行比较。具体过程仍从事故发生的可能性和影响程度出发,通过威胁产生的客观条件和主观动机来判断事故发生的可能性;通过事故后果的分析,来判断事故的影响程度。
1.2 威胁产生的客观条件
AMI是互动用电的核心环节,承担着信息互动的主要任务。在功能上,AMI是一个用来测量、收集、存储、分析和运用用户用电信息,并实现对智能电表、智能家电等设备远程控制的实时网络处理系统。在组成上,AMI包括智能电表、家域网、用户网关、通信网络和AMI前端系统[6,7,8](见图1)。其中,前三者属于用户端,往往以较为开放的形式存在。
从信息技术的角度,智能电表属于典型的实时嵌入式系统,家域网是通过局域网技术将智能电表、用户网关和各类智能家电连接成的一个有机整体,用户网关是外网与家域网的接口,通常部署在其他设备(如个人电脑、智能电表)中。从通信技术的角度,AMI网络具体采用何种通信媒质并没有定论,但根据IEC的规划,通信过程必然会建立在TCP/IP协议的基础上,采用与IEC 61850标准一致的应用层协议[19]。
根据上述分析,智能电表将采用嵌入式系统实现,并且具备较强的网络功能,而用户网关则部署在个人计算机和智能电表上。理论上,既然可以在任何计算机和软件系统中找到漏洞,那么同样也可以在智能电表和用户网关中找到[9]。AMI网络采用开放的通信协议,也给网络攻击提供了可探测的空间和可潜入的路径。因此,与现有电力系统相比,互动用电方式下的信息安全问题,大大增加了可利用的接入点和访问路径,具备了威胁产生的客观条件。
1.3 威胁产生的主观动机
电力系统信息安全的威胁通常可分为2类:一是客观威胁,来源于通信和信息系统自身的故障,以及工作人员的疏忽大意而导致的误操作;二是主观威胁,指有预谋的攻击,来源于存在不满情绪的内部工作人员、电力市场环境下的工业间谍、网络黑客、病毒程序的传播、恐怖组织与敌对国家等。在研究主观威胁时,需要分析威胁产生的动机,动机的强弱往往决定了网络攻击发生的概率。
在传统的用电方式下:控制系统和重要业务系统以物理隔离的方式封闭运行,提供给威胁源的可操作机会较小;并且从普通用户的角度,进行网络攻击并不能给自己带来直接的经济利益。因此,主观动机并不强烈。
在互动用电方式下:一方面,由于终端和部分通信网络采用开放的方式,给威胁源提供了可操作的机会;另一方面,用电负荷将采用网络化的方式收集统计,一旦能通过某种手段篡改计量值,达到偷电的目的,将产生直接的经济利益[9,11]。在两方面因素的作用下,主观动机将大大增强。
1.4 事故后果分析
根据威胁产生的客观条件和主观动机分析,互动用电方式下的信息安全事故应包括经济性和安全性两方面的后果。
经济性后果是指攻击者通过篡改智能电表的计量值,达到窃电的目的,给运营商带来收益损失。
安全性后果是指攻击者通过某种手段,影响电力系统的稳定运行。从发生的机理上分析,目前存在2种可能:一是攻击者向智能电表伪造断开指令使用户停电,极端情况下,能够向数以百万计的智能电表伪造断开指令,很可能造成大范围的停电事故;二是在互动用电方式下,计量值是分析用电情况、制定分时电价和需求侧响应项目的基础,如果篡改计量值的用户达到一定数量,对电网的运行将产生较大的影响,造成安全隐患[11]。
1.5 与广域环境下电力信息安全风险的比较
根据上述分析,可以从威胁产生的客观条件、主观动机和事故后果等3个方面,将互动用电方式下的电力系统信息安全与广域环境下的电力系统信息安全进行比较。
由表1可知,2种情况下的信息安全事故后果基本一致,但在互动用电方式下,决定事故发生可能性的主观动机和客观条件都更为充分,由此而引起的信息安全事故的概率将远远大于广域环境下引起的。因此,互动用电方式的引入,对电力系统的信息安全问题提出了全新的需求,是未来智能电网建设不得不面对的关键问题。
2 互动用电方式下的信息安全需求
2.1 需求分析
通常意义下,信息安全需求包括保密性、完整性和可用性等3个方面的需求。保密性需求是阻止非授权用户访问信息;完整性需求是阻止非授权用户对信息的篡改或伪造;可用性需求是保证授权用户对信息的访问[20]。结合互动用电的主要功能和AMI的特点,分别对3种信息安全需求进行分析。
1)保密性需求
保密性需求可以从互动用电的双方来分析。用户侧存在个人隐私问题,一些用户不希望公开他们所使用的负荷数量、类型和其他信息,因此,智能电表的计量数据需要保密,通过网络传输时也需要有合适的保密机制。运营商侧主要从市场的角度来考虑,一些重要的运行数据需要保密,同时也有责任来保障用户的用电行为隐私[9]。
2)完整性需求
完整性需求是电力系统中最重要的信息安全需求[21],互动用电方式下这种需求同样存在。计量数据和控制指令是AMI系统中传输的2类关键信息,必须防止它们被篡改或伪造。对于智能电表,首先需要有能力对控制指令进行鉴别,判断指令是否被篡改、伪造;其次,智能电表的物理保护未必完善,很难阻止对户外电表的物理攻击,其存储芯片有可能被替换或修改,需要有及时的补救措施,防止该电表在AMI系统中造成不良影响。用户网关需要传递对智能家电的控制指令,也存在完整性需求,同时,由于用户网关部署的灵活性,有可能安装在连接因特网的计算机上,加大了控制命令被篡改、伪造的风险。通信过程将遵循IEC 61850体系,基于开放的TCP/IP 来构建应用层协议,也需要确保信息的完整性[22]。
