主動配電網(wǎng)背景下的邊緣計算應(yīng)用探討

李星舉，劉廣學(xué)，韓亞軒，王秋漫，李春赫

（國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

以光伏、風(fēng)力為代表的分布式能源發(fā)展和應(yīng)用進入新階段?；凇霸?荷-儲”架構(gòu)的新型微電網(wǎng)對于有源配電網(wǎng)技術(shù)的需求日益凸顯。主動配電網(wǎng)以靈活網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、精確管理模式和良好包容能力等特征迅速被提出并得到廣泛研究討論。主動配電網(wǎng)作為典型信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）在電力領(lǐng)域研究與實施的不斷深化，用戶依靠數(shù)據(jù)化、云化、智能化賦能，獲得電力水平顯著提升[1]。然而，目前配電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的異構(gòu)性、電力數(shù)據(jù)有限的存儲能力和供用電設(shè)施的分散管理已經(jīng)日漸成為制約主動發(fā)展的關(guān)鍵因素，這同樣也是電網(wǎng)仍舊為自動化而非智能化的重要原因[2-3]。

目前已經(jīng)開展的研究梳理如下：在電網(wǎng)數(shù)據(jù)融合方面，龔鋼軍等運用邊緣計算技術(shù)設(shè)計了一種主動配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)方案，提出基于邊緣計算的主動配電網(wǎng)的PTN物理架構(gòu)模型；程浩原等從仿生學(xué)角度入手，提出以“細(xì)胞-組織”視角的能源互聯(lián)網(wǎng)分布式自治系統(tǒng)，并著重總結(jié)了能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和研究難點，并提出能源路由器等物理設(shè)備在SoS（system of systems）概念下的全新意義；徐彬泰等提出了基于協(xié)作智能與子梯度優(yōu)化算法的電力業(yè)務(wù)差異化QoS路由策略，保證電力通信網(wǎng)對于未來承載大顆粒視頻/圖像、邊緣計算、設(shè)備通信接口全IP化帶來的業(yè)務(wù)差異化QoS的保障能力。

本文在簡要回顧主動配電網(wǎng)基本原理的基礎(chǔ)上，首先搭建了基于邊緣計算的主動配電網(wǎng)核心框架，并以此梳理主動配電網(wǎng)建設(shè)思路，重新評估主動配電網(wǎng)關(guān)鍵組件和支撐技術(shù)，驗證了主動配電網(wǎng)建設(shè)架構(gòu)的可行性和完備性，最終為探索建立綜合能源服務(wù)市場進行了展望。

1 主動配電網(wǎng)

主動配電網(wǎng)是應(yīng)用邊緣計算技術(shù)等新型ICT技術(shù)對傳統(tǒng)配電網(wǎng)架構(gòu)——配電主站層、配電子站層和配電終端層進行架構(gòu)融合，改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)單向管控模式，改進為更加符合實際情況的有源配電網(wǎng)。

目前，主動配電網(wǎng)的技術(shù)研究主要集中在配網(wǎng)設(shè)備鏈接入云和云端管控調(diào)度策略下發(fā)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)與ICT技術(shù)融合方興未艾。由于籌建云計算、云存儲等云服務(wù)需要投入大量人力、財力、物力進行研發(fā)和運維，因此目前的主流方式為合作或購買的方式，使用諸如阿里云、華為云、AWS（亞馬遜云）等大型公司的云服務(wù)。然而，由于受貿(mào)易保護、經(jīng)貿(mào)摩擦等反全球化因素影響，作為關(guān)系國計民生的重點能源企業(yè)，部署更加靠近用戶側(cè)、減輕網(wǎng)絡(luò)流量符合、降低云端依賴的邊緣計算技術(shù)顯得尤為重要。

2 邊緣計算核心設(shè)計

2.1 邊緣安全架構(gòu)

