關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；配電網(wǎng)；智能能量路由器；拓?fù)洌蝗S設(shè)計(jì)；中臺(tái)

1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念及框架

泛在物聯(lián)網(wǎng)是指任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物之間的信息互聯(lián)和交互。而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是指電力用戶及其設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及其設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及其設(shè)備、供應(yīng)商及其設(shè)備、以及人和物的信息互聯(lián)和交互[1]。從技術(shù)視角看，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)包括4個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層[1]。感知層實(shí)現(xiàn)各級(jí)發(fā)輸變電系統(tǒng)、電力用戶等參與方的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合；平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和整合分析，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)及接口統(tǒng)一的目標(biāo)；應(yīng)用層在大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各類“發(fā)輸變用”電服務(wù)。

2現(xiàn)有智能配電網(wǎng)拓?fù)?/p>

2.1傳統(tǒng)智能配電網(wǎng)

圖1所示為初步實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)智能化的微網(wǎng)拓?fù)??？梢姶罅侩娏﹄娮釉O(shè)備的應(yīng)用，極大程度地提升了微網(wǎng)內(nèi)能力流動(dòng)的自由度。多種可控的電力電子變換器為新能源并網(wǎng)、電能質(zhì)量提升提供了解決方案。然而，基于此種拓?fù)湎碌奈⒕W(wǎng)，信息通道的主要作用是傳輸測(cè)量、計(jì)量信號(hào)和發(fā)送控制命令，其拓?fù)錇辄c(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者放射狀。此外，由于區(qū)域內(nèi)負(fù)荷形式、新能源類型等差異化因素，往往造成交、直流母線相對(duì)獨(dú)立。

2.2基于能量路由器的智能配電網(wǎng)

圖2所示為2010年前后，國(guó)內(nèi)外的一些高校和研究機(jī)構(gòu)提出的基于“能量路由器”“分布式能源”和“智能控制策略”的狹義能源互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)洌部梢岳斫鉃槭俏⒕W(wǎng)層面的能源互聯(lián)網(wǎng)。其中，智能能量路由器（SmartEnergyRouter,SER）的參與，可以使微網(wǎng)內(nèi)部交、直流母線并存，所有電源、儲(chǔ)能和負(fù)載均可連接至直流母線。這類拓?fù)涞钠款i在于，如果SER環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，整個(gè)微網(wǎng)將面臨全面癱瘓的危險(xiǎn)，在交流母線側(cè)增加可供接入微網(wǎng)的冗余電力電子變換器可以提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但也增加了投資?；诖朔N拓?fù)洌畔⒘髟谠痉派錉畹幕A(chǔ)上增加了變換器間的橫向互聯(lián)和不同控制層級(jí)間的聯(lián)系。但要注意的是，因受連接帶寬等限制，并非所有數(shù)據(jù)都形成閉環(huán)回路。

3泛在電力物聯(lián)配電網(wǎng)拓?fù)?/p>

3.1泛在電力物聯(lián)配電網(wǎng)的研究背景

3.1.1電網(wǎng)發(fā)展向用戶側(cè)滲透的客觀要求智能配電網(wǎng)作為用戶數(shù)據(jù)的感知前端，對(duì)于用戶數(shù)據(jù)采集有不可替代的作用。目前，國(guó)家電網(wǎng)公司擁有世界最大的電網(wǎng)規(guī)模，建立了龐大的電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，已接入智能電能表等各類終端5.4億臺(tái)，日采集數(shù)據(jù)量超過60TB；車聯(lián)網(wǎng)接入充電樁超過28萬個(gè)，電商平臺(tái)注冊(cè)用戶2.25億[1]。一方面，這都是國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；另一方面，如此龐大的數(shù)據(jù)量，僅依靠現(xiàn)有電網(wǎng)中的通信網(wǎng)絡(luò)是無法實(shí)現(xiàn)傳輸和存儲(chǔ)的。同時(shí)，由于更多類型的電源、負(fù)責(zé)接入電網(wǎng)，其產(chǎn)生數(shù)據(jù)的格式、結(jié)構(gòu)多樣等因素導(dǎo)致的信息貫通及溯源能力不足的問題也日益明顯。隨著電網(wǎng)信息化的日益深化以及當(dāng)代企業(yè)對(duì)數(shù)字化的依賴日益加深，迫切需要在電網(wǎng)建設(shè)，尤其是配電網(wǎng)建設(shè)過程中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提升對(duì)用戶需求的反應(yīng)速度和響應(yīng)能力。

