楊 鴿,馮黎兵,鄭嘉龍
(四川水利職業(yè)技術學院,四川 崇州 611231)
隨著化石能源的日益枯竭、環(huán)境破壞的日趨嚴重,全球各國都在尋求清潔、綠色、環(huán)保的可再生能源??稍偕茉匆虼嬖陔S機性和波動性特點,難以接入傳統(tǒng)的能源網(wǎng)絡系統(tǒng),產(chǎn)生了“并網(wǎng)難”、設備利用率低、能源浪費等問題[1]。于是,能源互聯(lián)網(wǎng)應運而生。
能源互聯(lián)網(wǎng)是一種全新的智能能源體系,以發(fā)展綠色低碳能源為宗旨,利用互聯(lián)網(wǎng)思維和技術改造傳統(tǒng)能源系統(tǒng),同時融合“遠距離、大容量”能量傳輸技術與新型可再生能源,以實現(xiàn)能源信息更好的互聯(lián)互通和開放共享。因此,能源互聯(lián)網(wǎng)成為推進全球能源體系建設,促使以清潔可再生能源為主體的能源格局的重要助推力[2]。
大數(shù)據(jù)作為當今的技術熱點,采用新一代處理模式高效獲取并分析海量信息。大數(shù)據(jù)集合了分布式存儲、并行處理、云計算、數(shù)據(jù)倉庫、實時流計算、數(shù)據(jù)可視化以及非關系型數(shù)據(jù)庫等針對海量數(shù)據(jù)處理的新技術[3]。在如今的“互聯(lián)網(wǎng)+”時代,大數(shù)據(jù)被廣泛應用到營銷、交通、醫(yī)療及企業(yè)管理等各行各業(yè)。能源系統(tǒng)是其重要應用領域,一方面能夠保障能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運行,另一方面能提升運行質(zhì)量,發(fā)揮其最大能效,減少能源的消耗。
本文綜述了能源互聯(lián)網(wǎng)的相關概念、基本特征和重要技術應用,強調(diào)了當前大數(shù)據(jù)技術對能源互聯(lián)網(wǎng)建設的重要性,提出了面向能源互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)體系架構,列舉了部分國內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應用的研究成果,最后指出了能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究需要各方合作才能獲得成效。
能源互聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)、融合信息網(wǎng)和能源網(wǎng)的優(yōu)勢而形成的巨大“廣域網(wǎng)”,以互聯(lián)網(wǎng)技術帶動能源行業(yè)信息的互聯(lián)互通,實現(xiàn)行業(yè)中各種資源的開放共享,是互聯(lián)網(wǎng)+能源的深切體現(xiàn)[4]。它以電力系統(tǒng)為核心,以互聯(lián)網(wǎng)為支點,以可再生能源為主體,與天然氣網(wǎng)絡、交通網(wǎng)絡[5]等相關體系融合構成龐大的多網(wǎng)絡系統(tǒng)。
能源體系和互聯(lián)網(wǎng)技術能夠融合,是以兩者的特性和實際應用為根據(jù)的。從經(jīng)濟和當前技術應用角度來看,在現(xiàn)有能源體系中,電力能源系統(tǒng)已處于十分重要的位置,并且已建成了相對于其他能源方式的大規(guī)模傳輸網(wǎng)絡。從某種角度上看,當前的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡是最具有互聯(lián)網(wǎng)特征的網(wǎng)絡。以上這些優(yōu)勢決定了電力能源在諸多能源類型中將會起到樞紐作用。同時,電力網(wǎng)絡將成為能源轉(zhuǎn)化和利用的核心平臺,是能源互聯(lián)網(wǎng)中的關鍵物理基礎[6]。作為一種全新的能源模式,能源互聯(lián)網(wǎng)通過互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)大范圍的“源-網(wǎng)-荷-儲”統(tǒng)籌管理。基于能源體系和互聯(lián)網(wǎng)的特性,融合而成的能源互聯(lián)網(wǎng)具有接納多元能源的包容性,接納多方用戶參與的開放性,跨學科多方位的系統(tǒng)性,涉及能源各環(huán)節(jié)、用戶數(shù)量巨大的泛在性,橫縱向聯(lián)合、優(yōu)化高效的互動性,管控全過程的智能性。
文獻[7]指出能源互聯(lián)網(wǎng)與其他形式的電力系統(tǒng)相比具有4個關鍵特征——可再生能源高滲透率、非線性隨機特性、多源大數(shù)據(jù)特性和多尺度動態(tài)特性。針對能源互聯(lián)網(wǎng)在設計、運行以及管理過程中以及4個特征帶來的問題,提出了需要解決的6大關鍵技術,分別是先進儲能技術、固態(tài)變壓器技術、智能能量管理技術、智能故障管理技術、可靠安全通信技術和系統(tǒng)規(guī)劃分析技術,并對各項關鍵技術涉及的其他問題進行了進一步探討。
能源互聯(lián)網(wǎng)為實現(xiàn)其能源優(yōu)化配置和發(fā)展綠色能源的目的,對能量管理系統(tǒng)提出了新要求。文獻[8]針對這個問題進行了具體分析,并建立了分層遞階式能量管理控制架構,如圖1所示。通過能源互聯(lián)網(wǎng)的調(diào)度中心部門發(fā)揮全局調(diào)度作用,各類能源局域網(wǎng)的智能能量管理系統(tǒng)間采用分布式能量協(xié)調(diào)方式進行局部調(diào)度,并呈現(xiàn)出一個能量管理系統(tǒng)的設計實例。
圖1 分層遞階式能量管理系統(tǒng)示意圖
能源互聯(lián)網(wǎng)是各類能源生產(chǎn)、分配、消費和信息交互高度融合的龐大系統(tǒng),加之能源互聯(lián)網(wǎng)自身的開放性、共享性和包容性等特征,外部環(huán)境和用戶設計、操作也會對其產(chǎn)生重大影響。因此,可將能源互聯(lián)網(wǎng)當做一個由內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)共同構成的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
