淺談泛在電力物聯配電網拓撲范文

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摘要：泛在電力物聯網建設從感知層、網絡層、平臺層和應用層入手，整合運用傳感器技術、電力電子技術、自動控制、云計算、智能終端等新技術，是落實國家電網公司“三型兩網、世界一流”戰略目標的核心任務。本文從泛在電力物聯網的建設目標出發，聚焦配電網應用場景，分析其網絡拓撲結構。結合能源互聯網背景下提出的職能能量路由器設備，提出新型泛在電力物聯配電網拓撲。針對物聯網帶來的海量數據，提出獨立于現有配電網中用來傳輸控制或度量信號的通信網絡的用戶數據信息網。最后，逐層簡要梳理關鍵技術，并對提出的泛在電力物聯配電網拓撲的應用前景進行展望。

關鍵詞：泛在電力物聯網；配電網；智能能量路由器；拓撲；三維設計；中臺

1泛在電力物聯網的概念及框架

泛在物聯網是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息互聯和交互。而泛在電力物聯網是指電力用戶及其設備、電網企業及其設備、發電企業及其設備、供應商及其設備、以及人和物的信息互聯和交互[1]。從技術視角看，泛在電力物聯網的基本架構包括4個層次：感知層、網絡層、平臺層和應用層[1]。感知層實現各級發輸變電系統、電力用戶等參與方的實時數據采集；網絡層實現能源網絡與信息網絡的有機融合；平臺層實現數據的集中管理和整合分析，達到標準及接口統一的目標；應用層在大數據分析的基礎上，實現各類“發輸變用”電服務。

2現有智能配電網拓撲

2.1傳統智能配電網

圖1所示為初步實現了電網智能化的微網拓撲。可見大量電力電子設備的應用，極大程度地提升了微網內能力流動的自由度。多種可控的電力電子變換器為新能源并網、電能質量提升提供了解決方案。然而，基于此種拓撲下的微網，信息通道的主要作用是傳輸測量、計量信號和發送控制命令，其拓撲為點對點或者放射狀。此外，由于區域內負荷形式、新能源類型等差異化因素，往往造成交、直流母線相對獨立。

2.2基于能量路由器的智能配電網

圖2所示為2010年前后，國內外的一些高校和研究機構提出的基于“能量路由器”“分布式能源”和“智能控制策略”的狹義能源互聯網拓撲，也可以理解為是微網層面的能源互聯網。其中，智能能量路由器（SmartEnergyRouter,SER）的參與，可以使微網內部交、直流母線并存，所有電源、儲能和負載均可連接至直流母線。這類拓撲的瓶頸在于，如果SER環節出現故障，整個微網將面臨全面癱瘓的危險，在交流母線側增加可供接入微網的冗余電力電子變換器可以提升網絡的可靠性，但也增加了投資。基于此種拓撲，信息流在原本放射狀的基礎上增加了變換器間的橫向互聯和不同控制層級間的聯系。但要注意的是，因受連接帶寬等限制，并非所有數據都形成閉環回路。

3泛在電力物聯配電網拓撲

3.1泛在電力物聯配電網的研究背景

3.1.1電網發展向用戶側滲透的客觀要求智能配電網作為用戶數據的感知前端，對于用戶數據采集有不可替代的作用。目前，國家電網公司擁有世界最大的電網規模，建立了龐大的電網運行系統，已接入智能電能表等各類終端5.4億臺，日采集數據量超過60TB；車聯網接入充電樁超過28萬個，電商平臺注冊用戶2.25億[1]。一方面，這都是國家電網公司建設泛在電力物聯網的堅實基礎；另一方面，如此龐大的數據量，僅依靠現有電網中的通信網絡是無法實現傳輸和存儲的。同時，由于更多類型的電源、負責接入電網，其產生數據的格式、結構多樣等因素導致的信息貫通及溯源能力不足的問題也日益明顯。隨著電網信息化的日益深化以及當代企業對數字化的依賴日益加深，迫切需要在電網建設，尤其是配電網建設過程中融入物聯網技術，提升對用戶需求的反應速度和響應能力。

3.1.2互聯網思維對現有電網管理模型提供了新的思路借鑒一些互聯網公司的思維，可以構建企業中臺應對新業務帶來的管理問題。中臺概念出現之前，在信息化模式上，前端為支撐業務的應用端，后端為各個應用系統，為前端提供服務。但隨著市場、用戶需求、業務的多變性，底層僵硬的應用無法及時提供支撐。企業需要一個強大的中間層為高頻多變的業務提供支撐，為不同的受眾用戶提供多端訪問渠道，基于“大中臺、小前臺”的信息化建設模式開始流行。企業中臺可以由接近后臺至前臺依次分為：基礎中臺、技術中臺、數據中臺和業務中臺。基礎中臺也稱PaaS（PlatformasaService）容器，關鍵字為容器集群管理和敏捷開發。技術中臺、數據中臺和業務中臺可以視為是在各自維度連接底層服務或屬于和上層感知信息的紐帶。有相關文獻指出，中臺概念較為適合具有眾多子公司、業務面較廣的行業龍頭型企業。