3)可用性需求
过去,自动抄表(AMR)系统的可用性并不是太大的问题,运营商在难以获取计量数据时可以延迟获取,或通过估算的方法获取[11]。但互动用电方式下,量测值和控制指令需要实时或准实时地双向传输,对运营商与用户之间信息交换的可用性提出了很高的要求。需要考虑特定信息不可用时,其对系统究竟有多大影响,具体多大的延时是可以接受的。智能电表和用户网关的可用性,一方面要考虑客观因素的影响,如软、硬件故障,另一方面要考虑人为因素,如物理入侵、网络入侵和拒绝服务攻击等的影响。通信系统的可用性不仅要考虑客观存在的故障因素,还要考虑光纤终端、电磁干扰和流量变化等因素。AMI前端系统的可用性除考虑软、硬件故障的影响外,还需要考虑拒绝服务攻击的影响。
2.2 难点分析
针对上述信息安全需求,解决方法可分为2类。
一类是属于典型的工程技术问题,根据现有的安全标准和研究成果,结合具体的应用对象,可设计相应的解决方案。包括:①通信过程的保密性需求、完整性需求,可根据IEC 62351标准和安全通信机制的设计方法,结合计量数据和控制指令的传输需求,设计具体的认证与保密协议[23,24];②对于智能电表和量测数据管理系统的保密性需求和完整性需求,可参照变电站智能电子设备(IED)和常规数据库的访问控制方法[25,26],设计相应的权限模型和访问安全模型。
另一类是由互动用电特性而引入的难点问题,从现有的研究成果中难以找到可直接应用的方法。总结起来包括如下3个方面。
1)AMI的可用性评估问题。
从宏观上来说,可用性的定义是指:网络在给定的时间间隔内,处理阈值以上工作参数的能力[27]。多数情况下可量化为概率指标。AMI的可用性可定义为:在规定的时间间隔内,收集量测值和执行控制指令的能力。AMI的可用性评估是一个非常复杂的问题,主要原因包括:①AMI系统中涉及的对象很多,包括软件、硬件和通信系统;②传输的报文数量很大,不同的类型有不同的时间要求,而且重要程度也存在差异;③报文产生和传输过程表现出并发性、随机性等特点;④不同的安全防御措施,对系统的可用性影响很大。
2)大规模实时智能设备的密钥管理问题。
密钥管理是解决保密性需求和完整性需求的基础,通常包括密钥生成、密钥存储和保护、密钥更新、密钥使用和销毁等。互动用电方式下的密钥管理以用户侧的智能电表或用户网关为主要对象,存在如下典型特点:①规模大,某些城市电网将需要数以千万的数字证书或密钥,以满足用电需求;②对象以嵌入式系统为主,计算能力和资源有限;③密钥更新和分发机制是密钥管理的核心,从信息安全的角度,密钥的生存期越短,破译的机会越小,但过多的密钥分发又会占用系统的网络带宽,很可能对信息交换过程的实时性产生影响;④不同类型的用户对用电的可靠性要求存在差异,对密钥管理也提出不同的要求。
3)互动用电过程的异常行为检测问题。
即使采用了严格的访问控制机制和安全通信机制,仍难以保证操作系统自身的安全漏洞。在传统计算机网络中,一个普通的蠕虫病毒就可能造成整个网络瘫痪,同样,一个被病毒感染的智能电表,很可能将病毒迅速传播到AMI系统中的其他智能电表中:通过控制开关断开,造成城市配电网的停电事故;通过篡改计量值,造成运营商对用电量的错误统计,并导致直接经济损失和分析决策错误。在计算机网络中,用户可以通过计算机的状态或防病毒软件来判断计算机是否被感染,但智能电表如果存在长期潜伏的病毒或木马,用户和运营商都很难直观地判断出来或察觉到。因此,就引出了互动用电过程的异常行为检测问题,这是一个未知但又充满风险的领域。
3 结语
综上所述,因互动用电方式而引入的信息安全需求问题,是智能电网建设过程中不得不面对的关键问题。该问题不仅继承了广域环境下电力系统信息安全的实时性和关键性特点,还兼顾了常规信息安全中大规模、易接入和动机强等特点,对电力系统信息安全的研究提出了全新的挑战。通过需求分析可知,研究难点体现在密钥管理、异常行为检测和可用性评估等3个方面。如何就这3个方面的难点问题展开应用基础研究,是智能电网建设中亟需解决的问题。
互动需求 篇7
双向互动是新一代智能电网实现用发电机制市场化、应急能力坚强化、节能减排常规化的基础保障[1,2]。利用电力线本身完成信息交互任务的高速窄带电力线通信(high-speed narrowband power line communication,HNPLC),以其在技术实现成本、通信传输速率和系统复杂度等方面的优势,成为实现智能电网双向互动功能的理想选择[3,4]。已有的HNPLC组网和路由机制均面向以供电侧为主导的传统应用场景,难以适应双向互动的交互需求。因此,为更好地应对双向互动新挑战,需要结合HNPLC底层技术和信道特性,深入发掘HNPLC网络层对传输效率和通信可靠性的影响[5,6],研究并实现符合双向互动应用需求的网络层组网与路由机制。
