摘要
为应对能源互联网发展对配电网的要求,基于“云大物移智”等新一代信息通信技术的配电物联网应运而生,成为能源转型“再电气化”发展的新思路、新模式、新焦点。文章首先论述配电物联网的内涵构想和应用特征,强调其全面感知与软件定义的属性;其次提出由“云、管、边、端”构成的配电物联网体系架构,强化了对“边”、“端”的功能定位与技术创新;然后介绍了未来配电物联网的应用方向,除增强配电网的智能化管控能力外,其也将促成个性化定制、服务化延伸等新型应用模式;最后分析了配电物联网的实施对电力公司、电力用户及社会的重要意义,并根据前期试点成果,提出配电物联网下一步发展的建议。
关键词 :配电物联网;全面感知;软件定义;分布式智能;
(来源：微信公众号 电网技术 ID：dwjs1957 作者：吕军1, 栾文鹏2, 刘日亮1, 王鹏2, 林佳颖2)
0 引言
配电网处于电力系统的末端环节[1-2],面向广大用户,其运行状况直接影响用户体验和供电可靠性。据统计,用户平均停电时间的90%以上是由配电网的因素引起的[3-4]。而近几年备受关注的能源结构调整、产业结构升级和智慧城市建设等又对配电网发展提供了全新的机遇和挑战[5]。
长期以来我国配电网的建设一直在不断推进。20世纪90年代,配电网建设资金短缺,设备技术性能落后,调节手段不足,事故频繁发生,通过调整网络结构、采用先进设备、优化运行技术等方式对配电网进行改造,为实现配电自动化打下基础[6]。2009年国家电网公司开始全面建设智能电网,要求配电网实现实时监控与信息交互、支持不同比重的分布式能源接入[7],除大范围试点配电自动化系统外[8],还建设了生产管理系统[9]、供电服务指挥系统[10]、用电信息采集系统或高级量测体系[11]等信息管理系统。近几年,随着新能源技术[12-13]、配电技术[14-16]、用电能效技术[17-19]、信息通信技术[20-21]的迅速发展,配电网已从单纯的电力网络向智能能源信息一体化方向演变。但是配电网建设仍然面临设备总量大[1]、量测覆盖率严重不足[2]、设施标准化程度低[22]、发展不平衡不充分[23]、可变负荷冲击大[24]、市场化调节机制手段相对较少[25]、用户需求逐步呈现多样化[26]等诸多挑战。
当前,以新能源大规模开发利用为标志,以“再电气化”为路径的新一轮能源革命,正在全球范围深入发展[27-28]。作为能源革命中心环节的电网,从技术特征上看,正向新一代电力系统演进;而从功能形态上看,将向能源互联网演进[23]。在此背景下,传统的配电网管理模式、技术手段,已经无法满足社会经济发展、能源互联网对配电网转型发展的要求,无法满足人民群众美好生活的用电需求。近年来,以互联网为代表的新一代信息通信技术不断发展渗透[29-30],车联网、健康、家居、智能硬件、可穿戴设备等消费市场需求日益活跃[31],为传统产业发展形成以人为中心的、信息物理深度融合的联通互动、数字孪生、虚实交融的新业态指明了方向。能源管理作为互联网技术应用改造的关键领域,亟需在管控手段薄弱的配电网应用互联网理念和“云大物移智”等先进技术[32-33],在实现配电网可观可控的基础上,提升信息数据的集成与应用能力,实现信息系统与配电系统的融合,从本质上提升配电网建设、运维、管理水平,适应精益化的管理要求,快速灵活地适应业务需求变化,满足能源转型“再电气化”需求。因此,配电物联网的理念和解决方案应运而生,并将成为未来产业布局的新思路、新模式、新焦点。
1 内涵和构想
配电物联网是能源转型要求下配电网融合以互联网为代表的新一代信息通信技术的新型发展形态,其概念的提出融合了当前主要的技术进步和行业发展需求,具体包括：
1）物联网。
物联网是感应通信技术、基于IP技术的智能采集技术、容器技术、第五代移动通信技术(5G)、窄带物联网(NB-IoT)等新一代信息技术的高度集成和综合运用[11,31,34]。基于感知、网络、应用3层结构[35],
使更多的设备实现广覆盖的采集、更低成本和低风险的泛在接入,以及更深入的智能控制[36-37],促进生产生活和社会管理进一步向智能化、精细化、网络化方向转变[38]。
2）工业互联网。