3.1.3傳感器、智能移動終端等技術的快速發展為電力物聯網的落體提供條件近幾年，傳感器、智能終端、數據挖掘算法、電力電子設備等電網新技術得到了長足發展。這些技術為智能配電網的信息采集、數據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。逐步上線的企業級數據中心，也為信息的貫通應用提供了物理基礎。

3.2泛在電力物聯網的電網拓撲

圖3為本項目提出的，引入泛在互聯概念的電力物聯網拓撲，其能源網絡拓撲與圖2一致，但信息網絡向用戶數據滲透。如果說，智能電網和全球能源互聯網將電網端的智能化水平極大提升，泛在電力物聯網的建設將著眼于“用戶（包括發電及用電）”端的數據網絡，并形成與電網端的有機互聯。如圖3中所示，各類電源、儲能和負載對象時刻在產生運行數據，其積累將使網內數據量呈指數級增長。泛在電力物聯網中的信息傳遞對象不再如前文所述為電網電量信息和控制指令，同時需要建設獨立的用戶用電信息網絡。之所以要求獨立，一方面是因為原本控制指令等數據的傳遞頻率和可靠性要求遠遠大于用戶信息，獨立建設網絡相較于擴展原網絡帶寬可以降低成本；另一方面因為原網絡的帶寬將遠遠不能滿足用戶數據的數據量要求。同時，微網的上級信息網將于新建的數據中心互聯，并建立與其他形式能源欣喜網的聯系。數據中心和用戶數據網絡將為能源金融、能源服務、能源交易和能源網絡自身優化提供軟硬件基礎。在這樣的網絡拓撲中，各類數據結構、數據接口的統一，以及多源數據使用時的溯源仲裁將成為關鍵技術。2017年，國家電網公司提出全面應用三維設計的要求，其意義之一便是實現“數據貫通”和建設“數字國網”，以求實現“數據一個源、電網一張圖、業務一條線”的整合目標。將三維設計成果作為信息網絡的數據載體，是梳理和統一各方面數據的關鍵環節。

3.3泛在電力物聯網的通信網絡

如圖4所示為本項目提出的微電網內的數據整合框圖。在泛在電力物聯網時代，數據應該在一定程度上呈現出閉環結構，即數據的感知層也就是數據的應用層，數據的發出者也就是數據的使用者。下面針對圖4自下而上進行闡釋。在感知層，多種多樣的傳感器和現有的存儲單元離散地貫穿電網資產的全生命周期始終。創新地提出安照數據的生命周期進行分類討論，即將數據劃分為“固態數據”和“動態數據”。顯然，電網資產的基建信息，如設計數據、施工數據等均為固態數據，此類數據的特點是一次錄入后長時間內不會發生改變；諸如電網的調控數據、SCADA實時采集的數據等都是動態數據，此類數據需要實時更新，通常也要求系統及時響應；另外，微網內的用戶數據以及來自其他網絡的數據，因在微網內采用“增量更新”，故數據動態也更新，但這類數據的更新實時性要求并不像控制信號等工程動態數據那么高，可以采用定期更新的形式。在存儲層，固態數據以內網云的形式，存儲在邊緣服務器上（設計單位的工程服務器等），需要傳輸時，系統動態分配帶寬。對于需要快速響應的工程動態數據，需要時刻在存儲空間內預留滿足其更新的空間，并架設專用的傳輸線路以保證其實時性。當動態數據得到響應后，將被移入備份區，備份區采用云存儲，根據數據類型不同，定期（幾天至幾年）清理更新。動態數據在備份區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，在將數據以此邏輯整合后，微網系統內的存儲空間傳輸帶寬可以得到合理優化。類似于手機的RAM和ROM：ROM使用權限低，用于存儲固態數據和備份區的數據；RAM使用權限高，但僅用于存儲動態數據。在處理層，由于在存儲層運用了邊緣計算技術，數據以標準的數據結構傳輸到本層，中心數據庫無需再對數據進行預處理，可直接進行核心功能的計算。減輕了處理層對服務器軟硬件的壓力。在應用層，從圖4可以看出，一部分的終端應用和感知層存在著重疊。這是因為在萬物互聯時代，信息的流動應該是雙向的，數據的發出者，也就是數據的核心使用者。以智能家居為例，各種家用電器既是用戶信息的收集終端，也是最終相應智能處理器對數據分析后所發出命令的執行終端。反觀微網環節也是如此，網絡中的各種智能傳感器既是電網數據的提供者，同時也可以作為為用戶提供綜合能源服務的終端。