3.1.2互聯(lián)網(wǎng)思維對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)管理模型提供了新的思路借鑒一些互聯(lián)網(wǎng)公司的思維，可以構(gòu)建企業(yè)中臺(tái)應(yīng)對(duì)新業(yè)務(wù)帶來的管理問題。中臺(tái)概念出現(xiàn)之前，在信息化模式上，前端為支撐業(yè)務(wù)的應(yīng)用端，后端為各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，為前端提供服務(wù)。但隨著市場(chǎng)、用戶需求、業(yè)務(wù)的多變性，底層僵硬的應(yīng)用無法及時(shí)提供支撐。企業(yè)需要一個(gè)強(qiáng)大的中間層為高頻多變的業(yè)務(wù)提供支撐，為不同的受眾用戶提供多端訪問渠道，基于“大中臺(tái)、小前臺(tái)”的信息化建設(shè)模式開始流行。企業(yè)中臺(tái)可以由接近后臺(tái)至前臺(tái)依次分為：基礎(chǔ)中臺(tái)、技術(shù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)?；A(chǔ)中臺(tái)也稱PaaS（PlatformasaService）容器，關(guān)鍵字為容器集群管理和敏捷開發(fā)。技術(shù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)可以視為是在各自維度連接底層服務(wù)或?qū)儆诤蜕蠈痈兄畔⒌募~帶。有相關(guān)文獻(xiàn)指出，中臺(tái)概念較為適合具有眾多子公司、業(yè)務(wù)面較廣的行業(yè)龍頭型企業(yè)。

3.1.3傳感器、智能移動(dòng)終端等技術(shù)的快速發(fā)展為電力物聯(lián)網(wǎng)的落體提供條件近幾年，傳感器、智能終端、數(shù)據(jù)挖掘算法、電力電子設(shè)備等電網(wǎng)新技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。這些技術(shù)為智能配電網(wǎng)的信息采集、數(shù)據(jù)快速處理以及基于用戶需求的靈活控制策略落地提供了條件。逐步上線的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心，也為信息的貫通應(yīng)用提供了物理基礎(chǔ)。

3.2泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖3為本項(xiàng)目提出的，引入泛在互聯(lián)概念的電力物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)?，其能源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c圖2一致，但信息網(wǎng)絡(luò)向用戶數(shù)據(jù)滲透。如果說，智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)將電網(wǎng)端的智能化水平極大提升，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將著眼于“用戶（包括發(fā)電及用電）”端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并形成與電網(wǎng)端的有機(jī)互聯(lián)。如圖3中所示，各類電源、儲(chǔ)能和負(fù)載對(duì)象時(shí)刻在產(chǎn)生運(yùn)行數(shù)據(jù)，其積累將使網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳遞對(duì)象不再如前文所述為電網(wǎng)電量信息和控制指令，同時(shí)需要建設(shè)獨(dú)立的用戶用電信息網(wǎng)絡(luò)。之所以要求獨(dú)立，一方面是因?yàn)樵究刂浦噶畹葦?shù)據(jù)的傳遞頻率和可靠性要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶信息，獨(dú)立建設(shè)網(wǎng)絡(luò)相較于擴(kuò)展原網(wǎng)絡(luò)帶寬可以降低成本；另一方面因?yàn)樵W(wǎng)絡(luò)的帶寬將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量要求。同時(shí)，微網(wǎng)的上級(jí)信息網(wǎng)將于新建的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，并建立與其他形式能源欣喜網(wǎng)的聯(lián)系。數(shù)據(jù)中心和用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將為能源金融、能源服務(wù)、能源交易和能源網(wǎng)絡(luò)自身優(yōu)化提供軟硬件基礎(chǔ)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校黝悢?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)接口的統(tǒng)一，以及多源數(shù)據(jù)使用時(shí)的溯源仲裁將成為關(guān)鍵技術(shù)。2017年，國(guó)家電網(wǎng)公司提出全面應(yīng)用三維設(shè)計(jì)的要求，其意義之一便是實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)貫通”和建設(shè)“數(shù)字國(guó)網(wǎng)”，以求實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)一個(gè)源、電網(wǎng)一張圖、業(yè)務(wù)一條線”的整合目標(biāo)。將三維設(shè)計(jì)成果作為信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)載體，是梳理和統(tǒng)一各方面數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.3泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)