工业互联网是新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物,工业互联网平台是制造业数字化、网络化、智能化的重要载体[39-40]。在工业互联网平台架构中,数据采集是基础,对多源信息进行高效采集和云端汇聚;工业PaaS是核心,为工业应用软件开发提供一个基础平台;工业APP是关键,推动技术、经验、知识和最佳实践的模型化、软件化、再封装,实现对特定制造资源的优化 配置[41]。
3）智能电网分布式智能体系。
随着通信和信息技术的进步,电网的管理也由以往的集中式管理向集中式和分布式管理协同的方向发展,把决策能力延伸到电网末端。智能电网分布式智能体系把电网分成许多片(cell),每片中包含许多由片内通信连接起来的智能网络代理(IA),可以对局部控制并作出自主决策,也可以经片内的协调做出决策,如图1所示[42]。同时各片之间,以及配电调度中心和输电调度中心之间也通过通信联接,根据整个系统的要求协调决策,实现跨地理边界和组织边界的智能控制,使整个系统具有自愈功能[3]。
4）基于IP技术的电网设备监管。
对电网设备和资产运行状况实时监管,从而保障电网的安全可靠运行以及电网资产的高效健康利用,是各电力公司追求的终极目标。互联网技术的普及为这一目标的实现奠定了基础。基于成熟的IP技术和工具(如IPv6的网络通信技术),电力公司可以部署配电设备和网络元件的监控和管理系统,实现全部配电设备在统一的网络视图下纳入集中统一管理,具备远程状态实时监控和故障事件收集记录、故障点定位和排查、智能设备的身份验证和登录准入等功能,有效降低配电网运行和维护的复杂程度[43]。
图1 分布式的智能电网智能体系结构Fig. 1 Architecture of distributed smart grid
5）软件定义。
软件定义是在物理资源虚拟化的基础上,通过管理任务可编程实现灵活、多样和定制的系统功能,从而实现软件对物理硬件设施与系统的赋值、赋能和赋智。目前,软件定义已经延伸出了多种概念和技术,包括软件定义网络、存储、计算、环境、数据中心等,为人、机、物融合下的各种资源全方位互联互通提供了坚实的理论技术基础[44]。
6）信息物理融合建模。
信息物理系统(cyber physical system,CPS)是实现计算、通信以及控制技术深度融合的下一代工程系统,更强调全面的信息获取和利用,因而融合建模是其研究重点。通过对应用领域信息模型与服务的抽象与规范,以及通信服务的映射,支持端到端的发布与定义机制,满足不同应用服务需求[45]。
上述技术和应用均是互联网根据不同的应用需求发展而成的具有不同侧重的产业和技术形态。配电物联网将其应用于电力、能源领域,充分吸收物联网的泛在感知和IP通信的特点、工业互联网的泛在计算技术(平台+APP),并融合分布式智能体系把智能代理分布于电网不同层点的设想,引入云计算和边缘计算相结合的分布式智能协同工作的理念,借鉴软件定义构想和信息融合建模,实现对配电网络和资产的全面感知和监管,形成了自己独特的内涵：
配电物联网是传统工业技术与物联网技术深度融合产生的一种新型电力网络运行形态,通过赋予配电网设备灵敏准确的感知能力及设备间互联、互通、互操作功能,构建基于软件定义的高度灵活和分布式智能协作的配电网络体系,实现对配电网的全面感知、数据融合和智能应用,满足配电网精益化管理需求,支撑能源互联网快速发展,是新一代电力系统中的配电网的运行形式和体现。
2 应用特征
在应用层面上,配电物联网具备以下特征：
1）状态全面感知。
在配变、分支箱、户表、充电桩、分布式能源等关键节点应用低成本的智能识别和感知技术,对配电网设备及线路进行数据采集和监控管理;同时建立统一的信息模型和映射机制,促进各类设备与应用在IP网络的无缝对接,即插即用,通过广泛互联,实现端到端及端到云的互联互通互操作,为构建安全、标准、兼容、可靠的支持多种业务融合的新型配电网运营系统提供数据通信基础。
2）分布式智能部署。
在云主站部署基于机器学习和深度学习框架的集中式数据计算,同时赋予终端设备部署快速、算法简便的边缘计算和就地管控能力,促使二者在网络、业务、应用和智能方面进行深度协同,使配电网具备分布式智能以及各级智能自治/协同的能力。通过云-端协同,实现系统的快速决策和响应。
3）软件定义系统。