双向互动的理念是将传统的基于电力公司主导的用发电消费方式进一步拓展为结合用户侧分布式能源和需求响应自动控制的平衡、高效、交互式电力应用方式[7]。这种互动应用的双向性,本质上需要通信网具备更加灵活、稳健的链路连通能力,同时考虑到HNPLC信道的时变性,因此选择具有最佳网络联结度进而能最大限度地保障网络连通性的组网拓扑更能满足双向互动HNPLC的应用需求。而目前HNPLC网络中通常采用树状/分簇[8,9]的组网拓扑,也有考虑一定信道时变特征的人工蛛网[10]拓扑,但这些拓扑由于面向集总式管理,因而对可用链路进行了裁剪,摒弃了通信链路的冗余可为网络稳定性带来的提升,无法很好地满足双向互动对网络可靠性和传输灵活性的需求。G3 PLC使用了Mesh组网拓扑[11],但其组网机制首先要完成确保单跳链路可靠性的动态频谱分配(DSM)信息的交互,故会产生大量的信令和时序开销,影响系统效率。
路由机制是指网络节点进行多跳传输时对路径的选择过程,是制约网络性能的核心因素。面向双向互动的HNPLC路由机制不仅需要满足交互应用需求,还应为网络传输的有效性、均衡性和可靠性提供保障。目前有多种HNPLC路由方法:当网络中节点的地址按预先定义好的地址段/域进行分配时,节点信息的传输依靠对目的地址中节点分簇标识号的解析进行传输,无需进行路径计算,如基于树状/分簇拓扑的地址解析路由方法[12];当节点拥有整个网络的拓扑及信道信息,数据传输时根据网络信息计算最佳传输路径,并将路由信息包含在数据包中一同传输的路由方法称为源路由方法,如基于蚁群或鱼群的路由方法[13];分布式路由是网络中的节点分别进行路由的选择、计算与存储,如G3PLC[14,15]。其中,地址预分配的路由方法适用于信道条件较好的专线专网通信,在信道条件较为繁杂的HNPLC网络中其运行效果不佳[16];源路由方式能选择最优路径进行数据传输,但其控制开销大、网络的灵活性及延展性较差,不能很好地适应双向互动需求[17];分布式路由的路径信息存储于各个节点中,其计算过程也由各个节点分摊,网络的适应性好,但应避免路由环的产生[18,19]。针对HNPLC的资源情况、网络拓扑和信道条件,为满足双向互动路由机制的鲁棒性、可靠性和均衡性需求,在HNPLC系统中使用分布式按需路由机制[11],并对核心的路由代价计算方法进行慎重选择。
本文系统性地开展了对双向互动HNPLC组网与路由机制的研究。首先针对实际的HNPLC网络,从理论上说明Mesh组网拓扑的高可靠性;考虑到组网有效性,将HNPLC的介质访问控制(MAC)层DSM信息交互过程与网络层交互过程相结合,设计了高效率的跨层交互组网机制;使用扩展的邻居表实现了一种综合考虑各方面因素的基于组合权重的低复杂度双向路由代价计算方法,并设计了双向互动的分布式按需路由机制。将本文的路由机制与跳数最少[18]和通信距离最短[20]的路由机制进行性能对比,验证所述机制的有效性;分别采用Mesh、树状和人工蛛网的组网拓扑构建双向互动HNPLC网络,验证所设计路由机制的适用性和Mesh组网的优越性。
1 跨层交互组网
由于电力线信道中时变的噪声和用户负载会引起链路质量的改变[21,22],因而为保障电力企业与用户侧健壮、灵活的链路联结,面向智能电网双向互动的HNPLC系统需要在网络层提供具有最佳连通能力的组网拓扑,以及高效、便捷的跨层交互组网机制来确保通信网络的应变能力和传输效率。
1.1 组网拓扑
通信网理论中常用无向图的联结性[23]来描述通信拓扑的可靠性,联结性越好,通信可靠性越高。图的联结度(connectivity)和结合度(cohesion)均可作为通信网联结性的量度标准,两者具有如下关系并收敛于同一上限值:
式中:E为图的边数;V为节点数。
因此,寻求具有较高联结度上限的拓扑结构作为新一代双向互动HNPLC的组网拓扑,是确保网络可靠性的一个良好选择。 下面针对实际的HNPLC网络,分别研究树状/分簇拓扑、人工蛛网拓扑和Mesh拓扑的网络可靠性。
图1(a)给出一个实际HNPLC网络物理拓扑。依据实际电力线信道特性和链路服务质量(QoS)需求,对网络进行组网测试,得到树状、人工蛛网和Mesh组网的通信拓扑分别见图1(b),(c),(d)。
其中,组网拓扑图的连线仅表示通信链路,不指示通信距离或链路质量信息。不同颜色的链路代表不同的组网等级:绿、红、蓝、紫分别代表第1,2,3,4级。计算3种组网通信拓扑的联结度上限值,分别为1.928 6,3.714 3,11.857 1,其中Mesh组网的联结度远大于前两种,其组网节点间具有同等的传输等级,允许网内选取任意节点进行路由。可见,Mesh组网具备更加优良的联结可靠性和传输灵活性,能够最大限度地满足双向互动HNPLC网络的连通、应变和均衡性需求。