云服務(wù)的核心價值在于降低企業(yè)運營成本，邊緣服務(wù)的核心價值在于同步實現(xiàn)物理安全、運行安全、數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全。針對邊緣安全性，高潔等人研究通過搭建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的DAG（Directed acyclic graph）雙鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)邊緣計算的服務(wù)化封裝，進而提高數(shù)據(jù)冗余性和安全性、增強用戶數(shù)據(jù)異步并發(fā)備份存儲獲得可靠路徑[7]?？梢灶A(yù)見，伴隨配電物聯(lián)網(wǎng)的全面展開，邊緣側(cè)安全管理水平會不斷增強。

面對復(fù)雜應(yīng)用場景，一些列解決方案被研發(fā)并提出：在物理實體方面，作為主動配電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)施，邊緣側(cè)設(shè)備安全將上升至與配電設(shè)施、用戶設(shè)施同等重要的地位，其中物理不可克隆函數(shù)（PUF）作為物理硬件安全設(shè)計方案，可有效抵御功耗分析技術(shù)、電磁分析技術(shù)、時間分析技術(shù)等形式的攻擊。在工程實踐中，往往諸如DAG采用隨機數(shù)生成器、加解密計算和密鑰存儲與區(qū)塊鏈技術(shù)融合的方式進行安全保障，確保電能的發(fā)、輸、變、配、用、儲始終運營在可靠安全框架內(nèi)。

2.2 邊緣計算架構(gòu)

主動配電網(wǎng)的邊緣主要是相對于云數(shù)據(jù)中心的邏輯層面的邊緣，是一種在4G向5G發(fā)展過渡期間的云邊緣化解決方案。如同5G通信技術(shù)研發(fā)落地的時間周期，配電網(wǎng)、微電網(wǎng)以及種類繁多的用戶設(shè)備的廣泛聯(lián)網(wǎng)同樣需要分步走的實施計劃，綜合用戶需求和電網(wǎng)實際，重新梳理邊緣計算架構(gòu)的三項關(guān)鍵部分——服務(wù)器、異構(gòu)計算、虛擬機和容器，可以清晰的確定實現(xiàn)配電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)化的有效路徑[8]。

2.3 邊緣存儲架構(gòu)

邊緣存儲是保證用戶數(shù)據(jù)安全以及清晰界定數(shù)據(jù)資產(chǎn)權(quán)利的重要部分。從電網(wǎng)企業(yè)、用戶方、監(jiān)管方的存儲場景來看，邊緣存儲分為對象存儲、文件存儲和塊存儲；從數(shù)據(jù)存儲的邏輯層面來看，邊緣存儲分為集中式存儲和分布式存儲（HDFS）；從用戶角度來看，存儲結(jié)構(gòu)的可視化與資源管理的便捷性必須優(yōu)先保證，同時，邊緣存儲數(shù)據(jù)利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以清晰記錄數(shù)據(jù)的流向和復(fù)制的次數(shù)，進而保證用戶數(shù)據(jù)在匿名后被數(shù)據(jù)公司使用、持續(xù)創(chuàng)造更大價值。

基于邏輯上更靠近用戶的邊緣存儲服務(wù)可以更加有效可靠地建立數(shù)據(jù)分發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并將用戶的數(shù)據(jù)訪問需求從云端轉(zhuǎn)移到邊緣側(cè)，將有效降低網(wǎng)絡(luò)帶寬資源占用。

3 配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

長期以來，配電網(wǎng)自動化被確定為堅強智能電網(wǎng)的重要特征，通過PMS系統(tǒng)、現(xiàn)場作業(yè)系統(tǒng)、安監(jiān)一體化系統(tǒng)、“一分雙無”、各項營銷服務(wù)APP平臺上線運行等營配調(diào)貫通手段，基本實現(xiàn)了66kV及以下電網(wǎng)、縣區(qū)級電網(wǎng)的配網(wǎng)自動化升級改造。然而，隨著“三供一業(yè)”供電分離移交、新能源并網(wǎng)發(fā)電、優(yōu)質(zhì)服務(wù)細(xì)粒度升級、大規(guī)模電動汽車作為分布式儲用單元參與電網(wǎng)削峰填谷等工作推進，用戶對于配電網(wǎng)進一步實現(xiàn)態(tài)勢全面感知、信息高效共享、應(yīng)用便捷靈活的需求日益迫切。