将软件定义与数据科学、人工智能技术深度融合,形成包括软件定义主站、软件定义网络、软件定义终端在内的产业链,通过软硬解耦,实现业务快速迭代,打破原有封闭、隔离、固化的管理模式,构建扁平、灵活、高效的新型业务系统形态。
4）应用模式升级。
通过建设包括资源管理、数据建模及分析、应用开发等功能在内的核心和共性技术,实现配电技术的模型化,提高应用服务开发效率,促进现有配电业务的增量型和进化型改进,并创造出更多基于物联网理念的应用,促成新的产品和服务模式,拓展新的发展方向。
5）业务快速迭代。
针对业务需求,基于配电终端硬件平台化的基础,以软件定义的方式,在配电终端及主站实现业务服务的快速灵活部署,满足配电网形态多样和快速变化的业务需求。
6）资源高效利用。
基于云-端协同的分布式智能架构,实现系统计算、网络、存储等资源的统一管控、弹性分配,提高数据、通信、计算等各方面资源的整体配置
效率。
3 体系架构
按照配电物联网的构想,依据软件定义的原则和可靠性、经济性、扩展性、标准化、智能化等方面的需求,本文提出了配电物联网的整体架构,如图2所示。区别于传统物联网感知层、网络层和应用层的3层架构,配电物联网架构整体上可划分为“云、管、边、端”4个部分。
3.1 端
“端”是配电物联网架构中的状态感知和执行控制主体终端单元,其利用传感技术、芯片化技术,实现对配电设备运行环境、设备状态、电气量信息等基础数据的监测、采集、感知,突破了低压配电网不可观测的限制,也扩大了中压配电网的量测覆
盖范围,是实现配电物联网的基础;同时,“端”也是配电网保护、控制操作的末端执行单元,支撑配电网可靠运行操作动作的执行。不同于传统终端软硬件绑定的设计思路,“端”层设备采用通用的硬件资源平台,通过APP以软件定义方式实现业务功能,基于面向对象的设计方法,提高程序开发效率和可扩展性,降低维护难度及各APP之间的耦合性,便于业务快速部署和扩展。“端”层示意图如图3所示。
图2 配电物联网架构Fig. 2 Architecture of D-IoT
图3 “端”层示意图Fig. 3 Diagram of terminal layer
3.2 边
“边”是一种靠近物或数据源头处于网络边缘的分布式智能代理,就地或就近提供智能决策和服务。“边”和“端”从物理的角度上可以是一体化的,例如正在部署的智能配变终端具备开放式的软件平台,提供互联、业务功能,是“边”和“端”的融合体。但同时,从逻辑架构的角度来看,“边”是独立存在的,通过软件定义的方式,实现终端侧硬件资源与软件应用的深度解耦,在无需硬件变更的情况下满足配电台区不断变化的应用需求,大幅拓展了包括智能配变终端在内的各类终端的功能应用范围,并且从计算资源的角度,在终端侧增加了边缘计算的层级,实现感知数据的本地化处理,促进了“端”层的边缘计算与“云”层的大数据应用高效协同,提升了配电网整体计算能力。“边”层示意图如图4所示。
3.3 管
“管”是“端”和“云”之间的数据传输通道,
通过软件定义网络架构实现多种通信方式融合的网络资源综合管理与灵活调度,提升网络服务质量,满足配电物联网业务灵活、高效、可靠、多样的基于IP的通信接入需求。配电物联网的“管”层主要包括远程通信网和本地通信网2个部分,如图5所示。
1)远程通信网。主要满足配电物联网平台与边缘节点之间高可靠、低时延、差异化的通信需求,属于广域通信网的范畴。
2)本地通信网。支持多种通信媒介、具备灵活组网能力,主要满足配电物联网海量感知节点与边缘节点之间灵活、高效、低功耗的就地通信需求,属于局域网范畴。
图4 “边”层示意图Fig. 4 Diagram of edge layer
3.4 云
“云”是云化的主站平台。在满足传统配电自动化系统、设备资产管理系统数据贯通、信息融合的基础上,未来的主站平台将采用虚拟化、容器技术、并行计算等技术,以软件定义的方式实现云主站对边缘侧计算、存储、网络资源的统一调度和弹性分配;采用云计算、大数据、人工智能等先进技术,实现物联网架构下的全面云化,最终具备泛在互联、开放应用、协同自治、智能决策的特点。“云”层可以分为如图6所示的3部分：
1)IaaS层。实现云-端资源虚拟化,形成计算资源池,按需分配调度。