1.2 跨层交互组网的实现
形成具有高联结性的通信网拓扑,更需考虑组网机制的实现开销。在已有的HNPLC规范中,为确保网络层信息传输的可靠性,通常在网络层交互前,节点首先使用MAC层命令帧完成DSM信息互换,建立起底层可靠通信后再进行网络层操作。显然,这是以传输效率换取通信可靠性。实际上,如果将网络层与MAC层的信息交互过程相结合,将大大减少机制实现时的信令和时序开销。
本文设计实现的跨层交互组网机制,利用MAC层帧头中预留的标志位,定义其置位或清零状态来标识传输帧的帧尾是否携带了DSM信息,进而节省交互开销。图2(a),(b)分别给出了所设计的跨层交互组网机制和G3PLC组网机制[11,24]的时序图。从组网交互的对比中可以看出,跨层交互能大大节省交互所需的时序和信令开销。事实上,除了组网过程,跨层交互思想也可应用在数据传输过程中来一并完成DSM信息的传输,进一步减少不必要的组包开销。从理论上说,跨层的联合交互过程可节省高达40%的时序和信令开销。
2 双向互动分布式按需路由
双向互动的HNPLC分布式按需路由机制是确保智能电网信息交互性能的重要因素。双向交互要求路由机制能够克服通信链路的时变性、非对称性甚至单向性影响[18,19],同时兼顾HNPLC的系统资源和通信效率,路由机制还需综合考虑链路质量、实现复杂度及路由有效性等问题。
已有的分布式按需路由,要么默认了链路的双向、对称性,缺乏对HNPLC单向链路的辨别;要么使用单一的代价计算方法,而无法保证路由质量。本节基于跨层交互中实时更新的扩展邻居表,一方面有效避开HNPLC单向链路,另一方面利用扩展表中记录的正、反双向DSM信息,提出一种综合型双向路由代价计算方法,并基于分布式按需路由的实现策略进行最佳传输路径的选择,从而保障双向互动HNPLC网络良好的传输性能。
2.1 扩展邻居表
本文使用3个信息表和3个路由信息帧来实现双向互动HNPLC分布式按需路由机制。3个信息表分别为:邻居表(neighbor table,NT)、路由表(routing table,RT)和路由请求表(route request table,RreqT);3个路由信息帧分别为:路由请求信息(RREQ)、路由应答信息(RREP)和路由错误信息(RERR)。其中,RT和RreqT以及3 个路由信息帧由节点的网络层维护,其功能和结构与6LoWPAN[14]和G3PLC[11]类似,仅需对路由代价计算方法做相应调整。
邻居表是HNPLC系统中用于记录并确保点到点可靠链路的信息表,其存储的信息主要由底层管理实体进行维护,可被节点的任意功能层读取和调用[25]。邻居表中通常记录了DSM信息,即与邻居节点可靠通信所需的调制和载波信息,以及信息的有效期。为有效掌握HNPLC网络中的非对称双向链路信息并进一步指示本节点与邻居节点的链路状态,本文对NT的每条记录进行了扩展,形成的扩展邻居表包括邻居节点地址域、发送时使用的DSM信息域、反向DSM信息域和单向链路标志域。其中,反向DSM信息域记录了需要回传给邻居节点的DSM信息及该信息的有效期。由于HNPLC节点会始终利用前导序列对接收帧进行DSM信息计算,因此这里仅需扩展内存对反向DSM信息进行存储,而不增加任何的计算工作量。扩展的“单向链路标志域”相应地定义了3种链路状态:(1)能收到该邻居节点的发送帧,但反向链路待考察;(2)能收到该邻居节点的发送帧,但反向链路无应答,即单向链路;(3)双向链路。
扩展邻居表的信息需要更新与维护。节点在收到任意邻居节点的发送帧时,都会相应地更新对应条目。同时,在上文的节点组网机制中已经提到,定义MAC帧头中预留的标志位,可将需要回传的DSM信息附加在交互帧中发送出去,而无需为每个DSM信息单独开辟交互过程,从而有效节省信息搜集所需的信令和时序开销。若DSM信息的有效期即将耗尽,则可利用MAC帧头中的TMR(ToneMapRequest)标志位要求回传相应的DSM更新信息[11]。
2.2 综合型路由代价
路由代价(route cost,RC)的构造方法是影响路由质量的关键,双向互动的路由代价应兼顾收、发双向的链路信息;对网络路由质量的宏观把握,则应均衡地处理和协调各个节点的中继业务量;对时变信道的感知与监测,则应充分结合和利用HNPLC底层实现技术。
满足双向互动需求的HNPLC综合型路由代价由通信节点间链路代价(link cost,LC)的累加和构成。在繁杂的HNPLC信道环境中,为了保证网络整体的路由质量,链路代价函数需要对双向信道条件、传输速率以及负荷均衡性进行综合考虑。实际上,由于HNPLC系统中已普遍使用DSM[22],且基于扩展NT和跨层交互策略,邻居节点间的双向DSM信息得到实时的更新与存储,因此网络层可方便地获得相应的传输指示信息。
这里提出一种基于组合权重的低复杂度双向链路代价计算表达式:
式中:CL为链路代价;Mmax和Nmax分别为HNPLC底层规范所允许的最大调制阶数和最大的可用子载波数,其乘积MmaxNmax即为理想信道环境下链路可达的最大传输速率的表征量;MTX,MRX和NTX,NRX分别为DSM算法给出的物理层正交频分复用(OFDM)调制时应采用的调制阶数和可用子载波数,下标TX和RX分别标识链路传输的两个方向;L为节点邻居表中活跃节点的个数,它间接表征了节点被选为中继节点时可能承载的传输负荷程度,该参量用于平衡和协调节点的传输业务量;θ 为归一化系数,用于确保后一项的取值与前一项具有相同的数量级水平;α 和β分别为速率因子和负荷因子,用于分配、调整链路代价中速率表征量和负荷条件所占的比重。
等式右边的第1项为双向链路的质量信息,它是结合了信道条件和相应QoS或误码率要求的链路传输速率的表征。在本文的路由机制中,只有双向链路才会被选作路由路径,因此相应的双向链路信息总是存在的。当确定了底层规范后,该项中表征量的最大乘积为一确定值,如Mmax=3,Nmax=96[26,27]。
2.3 双向互动分布式按需路由机制的实现
双向互动路由机制的实现核心是利用3个信息表完成对3种路由信息帧的生成、处理及转发,从而分布式地选取最佳路径。节点对RREQ和RREP的处理过程即可清晰地描述所述机制的实现过程。本文设计的双向互动HNPLC分布式按需路由机制的实现流程如图3所示。
该机制一方面使用单向链路标志,有效确保了路由的双向连通性;另一方面使用跨层更新的扩展邻居表,高效、快捷地完成双向链路代价的计算。
如图3(a)所示,节点收到RREQ信息帧后,首先对扩展NT进行更新,结合相应记录判断收到RREQ的链路是否为单向链路。若为单向链路,则直接丢弃RREQ;否则就判断自身是否为RREQ的目标节点。若本身是RREQ的目标节点,且RreqT中无相同记录,则对路由表和路由请求表进行更新,并回复RREP;若本身是目标节点且RreqT中已有相同记录,则考察该RREQ的综合路由代价情况,仅当该RREQ的路由代价较小时,节点更新RT和RreqT并回复RREP,否则就丢弃RREQ。若节点本身并非RREQ的目标节点,则利用RreqT对具有相同标识号的RREQ进行单次处理,以避免引起网络风暴[28]。
节点对RREP的处理如图3(b)所示。 收到RREP后节点首先更新扩展NT,接着判断RT和RreqT中是否有相应记录,若无则直接丢弃RREP;若有则存储综合路由代价较小的邻居节点信息。当自身不为RREP的目标节点时,则转发RREP。
3 性能验证
使用图1(a)所示的实际HNPLC网络对本文提出的面向双向互动应用需求的组网和路由机制进行性能验证。网络中各节点的底层均使用了基于OFDM的DSM算法,具体实现方法及详细参数见课题组已有的底层研究成果[22,29]。仿真中用到的主要底层参数如下:数据包长度为12~127B;数据包平均到达间隔所占的符号长度为400;单位时隙所占的符号长度为2;物理层快速傅里叶变换(IFFT)点数为256;可用子载波总数为96;物理层前导序列所占的符号长度为9.5;物理层帧控制头所占的符号长度为7;循环前缀点数为30;升余弦滚降点数为8;采样频率为1.2 MHz;重叠的采样点数为8;调制阶数为1,2,3。
考虑到双向互动HNPLC网络所覆盖的通信区域中,不同分支可能具有不同的信道特性进而表现出相互差异的路由或传输性能,且即使是同一区域的链路在不同时间也可能具有不同的信道特性。因此,为确保性能评价的普适性并兼顾仿真的可行性,将图1(a)的实际HNPLC网络按分支情况划分为4个区域,其中节点1,2归于最右侧的区域。这样,遍历各个区域进行性能仿真,即可较好地模拟各种信道条件下的性能验证情况,即仿真时确保随机进行的收、发操作遍历各个区域,则可在一定程度上确保性能验证的普适性与随机性。
3.1 双向互动分布式按需路由机制的性能验证
采用图1(d)的HNPLC Mesh组网,将本文提出的最小化综合路由代价的双向互动路由机制与传统的跳数最少和通信距离最短的路由机制进行性能对比,验证所设计路由机制的性能。注意,HNPLC网络中节点的通信距离绝非两节点的欧式距离,而是通信节点间的电力线铺设距离。由于实际电力线通信网络中节点间电力线的铺设距离一般难以准确获知,而其又与链路的信道质量紧密相关,因此,实际中通常使用实时估计的信道质量作为传输路径的选择依据[30]。 在本文的仿真验证中,由于实际HNPLC网络的铺设距离和信道条件均已测得,因此通信距离准则与信道质量准则是等价的。
图4示例了3种路由机制下节点22 到节点9的通信路径,其中红线使用所述的综合代价最小化的路由机制;蓝线使用距离最短的路由机制;紫线使用跳数最少路由机制。3种路由机制下选择的路径跳数均为6,通信传输距离分别为44,37和39,综合路由代价分别为1 347,1 483和1 500(α∶β=1∶1)。
在收发节点完成路径的选择后,即可对3种路由机制下的网络传输性能进行对比、评价。
1)网络的平均传输速率
