基于云計(jì)算技術(shù)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)物聯(lián)研究

金旭 黃錕 柴仁勇

摘要：數(shù)據(jù)分析與價(jià)值挖掘是電力企業(yè)處理數(shù)據(jù)信息的核心環(huán)節(jié)，是電力網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)的信息深度融合的目標(biāo)所在。本文論述了電力物聯(lián)網(wǎng)在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心、客戶服務(wù)系統(tǒng)、能源交易市場等場景中的工作機(jī)制。

關(guān)鍵詞：電力物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)管理;運(yùn)行機(jī)理;價(jià)值應(yīng)用

1國內(nèi)外研究綜述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IOT）由Kevin Ashton提出，最初是利用互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)等載體，使具有獨(dú)立使用功能的物品形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[5]。早期物聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò)，隨著技術(shù)革新物聯(lián)網(wǎng)已發(fā)生巨大變化[6]。IOT網(wǎng)絡(luò)及智能設(shè)備的安全問題愈發(fā)受到關(guān)注，研究者對IOT架構(gòu)的主干網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)并研發(fā)出加密機(jī)制來維護(hù)其安全性[7]。移動(dòng)邊緣計(jì)算為IOT服務(wù)提供云計(jì)算功能，以滿足智能設(shè)備接入無線網(wǎng)要求并提高信息吞吐量，增強(qiáng)IOT系統(tǒng)的可靠性與拓展性[8]。Wollschlaeger M回顧了物聯(lián)網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（Cyber-physical system， CPS）對工業(yè)自動(dòng)化所產(chǎn)生的影響，提出對多源異質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互協(xié)調(diào)的必要性[9]。

2電力數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式

現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)承載能力差、智能化、自主化的維護(hù)能力欠缺，已無法滿足電力設(shè)備連接的需求[18]，所以構(gòu)建基于“衛(wèi)星+地面、干線+城域、有線+無線”的多維一體電力通信網(wǎng)勢在必行。低功率廣域網(wǎng)絡(luò)（Low-power wide-area network，LPWAN） 和 5G通信技術(shù)相融合的方式成為電力信息組網(wǎng)的發(fā)展主流。

5G通信借助電網(wǎng)、光纖在未知環(huán)境下低延時(shí)進(jìn)行電力數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對TTU、RTU、PMU等終端單元及輸配電網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為電網(wǎng)設(shè)備的參數(shù)評估、故障分析、拓?fù)浔孀R(shí)提供了個(gè)性化服務(wù)。LPWAN技術(shù)按工作頻譜授權(quán)類型可分為兩類：已授權(quán)頻譜的技術(shù)為NB-IoT、eMTC;未授權(quán)的為LoRa、SigFox、RPMA。

LPWAN與5G技術(shù)可針對設(shè)備高度分散、測量數(shù)據(jù)眾多、采集環(huán)境惡劣等問題做出妥善解決方案，解決電力數(shù)據(jù)的信息傳輸。終端設(shè)備完成電力信息采樣后封裝成數(shù)據(jù)區(qū)塊，借助LPWAN終端射頻模塊進(jìn)入電力通信網(wǎng)進(jìn)行傳播，基站在通信網(wǎng)和配電網(wǎng)的交互過程中起到重要媒介作用，也是接收無線數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星信息號(hào)的重要端口。以電力載波通訊（Power line communication，PLC）為主，光纖傳輸、衛(wèi)星通訊為輔進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建多維一體的電力數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。

3物聯(lián)感知層的數(shù)據(jù)管理機(jī)理

物聯(lián)感知層是電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)層級(jí)，由饋線終端裝置（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）、同步相量測量裝置（Phasor measurement unit，PMU）等無數(shù)個(gè)智能電力數(shù)據(jù)終端構(gòu)成，借助低功耗廣域網(wǎng)（Low-power wide-area network，LPWAN）、5G專網(wǎng)與電力物理信息系統(tǒng)（Cyber physical production systems，CPPS）、電力數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory control and data acquisition，SCADA）、廣域監(jiān)測系統(tǒng)（Wide area measurement system，WAMS）、停電管理系統(tǒng)（Outage management system，OMS）等電力系統(tǒng)進(jìn)行鏈接并提取信息，數(shù)據(jù)涵蓋電力系統(tǒng)的多個(gè)環(huán)節(jié)，使電網(wǎng)末端感知節(jié)點(diǎn)規(guī)模更龐大、數(shù)據(jù)采集種類也更齊全。

4中臺(tái)服務(wù)層的數(shù)據(jù)管理機(jī)理

中臺(tái)技術(shù)是隨著電力物聯(lián)網(wǎng)向集約化平臺(tái)發(fā)展衍生的產(chǎn)物，由基礎(chǔ)、技術(shù)、業(yè)務(wù)三層中臺(tái)構(gòu)成，涵蓋基礎(chǔ)設(shè)備服務(wù)（Infrastructure as a service，IaaS）、平臺(tái)服務(wù)（Platform as a service，PaaS）、數(shù)據(jù)服務(wù)（Data as a service，DaaS）、軟件服務(wù)（Software as a service，SaaS）等四個(gè)子系統(tǒng)， IaaS和PaaS是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，收集匯總智能終端及電力系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)信息;DaaS是技術(shù)支撐層，對電力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、可視化處理等流程;SaaS是管理應(yīng)用層，通過智能合約對電力信息進(jìn)行高質(zhì)量挖掘應(yīng)用，使數(shù)據(jù)相互融合以提供更多信息訪問渠道。