如圖4所示為本項(xiàng)目提出的微電網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)整合框圖。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)據(jù)應(yīng)該在一定程度上呈現(xiàn)出閉環(huán)結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)的感知層也就是數(shù)據(jù)的應(yīng)用層，數(shù)據(jù)的發(fā)出者也就是數(shù)據(jù)的使用者。下面針對(duì)圖4自下而上進(jìn)行闡釋。在感知層，多種多樣的傳感器和現(xiàn)有的存儲(chǔ)單元離散地貫穿電網(wǎng)資產(chǎn)的全生命周期始終。創(chuàng)新地提出安照數(shù)據(jù)的生命周期進(jìn)行分類討論，即將數(shù)據(jù)劃分為“固態(tài)數(shù)據(jù)”和“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)”。顯然，電網(wǎng)資產(chǎn)的基建信息，如設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等均為固態(tài)數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是一次錄入后長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變；諸如電網(wǎng)的調(diào)控?cái)?shù)據(jù)、SCADA實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)等都是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)更新，通常也要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)；另外，微網(wǎng)內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)以及來自其他網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，因在微網(wǎng)內(nèi)采用“增量更新”，故數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)也更新，但這類數(shù)據(jù)的更新實(shí)時(shí)性要求并不像控制信號(hào)等工程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)那么高，可以采用定期更新的形式。在存儲(chǔ)層，固態(tài)數(shù)據(jù)以內(nèi)網(wǎng)云的形式，存儲(chǔ)在邊緣服務(wù)器上（設(shè)計(jì)單位的工程服務(wù)器等），需要傳輸時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配帶寬。對(duì)于需要快速響應(yīng)的工程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，需要時(shí)刻在存儲(chǔ)空間內(nèi)預(yù)留滿足其更新的空間，并架設(shè)專用的傳輸線路以保證其實(shí)時(shí)性。當(dāng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)得到響應(yīng)后，將被移入備份區(qū)，備份區(qū)采用云存儲(chǔ)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型不同，定期（幾天至幾年）清理更新。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在備份區(qū)保存期間可以支持異地下載，便于離線保存。通過上述分析可以看出，在將數(shù)據(jù)以此邏輯整合后，微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的存儲(chǔ)空間傳輸帶寬可以得到合理優(yōu)化。類似于手機(jī)的RAM和ROM：ROM使用權(quán)限低，用于存儲(chǔ)固態(tài)數(shù)據(jù)和備份區(qū)的數(shù)據(jù)；RAM使用權(quán)限高，但僅用于存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。在處理層，由于在存儲(chǔ)層運(yùn)用了邊緣計(jì)算技術(shù)，數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳輸?shù)奖緦?，中心?shù)據(jù)庫(kù)無需再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可直接進(jìn)行核心功能的計(jì)算。減輕了處理層對(duì)服務(wù)器軟硬件的壓力。在應(yīng)用層，從圖4可以看出，一部分的終端應(yīng)用和感知層存在著重疊。這是因?yàn)樵谌f物互聯(lián)時(shí)代，信息的流動(dòng)應(yīng)該是雙向的，數(shù)據(jù)的發(fā)出者，也就是數(shù)據(jù)的核心使用者。以智能家居為例，各種家用電器既是用戶信息的收集終端，也是最終相應(yīng)智能處理器對(duì)數(shù)據(jù)分析后所發(fā)出命令的執(zhí)行終端。反觀微網(wǎng)環(huán)節(jié)也是如此，網(wǎng)絡(luò)中的各種智能傳感器既是電網(wǎng)數(shù)據(jù)的提供者，同時(shí)也可以作為為用戶提供綜合能源服務(wù)的終端。