令发送信息的源节点遍历具有不同信道条件的4个区域,接收节点在整个网络内随机选择,得到3种路由机制下网络的平均速率如图5(a)所示。图中横坐标标识的4种情况分别表示源节点位于4个具有不同信道条件的分支区域。由图可见,使用本文设计的综合路由代价最小化的路由机制能显著提高双向互动HNPLC网络的平均传输速率,蒙特卡洛仿真的计算结果显示,网络的平均传输速率可比最少跳数路由和最短距离路由机制分别提高35.52%和38.31%。
2)负荷均衡性
网络的负荷均衡性受路由机制影响,反映了网络业务量井喷时可能造成的传输拥塞程度,是路由性能的重要指标。负荷均衡性好,意味着有更多的节点分担繁忙的传输任务,而不至于使业务量集中于少数中继节点,从而缓解延时、拥塞甚至丢包情况。通常用统计得到的网络中各节点作为中继次数的标准差(或方差)来表征网络的负荷均衡性。标准差越小,则负荷均衡性越好。图5(b)给出了当发送节点遍历各种信道条件,接收节点随机选取时,3种路由机制下网络节点中继次数的标准差。从图中可清晰地看出,本文设计的路由机制具有最小的中继次数标准差,能较好地平衡网络内各个节点的业务量,网络的负荷均衡性好。
3)通信成功率
HNPLC通信链路具有非对称性甚至存在单向链路。本文设计的路由机制在路径选择时能有效避开单向链路,选择双向链路进行路由。当网络中突发产生单向链路时,所述路由机制能迅速找到Mesh拓扑中的其他双向链路完成通信。图5(c)给出了当单向链路存在于具有不同信道条件的各个区域时,3种机制下的网络通信成功率对比。其中,仅所述的路由机制考虑了单向链路的影响,其他两种机制均未考虑。由图可见,在所述路由机制仍能保持100%的通信成功率时,单向链路的存在已使另外两种路由机制下的通信成功率有明显下滑。
3.2 Mesh组网拓扑的双向互动HNPLC网络性能验证
采用本文设计的双向互动分布式按需路由机制,考察组网时分别形成Mesh拓扑、人工蛛网拓扑和树状拓扑3种情况下,实际HNPLC网络的通信传输性能。这一方面能进一步验证所述路由机制的灵活性、适用性,另一方面也能证实Mesh组网拓扑为双向互动HNPLC网络所带来的性能提升。
1)网络的平均传输速率
仍然使发送节点遍历各种信道条件,接收节点随机选取,比较组网形成3种通信拓扑时双向互动网络的平均传输速率,如图6(a)所示。
由图可见,本文提出的综合路由代价最小化的路由机制适用于各种通信拓扑,其中,Mesh组网拓扑能为双向互动HNPLC路由机制提供最好的网络连接灵活性,因而可使网络获得最高的平均传输速率;而树状拓扑由于链路的唯一性使整个网络无法很好地适应时变信道和双向互动需求,因此网络的平均速率最低;蛛网拓扑提供了一定程度上的可选链路,网络获得的平均传输速率居中。
2)负荷均衡性
比较不同信道条件下3种组网拓扑对网络负荷均衡性的影响,仿真结果如图6(b)所示。从图中可以看出,使用Mesh组网时,网络中各节点的传输任务能得到更加灵活的调度和配置,统计得到的传输中节点的中继次数标准差最小,网络的负荷均衡性最好。而树状通信拓扑的链路唯一性使得节点间传输路径固定,节点中继次数的标准差最大。蛛网通信拓扑的负荷均衡性位于Mesh通信拓扑和树状通信拓扑之间。
3)网络对单向链路的容忍度
由于双向互动路由机制中考虑了单向链路问题,因此这里需要考察使用不同组网拓扑时实际HNPLC网络对单向链路的容忍程度。使用蒙特卡洛仿真分别考察HNPLC网络中存在1~20条位置随机的单向链路情况下网络的通信成功率,如图6(c)所示。需要注意的是,图6(c)的横坐标不再指示4个分支区域,该图的标号1~4标识网络中随机存在1~5,6~10,11~15,16~20条单向链路的情况。从图中可以看出,即使实际HNPLC通信网拓扑中存在高达15 条位置随机的单向链路,使用Mesh组网的双向互动网络仍能保持100% 的通信成功率;而使用人工蛛网组网时,若拓扑中存在少于5条的单向链路,则网络能保持全连通性,大于5条时则无法确保网络的连通性;对于树状组网,由于其拓扑链路的唯一性,因此任何单向链路都将导致某些节点间的通信中断。
4 结语
本文研究了满足智能电网双向互动应用需求的HNPLC组网和路由机制。本文首先验证了Mesh组网拓扑的高联结度,接着利用MAC帧头的预留标志位并有效结合网络层和MAC层的信息交互过程,设计实现了能显著节省信令和时序开销的跨层交互组网机制。在路由机制的实现中,本文利用交互更新的扩展邻居表有效地避开单向链路,给出一种综合考虑双向信道质量、传输速率及负荷均衡性的综合路由代价计算方法,设计了代价最小的分布式路由机制。
在实际的HNPLC网络中验证了所述双向互动HNPLC路由机制在网络传输速率、负荷均衡性及通信成功率方面的优越性,并进一步证实了使用Mesh组网的双向互动HNPLC网络比使用树状和人工蛛网组网具有更为出色的通信性能。