5技術(shù)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)管理機(jī)理

電力物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要針對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要來自于電力物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、電網(wǎng)資產(chǎn)管理平臺(tái)，這類數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)較為統(tǒng)一、變化頻率較低且數(shù)據(jù)應(yīng)用較為便捷;非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要來自分布式能源系統(tǒng)、智慧車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、能源交易中心等應(yīng)用場景，此類電力數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)則、沒有固定模型且波動(dòng)性交強(qiáng)，其信息價(jià)值挖掘與應(yīng)用難度也會(huì)將應(yīng)增加。電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層可根據(jù)各項(xiàng)電力數(shù)據(jù)判斷出整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，生成分析報(bào)告并自動(dòng)對故障進(jìn)行處理。

6電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理的建議與展望

6.1電力數(shù)據(jù)中心增強(qiáng)信息共享水平

在電力物聯(lián)網(wǎng)的支持下電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)了發(fā)電、輸配電、營銷等相關(guān)電力信息及歷史數(shù)據(jù)，電力數(shù)據(jù)經(jīng)過分類清洗、加密整合后應(yīng)用于電網(wǎng)運(yùn)行的信息化服務(wù)，以支持“輸-變-配-用”設(shè)備的廣域連接、數(shù)據(jù)采集，旨在加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息共享水平、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)項(xiàng)目數(shù)字化運(yùn)營。電力物聯(lián)網(wǎng)可使電力數(shù)據(jù)中心與ID/IP化的電力設(shè)備連接交互，實(shí)時(shí)捕捉“廠-線-配-戶”電力設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)?；谥悄茈姳硗?fù)電的上傳信息并結(jié)合供電服務(wù)系統(tǒng)的指揮功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障范圍的自動(dòng)分析研判，改善常規(guī)模式下電力設(shè)備運(yùn)檢狀況知悉困難的窘境。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，電力物聯(lián)網(wǎng)可以對故障進(jìn)行溯源處置并鎖定發(fā)生故障的設(shè)備。

6.2線上服務(wù)系統(tǒng)加快電力業(yè)務(wù)創(chuàng)新

電力物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)采集終端、客戶服務(wù)系統(tǒng)、電力營銷系統(tǒng)與各類智能電器連接并提取用電信息，包括用電力負(fù)荷、用電時(shí)間、繳費(fèi)金額，這些數(shù)據(jù)通過整合、分類、存儲(chǔ)等步驟處理最終形成電力用戶側(cè)大數(shù)據(jù)資源。經(jīng)過用戶授權(quán)后，電力物聯(lián)網(wǎng)可通過大數(shù)據(jù)資源對用戶的用電特征與行為模式進(jìn)行多層次識(shí)別與結(jié)構(gòu)化分析，掌握用戶用電規(guī)律并為其制定精準(zhǔn)化的用電營銷策略，以達(dá)到增加客戶用電粘性、提高電力服務(wù)水平的目的，加快線上客戶服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)對實(shí)現(xiàn)電力信息的“反復(fù)查詢、多次應(yīng)用、多端訪問”具有重要意義。圖5為基于客戶服務(wù)系統(tǒng)的用電數(shù)據(jù)分析模型。此外基于電力物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的APP終端可以提升在線用戶服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智慧能源APP的遠(yuǎn)程智能服務(wù)。

6.3能源交易市場打造數(shù)據(jù)安全平臺(tái)

隨著分布式清潔能源與二次能源占比不斷提高，能源市場逐步由賣方市場轉(zhuǎn)化為買方市場，P2P交易模式也以電力消費(fèi)者為市場主導(dǎo)而備受關(guān)注。根據(jù)中國電力改革的現(xiàn)階段特征及能源交易平臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r，基于電力物聯(lián)網(wǎng)的弱中心化電能交易平臺(tái)可對電力能源進(jìn)行合理配置、消除電能市場壁壘以及鼓勵(lì)有效交易。電網(wǎng)公司、供電企業(yè)及電能產(chǎn)消者通過電力物聯(lián)網(wǎng)支撐的能源交易平臺(tái)充當(dāng)連接橋梁自主進(jìn)行能源交易，“弱中心式”特征減少了平臺(tái)對能源交易過程的調(diào)度干預(yù)，在維護(hù)電力市場秩序的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了P2P能源交易的自主進(jìn)行。平臺(tái)內(nèi)嵌的智能合約可記錄所有交易合同、結(jié)算清單，永久存儲(chǔ)在服務(wù)器上且不被隨意篡改，這樣穩(wěn)定電力市場價(jià)格波動(dòng)以確保電能交易公開透明。

7總結(jié)

本研究通過對電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及電力數(shù)據(jù)管理機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究者希望此成果能為電力物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理的探索提供參考。