4泛在電力物聯(lián)配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1感知層關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1智能能力路由器研制SER實(shí)際是電力電子變壓器（PowerElectronicTransformer,PET）在配電網(wǎng)中具體應(yīng)用，其研制包括設(shè)備研制和響應(yīng)的控制策略研究。目前，國(guó)內(nèi)外已有多所高校、企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)了的PET樣機(jī)[7—8]。但由于受到半導(dǎo)體期間耐壓等級(jí)、電路拓?fù)涞纫蛩叵拗?，其電壓等?jí)一般低于10kV，容量一般為幾百kVA至幾MVA。因此，此類電力電子裝置的應(yīng)用實(shí)例多數(shù)集中在軌道交通領(lǐng)域。對(duì)于面向智能配電網(wǎng)的SER還需要解決如下問題：提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，主要為電力電子期間的開關(guān)損耗；提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；提升運(yùn)行電壓等級(jí)和容量。

4.1.2智能傳感器或終端技術(shù)目前，智能變電站已基本實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備參數(shù)的全面測(cè)量。隨著實(shí)物ID相關(guān)新技術(shù)和管理手段的應(yīng)用，電網(wǎng)企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自身資產(chǎn)的全生命周期感知。面向用戶的智能傳感器不僅需要考慮信息采集的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，還需要考慮設(shè)備本身的造價(jià)、體積和傳輸過程信息安全保障措施等因素。

4.2網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

本文提出的泛在電力物聯(lián)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層中，對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度、控制信號(hào)與用戶數(shù)據(jù)采用相互獨(dú)立的傳輸網(wǎng)絡(luò)。調(diào)控信號(hào)依然利舊采用現(xiàn)有的基于光纖等的高可靠性傳輸介質(zhì)進(jìn)行傳輸；用戶信息采用基于5G通信及窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）的新興通信技術(shù)傳輸。其中，NB-IoT技術(shù)由華為公司在2014年提出，聚焦于低功耗覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低等特點(diǎn)，可以與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。海量的用戶數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全保障，是下一階段的研究重點(diǎn)之一[9]。

4.3平臺(tái)層關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)家電網(wǎng)公司已著手構(gòu)建全業(yè)務(wù)企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一輸入輸出數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)信息“一次錄入，共享使用”的目的。同時(shí)，可以借鑒互聯(lián)網(wǎng)公司的“企業(yè)中臺(tái)”思路，充分應(yīng)用邊緣計(jì)算、云存儲(chǔ)等技術(shù)，優(yōu)化信息傳輸和應(yīng)用效率。對(duì)于電網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)據(jù)，在平臺(tái)層以三維設(shè)計(jì)模型為信息載體。模型可分為幾何模型和屬性模型，分別實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)可視化瀏覽和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理。4.4應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)階段，主要的技術(shù)攻關(guān)集中在以上三個(gè)層級(jí)。應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)集中在對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后結(jié)合具體業(yè)務(wù)需求所開發(fā)的服務(wù)。

5結(jié)束語

本文泛在電力物聯(lián)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。所提出的配電網(wǎng)拓?fù)湟阅芰柯酚善鳛楹诵脑O(shè)備，具有靈活可控、交直流混合接入等特點(diǎn)。同時(shí)，在獨(dú)立于電網(wǎng)信息通信網(wǎng)絡(luò)之外，對(duì)用戶及設(shè)備間的物聯(lián)數(shù)據(jù)建立獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，在保證電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的同時(shí)滿足海量數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。隨著未來電網(wǎng)建設(shè)過程中接入系統(tǒng)的多樣性越來越高，尤其是可再生能源大量開發(fā)應(yīng)用，配電網(wǎng)拓?fù)鋵⒂泻艽蟮膽?yīng)用空間。

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作者：孫湛冬 靳友豪 單位：北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司