摘要：为使高速窄带电力线通信(HNPLC)满足智能电网的双向互动需求,结合HNPLC的底层技术,设计实现了具有低信令、低时序开销的跨层交互组网机制和具有双向互动功能且综合代价最小化的分布式按需路由机制。在实际的HNPLC网络中对面向双向互动的组网和路由机制进行性能验证。计算机仿真结果表明,所提出的路由机制比传统方法具有更快的传输速率、更好的负荷均衡性和更高的通信成功率;与树状拓扑或人工蛛网拓扑相比,采用Mesh拓扑能使双向互动HNPLC网络更具优越性。
互动需求 篇8
2010年国务院印发《推进三网融合总体方案的通知》, 由政府作为推手, 推进电信网、广播电视网和计算机通信网之间的相互渗透和兼容, 将其整合为统一的信息通信网络。在这个具备逻辑合法性的“巨大的网”中, 人类社会被空前严丝合缝地包揽其中, 于是网络的传播模式、产业形态、技术谱系都在经历着改写。本文将三网融合作为理论底色, 探索网络视频用户的需求变化引发的技术更新, 以及技术更新对用户需求的解构与建构, 并在对两者的间性研究中, 探求新的媒介环境下网络视频的生存之路。
网络视频用户的多样融合新需求与技术生发
恩格斯说过:“文化上的每一次进步, 都是迈向自由的一步”。媒介的融合极大地延伸了个体在生理机能上所能接触的范围和区域, 让我们间接“看”到和“听”到个体无法延伸的物理时空, 用户只需接一根线, 付一次费, 用一个终端, 就可同时进行看书、打电话、看电视、上网等丰富又便捷的信息服务与文化消费。时空的扩充是行为自由的必要保障, 挣脱限制的渴求又迫使三网中任何一个技术体系, 具备文化与功能复合的能力。网络视频已经具备了电视点播、时移回看等对时间的自由化选择, 但若想摆脱接收空间的捆绑, 在观影中实现卡斯特尔所言的“时间的无限性”与“空间的流动性”并重, 介入电信网络中的手机媒介, 将成为它技术革新的生长点。那么, 在技术保障关口, 网络视频需要达成对手机客户端的亲和, 并且为原始视频源开发诸如实时、离线等转码方式, 确保视频内容能够清晰、顺畅地呈现在手机终端上。若网络视频能够实现向手机视频的跨越, 据《中国手机视频市场专题研究报告2011》预计, 2013年中国手机视频市场用户规模将达到2.8亿, 收入规模将达到113.8亿元, 届时, 基于三网融合之上的三“屏”融合初见规模, 我们将愈加接近进行立体沟通的“理想通信”时代。
在网络的无缝覆盖下视频服务准入途径的增多, 使用户对接收内容有了更丰富、更完备的期待。理想的通信, 是“社会关系的总和”, 应该满足人类沟通的各种需要。正如马克汉森教授所说:“我们需要的媒体模式, 不仅仅要有记忆、记录、储存的功能, 同时也必须能够让我们更好地在当下采取行动, 并指向未来。”用发展的眼光审视三网融合, 在业务应用层面它指向了全媒体终端的整合。所谓“全媒体”指的是“在具备文字、图形、图像、动画、声音和视频等各种媒体表现手段基础之上进行不同媒介形态 (纸媒、电视媒体、广播媒体、网络媒体、手机媒体等) 之间的融合, 产生质变后形成的一种新的传播形态”。尽管我们现在对“全媒体”的描述还是一种合理的想象, 但是作为“全媒体”的一个构成因子, 网络视频理应竭力趋近这种传播愿景。在表现手段上它应当注重文字、图片、影像、动画、多媒体等多种手段组合运用, 调动涵盖视、听、形象、触觉等全部感官, 激发用户的通感和联觉, 实现信息的全面覆盖。例如, 腾讯网联手CNTV推出的世界杯视频直播, 就搭建了一个“视频+微博+实时数据”三合一的“全直播”“秒互动”模式。在同一页面上呈现三种形态的直播信息, 用户观看、讨论以及利用数据直播分析比赛形势, 完成了从吸引眼球到深度参与的升级, 重新定义了网络视频直播的形态。实现这些效果, 网络视频技术需要具备更大的包容度和灵活度, 实现动态频段划分、信号智能匹配、异源信号同步等功能, 完成从“渠道介质”到“复合媒体”的华丽转身。
在经营内容上, 网络视频除了常规的收视项目、网络使用费等方式, 还应该开通网络视频电话、在线游戏、网络视频购物、在线支付等一批基于技术融合产生的增值应用。这里, 网络视频并不是传统媒体内容和新兴技术的简单相加, 它必须打破将电视内容机械平移的观念。以网络视频购物为例, 美国微软公司研发了一种网络视频广告的新模式, 这个集成平台上用户即可接收到电视广告的视听信息, 还可充分发挥网络媒体的交互性特点, 即对广告内容中出现的物体进行标注和索引。用户一旦对画面中的某个物体感兴趣, 就可以通过点击该物体链接到相关的视频广告。这种以网络视频广告为代言的动态影像超文本编排方式, 需要引入对动态热区设置, 动作捕捉系统, 感应同步装置等新型技术的研发, 完善原有功能模块的可扩展性, 在三网技术的深度植入中实践全媒体的构想。
网络视频用户对观赏质量的新需求与技术勾连
理想型的媒体必是人际传播、组织传播与大众传播的统一, 这将是对人类交流化生存图景的终极模仿。当代生活节奏早已摆脱了传统的静态形态, 正如有些哲学家所说的, 当代文化最为突出的现象就是所谓“动力学”。航天技术的进步不断刷新着我们对速度的感知, 交通工具的便利使我们花费在跨越空间上的时间急剧缩短。从视觉接受心理学角度来说, 当观众习惯于速度奇观所提供的存在范式之后, “快看”与“看快”就成为受众视觉接受的典型形态。同时, 网络的融合、技术的叠加, 使“人体”得到了极大的“延伸”, 传播的时空得以扩展后, 用户也会对传播的效果产生新的期待。