2)PaaS层。实现数据标准化,为应用提供运行环境支撑。PaaS层各环节以服务方式发布,提供各数据源从采集到应用的业务支撑,并支持自上而下的各环节服务接口调用。
图5 “管”层示意图Fig. 5 Diagram of channel layer
图6 “云”层示意图Fig. 6 Diagram of cloud layer
3)SaaS层。实现应用服务化,提供多种面向业务需求的微服务。
综上所述,基于“云、管、边、端”架构的配电物联网为配电网运行和管理提供强大的基础设施支撑和对内外部需求变化的灵活的适配能力。为抵御配电网与互联网技术的跨界融合面对的各种潜在安全风险,配电物联网将构建“云”层安全防护为核心、“网”层安全防护为关键,“边”及“端”层加密全覆盖的全方位、轻量化、层次化的安全防护体系,确保配电物联网的安全实施。
4 应用方向
与以往基于业务设计的网络不同,配电物联网是一种使能技术,将发挥其架构优化和灵活性的技术优势,满足多样化需求。除提升配电网的智能化管控外,还将促成新颖的应用模式。目前,物联网技术的实施正呈现指数式增长,需要在不断尝试和改进中探索其价值所在,从概念验证走向规模化应用。随着数据量、合作方、应用场景的丰富,配电物联网的体量将会逐渐变大,可望最终形成颠覆性突破,实现源于服务的巨大收益。
4.1 智能化管控
1）资产管理。
利用成熟的IP技术和工具,实现对电网设备和网络元件的实施监测和远程管理。根据设备运行信息、停运状态信息、负载状态信息、天气预报数据,感知设备运行状态,对明显异常数据进行自动识别与告警,主动评估配电网设备健康状态及寿命情况,辅助配电网运维检修工作,降低检修成本,提高配网资产管理和设备利用率。
2）主动抢修。
综合利用配电网运行全面感知及监测数据,结合网络拓扑信息,考虑人员技能约束、物料可用约束,通过智能的优化算法,制定抢修计划,变被动抢修为主动服务,提高故障抢修效率与优质服务水平。
3）区域能源灵活组网。
利用物联网技术,将一个或多个以配电台区为自然单位的区域配电网弹性互联,灵活定制组网,构建区域能源管理平台,实现配电网之间的时空能源协调互补,为区域配电网提供全新的协作和优化手段,为每个用户提供智能准确的分布式发电、蓄能和用电三位一体的平衡服务。
4.2 定制化应用
1）需求响应。
分析不同用电设备的用电特性,以及不同用户对电价的敏感性,为制定需求管理/响应激励机制提供依据。除用户需求外,还需要考虑电动汽车和可再生能源的自动需求侧响应,根据实时负荷情况做出平衡资源的决策,解决长期供电电量与瞬时电力负荷不平衡的问题。
2）第三方应用集成。
通过提供开发工具、开发环境和微服务组件,吸引第三方开发者向平台聚集,将资源汇聚共享,形成一系列面向配电网特定地区、特定阶段、特定用户的应用服务,不断为配电物联网注入新的价值。通过多方利益相关者的广泛参与,打造配电物联网生态系统。
3）服务快速部署。
基于面向多种业务需求的可重复使用和灵活调用的微服务,提高开发、测试和部署效率;建立用户对需求的分析体系,挖掘用户深层次的需求,形成对用户的预知性判断,快速满足用户潜在需求,实现从原有的单一服务向持续满足并激发用户新需求的方向转变。
4.3 服务化延伸
1）平台延伸服务。
基于配电物联网平台,建立远程运维管理系统、能源管理系统、本地管理系统等多个系统,提供配网智能设备的实时监测、远程诊断与在线运维服务,实时掌管设备运行和利用状况,及时获取报警和预警信息,并实现电子化运维管理流程,创新服务价值,促进电力企业的服务化转型。
2）数字信息延伸服务。
基于物联网平台,提出包括数据存储、数据处理、数据服务、咨询服务在内的信息服务,让更多用户无需注意底层数据问题,专心挖掘数据价值,也为政策制定、企业决策、个人生活提供服务。
3）应用延伸服务。
随着技术的不断成熟和生态的逐渐完善,配电物联网的应用价值将从效率提升延伸到与服务交融,应用的范围将超越内部效率的提升,基于物联网的服务应用逐渐增多,并涌现出B2C、C2B、O2O等新的商业模式。
5 结语
配电物联网是能源革命下传统电网向能源互联网发展所产生的一种新型电力网络运行形态。基于智能电网分布式智能体系的理念,及以自动化为代表的工业互联网体系和以互联网为代表的信息体系的融合,通过将物联网技术在配电网中的深度应用,构建以全面感知为基础、以软件定义为手段的高度灵活与智能的配电系统运管体系架构,从本质上支撑配电网在精益管理、科学决策等方面的发展需求,并且客观上作为使能技术将带动配电网相关产业的升级和转型。