4泛在電力物聯配電網關鍵技術

4.1感知層關鍵技術

4.1.1智能能力路由器研制SER實際是電力電子變壓器（PowerElectronicTransformer,PET）在配電網中具體應用，其研制包括設備研制和響應的控制策略研究。目前，國內外已有多所高校、企業或研究機構了的PET樣機[7—8]。但由于受到半導體期間耐壓等級、電路拓撲等因素限制，其電壓等級一般低于10kV，容量一般為幾百kVA至幾MVA。因此，此類電力電子裝置的應用實例多數集中在軌道交通領域。對于面向智能配電網的SER還需要解決如下問題：提高系統運行效率，主要為電力電子期間的開關損耗；提高系統穩定性；提升運行電壓等級和容量。

4.1.2智能傳感器或終端技術目前，智能變電站已基本實現對電氣設備參數的全面測量。隨著實物ID相關新技術和管理手段的應用，電網企業可以實現對自身資產的全生命周期感知。面向用戶的智能傳感器不僅需要考慮信息采集的準確性與實時性，還需要考慮設備本身的造價、體積和傳輸過程信息安全保障措施等因素。

4.2網絡層關鍵技術

本文提出的泛在電力物聯配電網網絡層中，對于電網調度、控制信號與用戶數據采用相互獨立的傳輸網絡。調控信號依然利舊采用現有的基于光纖等的高可靠性傳輸介質進行傳輸；用戶信息采用基于5G通信及窄帶物聯網技術（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）的新興通信技術傳輸。其中，NB-IoT技術由華為公司在2014年提出，聚焦于低功耗覆蓋物聯網市場，具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低等特點，可以與現有網絡共存，實現平滑升級。海量的用戶數據在傳輸過程中的安全保障，是下一階段的研究重點之一[9]。

4.3平臺層關鍵技術

國家電網公司已著手構建全業務企業級數據中心，以實現統一輸入輸出數據格式，實現信息“一次錄入，共享使用”的目的。同時，可以借鑒互聯網公司的“企業中臺”思路，充分應用邊緣計算、云存儲等技術，優化信息傳輸和應用效率。對于電網資產數據，在平臺層以三維設計模型為信息載體。模型可分為幾何模型和屬性模型，分別實現資產可視化瀏覽和數據的結構化管理。4.4應用層關鍵技術在泛在電力物聯網建設階段，主要的技術攻關集中在以上三個層級。應用層的關鍵技術集中在對用戶數據進行分析處理后結合具體業務需求所開發的服務。

5結束語

本文泛在電力物聯配電網的拓撲結構進行研究。所提出的配電網拓撲以能量路由器為核心設備，具有靈活可控、交直流混合接入等特點。同時，在獨立于電網信息通信網絡之外，對用戶及設備間的物聯數據建立獨立的通信網絡，在保證電網運行可靠性的同時滿足海量數據的傳輸與存儲。隨著未來電網建設過程中接入系統的多樣性越來越高，尤其是可再生能源大量開發應用，配電網拓撲將有很大的應用空間。

參考文獻

［1］寇偉．公司全面部署泛在電力物聯網建設［EB/OL］．國家電網公司網站，[2019-04-21].

［2］楊東升，王道浩，周博文，等．泛在電力物聯網的關鍵技術與應用前景［J］．發電技術，2019，40（2）：107-114．

［3］楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網技術綜述［J］.中國電機工程學報，2014，34（1）:57-70.

［4］孫宏斌，郭慶來，潘昭光，王劍輝．能源互聯網：驅動力、評述與展望［J］．電網技術，2015，39（11）：3005-3013．

［5］余曉丹，徐憲東，陳碩翼，等．綜合能源系統與能源互聯網簡述［J］．電工技術學報，2016，31（1）：1-13．

［6］黃仁樂，蒲天驕，劉克文，等．城市能源互聯網功能體系及應用方案設計［J］．電力系統自動化，2015，39（9）：26-40．

［8］孫湛冬.面向智能配電網的電力電子變壓器高效率運行研究［D］.北京：中國科學院大學，2016.

［9］戴路，張潔.基于窄帶物聯網技術的車位鎖控制系統設計［J］.軟件導刊，2019,5:5-8.

作者：孫湛冬 靳友豪 單位：北京電力經濟技術研究院有限公司