大數(shù)據(jù)技術應用在能源互聯(lián)網(wǎng)中,主要體現(xiàn)在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及調(diào)度環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析和決策支持。在發(fā)電環(huán)節(jié),主要為優(yōu)化電源結構,提高功率預測方面的準確性和可靠性;在輸電環(huán)節(jié),主要為實現(xiàn)輸電過程監(jiān)測和狀態(tài)評價系統(tǒng)的智能化,提高監(jiān)測評價系統(tǒng)的準確性和可靠性,優(yōu)化輸電線路運維工作等;在變電環(huán)節(jié),主要為提高系統(tǒng)信息的開放和共享程度,提升能源效能的綜合利用,改進變電設備的智能化巡檢等;在配電環(huán)節(jié),主要為在更高程度上提高配電工作的智能化,加強配電網(wǎng)絡中能量流動、信息流動和業(yè)務流動的雙向互動等方面;在用電環(huán)節(jié),主要為解決龐大數(shù)據(jù)量存儲速度慢、重要數(shù)據(jù)分析時效差等難題;在調(diào)度環(huán)節(jié),主要為提高當前電網(wǎng)在線實時安全分析和控制手段效率,解決在線實時穩(wěn)定計算在應對大數(shù)據(jù)綜合分析中性能較差等難題。針對上述各個環(huán)節(jié)的問題,為了能夠進一步促進大數(shù)據(jù)技術應用服務于能源互聯(lián)網(wǎng)建設,提出了基于數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)計算層以及數(shù)據(jù)應用層構成的專門面向能源互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)體系架構[9],如圖2所示。
圖2 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)體系架構
數(shù)據(jù)源層:主要采集電力數(shù)據(jù)、燃氣網(wǎng)數(shù)據(jù)、熱力網(wǎng)數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)管理層:該層對關系數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫等實現(xiàn)存儲管理,對相關業(yè)務模型及其使用的數(shù)據(jù)進行模型管理,從而實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集成管理。
數(shù)據(jù)計算層:根據(jù)電力大數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)挖掘、實時計算等滿足數(shù)據(jù)應用層需要。
數(shù)據(jù)應用層:該層通過業(yè)務模式創(chuàng)新服務于能源互聯(lián)網(wǎng)建設。
目前,大數(shù)據(jù)信息的采集對于能源互聯(lián)網(wǎng)的建設已經(jīng)較為完善,而對數(shù)據(jù)的分析處理較為薄弱,海量的信息資源沒有得到充分利用,對后續(xù)的決策沒有提供足夠的參考。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的逐步推進,數(shù)據(jù)信息將呈現(xiàn)指數(shù)性猛增,將進一步加劇處理能力不足與數(shù)據(jù)指數(shù)增長間的矛盾[10]。
國內(nèi)對大數(shù)據(jù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中應用早已展開了廣泛研究,有的甚至已建立模型,以利于后續(xù)的實際應用。文獻[11]針對清潔能源的開發(fā)利用,分析了5個典型應用場景——能源生產(chǎn)和消費預測、新能源政策分析和評價、參與者行為分析、運行方式安排、安全風險分析。文獻[12]設計了分布式電源云服務與大數(shù)據(jù)分析平臺業(yè)務架構、應用架構、數(shù)據(jù)架構及物理架構,用于支撐不同地區(qū)、不同用戶的定制化服務和平臺的智能化管理。文獻[13]依托北京延慶智能電網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)建設工程,結合當?shù)匦履茉吹慕Y構組成特點,構建了應用于城市能源互聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)框架模型,分析了分布式智能管理和開放式的公共服務模式,為未來城市能源互聯(lián)網(wǎng)的管理和商業(yè)模式提供了新途徑。文獻[14]針對電網(wǎng)系統(tǒng)中存在的設備用戶種類繁多、特性存在差異大等問題,對配電網(wǎng)實行全景監(jiān)測的系統(tǒng)架構,將軟硬資源層作為基礎,數(shù)據(jù)整合層進行數(shù)據(jù)收集,業(yè)務邏輯設計及數(shù)據(jù)分析層進行數(shù)據(jù)分析,功能實現(xiàn)層完成不同角度、場景的功能任務,從而實現(xiàn)多維度全景立體監(jiān)測,為配電網(wǎng)的規(guī)劃、建設和運維提供決策依據(jù)。針對電網(wǎng)規(guī)劃過程中不確定因素的數(shù)學模型類型不一致情況,文獻[15]提出了考慮可再生能源出力概率模型和預測負荷區(qū)間模型的輸電網(wǎng)規(guī)劃方法。該方法涉及的模型使用大數(shù)據(jù)并結合相關函數(shù)和算法建立,體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)技術在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用。
大數(shù)據(jù)的分析處理技術是能源互聯(lián)網(wǎng)建設進程中至關重要的環(huán)節(jié),關系到能源互聯(lián)網(wǎng)能否真正實現(xiàn)“替代、互聯(lián)、對等、開放、協(xié)調(diào)、智能”。我國對能源大數(shù)據(jù)的相關研究尚處于落后階段,迫切需要加大發(fā)展力度,開展相應課題研究,建設一系列示范標準,以趕超世界能源互聯(lián)網(wǎng)研究水平。