圖1 智能配電變壓器終端

圖2 配網(wǎng)震動傳感器

智能配電變壓器終端、智能電表、無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是主動配電網(wǎng)端側(cè)的三大核心要素，目標(biāo)是完成數(shù)據(jù)有效采集、電能準(zhǔn)確計量、信息可靠傳輸，用能低碳經(jīng)濟、能源互聯(lián)。目前，配電網(wǎng)集中在臺變、線路以及用戶端部署、改造和升級對應(yīng)一次設(shè)備、二次設(shè)備智能采集端口，需解決新增端口多、設(shè)備數(shù)量大、安裝范圍廣、施工難度高等問題，增加地理信息系統(tǒng)（GIS）、氣象信息系統(tǒng)、災(zāi)備報警系統(tǒng)、能源互聯(lián)接口、低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）、故障自處理以及無人巡檢系統(tǒng)等，最終實現(xiàn)配電網(wǎng)運行狀態(tài)、位置信息、環(huán)境狀況、視頻數(shù)據(jù)、專家診斷等功能。

圖3 智能電表繼電器接口電路

圖4 桿塔式氣象傳感器

智能配電變壓器終端需要成為主動配電網(wǎng)端側(cè)的信息中心。用戶用電設(shè)備全壽命周期管理、多任務(wù)協(xié)同監(jiān)測、用戶信息個性化定制等綜合能源生態(tài)構(gòu)建，支撐邊端智能協(xié)同、業(yè)務(wù)融合、自主決策、資源互通等新興業(yè)務(wù)落地，努力保持電能商品屬性和生產(chǎn)要素屬性，最大限度滿足用戶市場預(yù)期。

智能電表需要成為主動配電網(wǎng)端側(cè)的能源路由器。符合3GPP統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和IR16國際建議、應(yīng)用IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、滿足NB-IoT、CoAP、HPLC等面向物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議等，具備即插即用、通信可靠、共融、多芯模組化的物聯(lián)網(wǎng)級智能電表的地位越來越重要。目前，各省市供電公司都在加緊部署終端層、網(wǎng)絡(luò)側(cè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要成為主動配電網(wǎng)端側(cè)的基礎(chǔ)網(wǎng)架。配電網(wǎng)由于布設(shè)在城區(qū)、城郊、鄉(xiāng)村、山地、田野等各類地域，同時需滿足無人工抄表、繼電保護、故障定位、自動化恢復(fù)等功能，除在線監(jiān)測配用電設(shè)備電壓、電流、電量、線損等信息外，還需要不間斷感知配用電設(shè)備所處空氣質(zhì)量、污穢等級、風(fēng)力風(fēng)速等環(huán)境信息，進而確保主動配電網(wǎng)整體的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確錄入、安全可靠運行、調(diào)控智能自主。

4 結(jié)語

主動配電網(wǎng)正處于初步建設(shè)階段，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化的雙向推動，讓基于用戶實際需求和合理預(yù)期，進行配電網(wǎng)建設(shè)、運行、維護、升級成為可能。得益于能源服務(wù)形式和渠道日新月異，供電公司的售電量和利潤呈現(xiàn)逐年攀升趨勢。然而，從國內(nèi)三大運行商的發(fā)展經(jīng)驗可以得知：按照流量收費的模式，無法保持公司永續(xù)發(fā)展，更無法滿足廣大用戶的需求。基于此，本文對主動配電網(wǎng)在配網(wǎng)市場發(fā)展的進行了預(yù)測，并據(jù)此提出以邊緣計算為分布式感知、決策核心，云端為人工智能模型訓(xùn)練、分發(fā)核心，區(qū)塊鏈為保障用戶數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全核心的配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)?？梢灶A(yù)見的是，面對有效消納可再生能源的電力現(xiàn)貨、期貨市場建立和能源交易平臺框架設(shè)計，進而重新定義電力市場格局的研究亟需加快，這些領(lǐng)域需要在今后的研究中逐一解決。