种种新需求指向了网络视频响应时间更快, 播放过程更流畅, 播放效果更清晰。众所周知, 处于当下视频信号普遍高清化的大数据量轰炸下, 画面的流畅度和清晰度是网络视频直播相对于电视播放的一大短板。解决这一问题, 最直接的方式是增加网速, 追加带宽, 而这会导致巨大的经济支出。如何在有限的带宽资源中, 巧妙地解决矛盾?我们将目光转向接受心理学。按照接受心理学理论, 在用户的观看行为中, 其观看的兴奋度并不是一直处于一个定值上。当播放内容出现大的动作变化、情节变化时, 用户的视觉关注度最高, 如果在这些视觉兴奋点处用户的观看需求得到满足, 那么他会对这次观看行为评价较高。以此接受心理质素作为理论先导, 我们可以得到启发:在网络视频的播放中, 观众对不同的节目类型需要的清晰度预期是有差别的, 当无法满足全程的高清流畅播出的带宽要求时, 我们可以在一些内容拐点处, 为其动态调整带宽大小, 通过用户的心理调适改善用户对接受效果的评价。例如, 网络视频内容提供商可以预先在对带宽要求较高的影视作品动作场景、大场面场景做出类似触发脉冲的内容标识, 在播放过程中只要在遇到该标识, 系统就动态分配一些带宽资源, 确保用户在观看兴奋点处的接收质量。这样的安排也可以应用在春晚、奥运会开幕式等直播内容中, 监管者可以按照节目单的安排, 在舞蹈、大型团体操等动态较强的节目时间段里, 设置带宽切换标记, 促成基于视觉认识曲线的差异化播放机制。这些措施的实施, 需要为网络带宽添置动态口令, 或者达成动态分布机制等技术保障, 而这些技术革新的内在逻辑是在资源的有限性以及接收的高要求之间用视觉认识心理架起一座桥梁, 实现将资源最优化配置。
网络视频用户主体性新需求与技术升级
人们对信息传播模型的探索从早期的“枪弹论”“强效果论” (把受众看作信息的被动接受者) , 到“使用满足学说”“沉默的螺旋”, 直到“接受理论”受者的个体需求才被推至关注的焦点。美国学者戴安娜鞥克兰说:“接受理论修正了对于大众文化理论来说至关重要的心灵操纵假说——文本意识形态含义被公众不加质疑地接受。公众成员没有被概念化为文化的傀儡, 而是被概念化为能够重新阐释主导意识形态话语以满足自身需要的积极主体。”网络语境的产生, 保证了受众主体性权利的合法性, 他们不是被动地接受大众传媒“推给自己”的信息, 而是在海量信息中“拉出”自己需要的信息。从“推”到“拉”, 反映了传播方式的一种变革。而后, 信息网络的发展史就是媒介拥有者和终端用户之间为控制和革新网络进行的斗争。几次成长发展浪潮中, 终端用户全面分享网络公司的权力成为网络生存的必然要求, 也可以说, 信息网络的发展史就是媒介拥有者和终端用户之间为控制和革新网络进行的斗争。
指向全媒体信息传播的三网融合, 是通讯资源全面优化整合的一次跨越式发展, 此时的网络视频不是简单地通过网络融合环境进行信息分发, 而是个体获取对等的全媒介传播力和控制力。在这一方面, 中国网络电视台做出了积极探索。它以“参与式电视体验”为理念, 创造“个人电视台”专栏, 使大家在分享视频的同时, 也可成为视频上传的信息源, 打造自己的明星电视台, 并以个人电视台为基础, 提供用户交流论坛、微博群, 构造SNS社交网络朋友圈。而2011年的网络春晚又创设了一种更新的参与形式, 即用户可以通过即时视频对话加入晚会的直播进程。达成如此交互性力度, 网络视频平台需要升级基于单一影像播放系统的数据结构, 加大上传模块的建设, 实现业务打包, 网络功能嫁接, 塑成对等的传播样态。
信息只有被需要才有传播的必要。通讯疆域的空前扩大让我们置身于浩淼的信息海洋中, 因此在网络视频系统中, 尊重用户个性需要也表现在设计一个强大的搜索引擎, 解决好高度针对性的问题。网络视频环境下, 每一台电脑都可以成为信息源, 视频信息的“去中心化”也使其准入门槛降低了, 基于关键词的视频搜索出现了大量衍生体, 信息的不确定性和深层探索的无逻辑性常常导致个性服务的中途夭折。同时, 现有的超级链接和基于web服务器搜索引擎所构成的非线性传播方式, 在一定程度上成为了原来职业化的传播者转移或推卸一部分“守门人”责任的契机, 原来职业责任中的选择细分等主要任务渐渐被“有文必录”式的罗列所代替。于是, 很多占据主导地位的大型网络视频网站追求大而全, 精确的信息依赖于接受者层层超级链接的探索, 用户并没有被当成一个真正的个体, 仍然被当作是有着共同爱好的群体成员来对待。提供智能化的视频搜索机制, 是新型传播模式对传播技术支撑的必然要求。因此, 关键词属性的细化, 视频内容语义的再协议, 超链接、超文本网状结构的重新整合, 甚至图像检索尖端技术的借力, 都将是网络视频搜索引擎功能拓展的方向。