迄今为止,国家电网公司已在部分地区进行了配电物联网的功能验证试点部署,安装了基于软件定义的新型智能配变终端,实现了对台区内设备的智能化感知、监控和管理;同步开发了包括充电桩有序充电管理、低压负荷接入自动识别、电能质量综合处理等功能在内的多个终端APP,使配变终端可以根据其需求灵活弹性地扩展业务应用。新型智能配变终端极大程度地降低了上行通信流量、主站工作量和管控时间延迟,真正实现了对配变台区的全面感知、即时研判和主动抢修。试点成果令人鼓舞,但配电物联网的建设和推广是一个复杂的系统工程,其健康有序发展还有待于如下几个方面的努力：
1)建设高质量的技术标准体系。结合工业体系和信息体系的特点,根据配电网高度标准化建设需求,创新建立配电物联网技术标准,提高配电网设备互联互通效率,提升设备即插即用和信息交互水平。
2)强化关键技术的研究与转化。充分利用配电物联网开放性的特点,结合“云大物移智”等新技术的发展,深化对智能传感、本地通信和边缘计算等关键技术的研究应用,确保配电物联网支撑能源转型发展目标的实现。
3)打造配电物联网生态系统。以先进的发展理念和创新的技术标准体系为指导,吸引设备制造、系统开发、网络运营、软件研发等各类企业和利益相关者的广泛参与,打造具备安全、开放、共赢特点的生态系统,通过创新驱动带动配电网相关产业的升级,促进发展机遇和各类资源的开发共享,使得配电系统能够更好地满足未来能源用户需求,成为新一代电力系统综合能源服务网络的基石。
吕军1, 栾文鹏2, 刘日亮1, 王鹏2, 林佳颖2
1.国家电网有限公司,北京市 西城区 100031
2.中国电力科学研究院有限公司,北京市 海淀区 100192
Lü Jun1, LUAN Wenpeng2, LIU Riliang1, WANG Peng2, LIN Jiaying21. State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China
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吕军(1970),男,硕士,教授级高级工程师,主要从事输配电设备运行管理和智能电网技术研究工作;
栾文鹏(1964),男,博士,通信作者,国家“千人计划”特聘专家,研究方向为电力系统规划分析,资产管理,配电自动化,智能电网和智能抄表体系等,E-mail：luanwenpeng@epri.sgcc.com.cn;
刘日亮(1982),男,本科,高级工程师,主要从事配电自动化、信息化、智能化等相关研究工作;
王鹏(1982),男,博士,高级工程师,研究方向为配电网运行分析、配电自动化、分布式电源接入运行等,E-mail：w1213@epri.sgcc.com.cn;
林佳颖(1992),女,硕士,研究方向为配电网状态估计、配用电数据分析应用等,E-mail：linjiaying@epri.sgcc.com.cn。
基金项目：国家电网公司科技项目(SGZJ0000KXJS1800382)(“基于营配融合的配电台区拓扑辨识、智能监测关键技术研究及工程示范”); Project Supported by Science and Technology Research Program of State Grid Corporation of China (Key Technology Research and Engineering Demonstration of Topology Identification and Intelligent Monitoring for Distribution Network Based on Data Integration) (SGZJ0000KXJS1800382);
文章编号:1000-3673(2018)10-3108-08中图分类号:TM721
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