劉洋,趙瑞峰,郭文鑫,王海柱

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東廣州 510610)

1 引言

未來(lái)能源系統(tǒng)的發(fā)展方向就是能源互聯(lián)網(wǎng)，利用開放的信息共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同能源體系互聯(lián)互通，例如：供電、供熱、供氣、可再生能源等[1-3]。從整體上看，要優(yōu)先發(fā)展清潔能源和可再生能源，實(shí)現(xiàn)不同能源體系的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建智能能源體系。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是電力物聯(lián)網(wǎng)，即在電力系統(tǒng)中配置各種智能終端、感知設(shè)備以及通信設(shè)備等，以確保電力信息的捕獲、處理和傳輸，最終實(shí)現(xiàn)電力信息的匯總、分析以及存儲(chǔ)[4-7]。

然而，隨著能源互聯(lián)系統(tǒng)容量的不斷增大，當(dāng)前的電力物聯(lián)網(wǎng)必然面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)[8]。一方面電力物聯(lián)網(wǎng)通信主要依賴電力專網(wǎng)，可基本實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集；電力專網(wǎng)通信方式采樣頻次低、狀態(tài)變化緩慢，導(dǎo)致數(shù)據(jù)價(jià)值密度低；另外，對(duì)于電力設(shè)備的環(huán)境參數(shù)，如：酸堿度、氣壓、濕度、溫度等采集不夠全面；電力設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，如：設(shè)備絕緣程度、電力塔桿姿態(tài)獲取不夠準(zhǔn)確。另一方面，目前電力物聯(lián)網(wǎng)仍采用傳統(tǒng)云技術(shù)數(shù)據(jù)處理機(jī)制，在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)“大延時(shí)”問(wèn)題，直接影響電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)效益，無(wú)法滿足能源物聯(lián)網(wǎng)“大連接、低延時(shí)”的要求[9-13]。本文針對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)存在的問(wèn)題，重點(diǎn)討論“邊緣計(jì)算”架構(gòu)模型，設(shè)計(jì)一種基于邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用分析。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

目前，能源領(lǐng)域普遍采用兩種云計(jì)算架構(gòu)模型，即：（1）集中式云計(jì)算模型，如圖1（a）所示。借鑒大多云計(jì)算架構(gòu)，終端設(shè)備需要將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至云平臺(tái)。然后，云平臺(tái)會(huì)對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、分析和處理。很顯然，該計(jì)算模型比較適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，實(shí)際應(yīng)用大多傾向于離線的聯(lián)機(jī)分析和統(tǒng)計(jì)分析。以抄表應(yīng)用為例，只要能在15分鐘、1小時(shí)甚至1天內(nèi)完成抄表即可。以配電故障處理為例，系統(tǒng)需要在線監(jiān)控配電設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，最終判斷故障發(fā)生原因；同時(shí)會(huì)向節(jié)點(diǎn)推送警報(bào)；整個(gè)過(guò)程包括原始數(shù)據(jù)的上傳、云平臺(tái)數(shù)據(jù)的分析判斷、報(bào)警信息的推送等。由于鏈路較多，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延較大，不能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。（2）“邊緣計(jì)算”架構(gòu)模型，如圖1（b）所示。通常情況下，“邊緣節(jié)點(diǎn)”往往部署在數(shù)據(jù)源附近，就近完成數(shù)據(jù)采集、處理以及故障分析，然后將處理結(jié)果上傳至云平臺(tái)。云平臺(tái)管理各類故障數(shù)據(jù)，推送報(bào)警。如此看來(lái)，該模型可以將云平臺(tái)部分工作轉(zhuǎn)移到邊緣節(jié)點(diǎn)。這種分布式計(jì)算可以快速、高效、實(shí)時(shí)地響應(yīng)不同工況下的突發(fā)情況。綜上所述，“邊緣計(jì)算”是一種非常合適的解決方案，尤其適合低壓故障處理。

圖1 云計(jì)算架構(gòu)模型

3 邊緣技術(shù)

3.1 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等行業(yè)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的一種全新計(jì)算模式。邊緣計(jì)算的真正意義在于就近部署智能終端，提供分析、存儲(chǔ)和應(yīng)用等功能，實(shí)現(xiàn)邊緣智能服務(wù)。邊緣計(jì)算的基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 邊緣計(jì)算基本架構(gòu)

邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，智能終端設(shè)備既是“數(shù)據(jù)生產(chǎn)者”又是“數(shù)據(jù)消費(fèi)者”，可以將傳統(tǒng)云計(jì)算模式的部分計(jì)算功能轉(zhuǎn)嫁給邊緣設(shè)備。智能終端首先完成負(fù)責(zé)廠站數(shù)據(jù)錄入，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用。針對(duì)響應(yīng)速度要求比較高的場(chǎng)合，邊緣設(shè)備可以直接對(duì)相關(guān)服務(wù)做出決策，只需將結(jié)果上傳到云端既可。綜上所述，邊緣計(jì)算可以降低云計(jì)算壓力、網(wǎng)絡(luò)帶寬需求等。

3.2 基于邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

如上所述，所謂基于邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)就是在傳統(tǒng)云集中數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上引入邊緣計(jì)算，即添加邊緣層，將部分云服務(wù)下沉至終端設(shè)備，確保數(shù)據(jù)處理更靠近數(shù)據(jù)源頭?？傮w來(lái)說(shuō)，就是構(gòu)建一種“云-邊-端”一體化智能管控平臺(tái)，電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。從圖3可以看出，所述電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要包括感知層、邊緣層、云計(jì)算層和應(yīng)用層等。

圖3 基于邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3.2.1 感知層

感知層主要包括電力系統(tǒng)末端安裝的各種設(shè)備，例如：不同類型傳感器、攝像頭、RFID、執(zhí)行器和職能終端等。感知層的所有設(shè)備既可同邊緣層連接也可與云計(jì)算層中服務(wù)器直接相連，具體通信方式包括：電力載波、電力光纖、以太網(wǎng)、ZIGBEE等。通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇，利用邊緣網(wǎng)關(guān)連接到廣域網(wǎng)絡(luò)。

3.2.2 邊緣層

邊緣層獲取部分?jǐn)?shù)據(jù)流，通過(guò)一系列操作實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感服務(wù)，例如：數(shù)據(jù)分析、邊緣智能計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)控制等。邊緣層通常由邊緣節(jié)點(diǎn)和邊緣管理器組成。邊緣管理器的核心是控制軟件，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一管理。邊緣節(jié)點(diǎn)是計(jì)算核心，包括：邊緣云——實(shí)現(xiàn)邊緣大數(shù)據(jù)的集中處理，邊緣控制器——實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，邊緣網(wǎng)關(guān)——實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理和轉(zhuǎn)換等。

3.2.3 云計(jì)算層

云計(jì)算層主要包括服務(wù)器集群，例如：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)操作模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、應(yīng)用模塊等。云計(jì)算層分別從邊緣層和感知層獲取數(shù)據(jù)流，將控制信息發(fā)送到感知層。此外，云計(jì)算層和邊緣層根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，協(xié)同實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)資源調(diào)度，為電力行業(yè)提供相關(guān)服務(wù)。

3.2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層可以提高發(fā)電、配電、輸電、用電等多個(gè)環(huán)節(jié)的智能化水平，主要包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施和一些中間件，可以提供信息處理、資源分配等功能接口。結(jié)合智能計(jì)算、模式識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)信息的全面分析和處理，實(shí)現(xiàn)智能控制和決策等高端服務(wù)。

4 實(shí)際應(yīng)用

為驗(yàn)證所述電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的可行性和有效性，可進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用分析。以某省級(jí)電力公司的城市能源互聯(lián)網(wǎng)為例，開展具體應(yīng)用研究。建設(shè)初期，該平臺(tái)定位如下：

（1）能源數(shù)據(jù)分析優(yōu)化基礎(chǔ)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各類能源用戶和社會(huì)生產(chǎn)的多元化能源數(shù)據(jù)的整體優(yōu)化。

（2）引導(dǎo)新能源發(fā)展，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)光伏、風(fēng)電、冷熱電、儲(chǔ)能等能源效率。

（3）協(xié)調(diào)控制不同能源之間關(guān)系，最大可能提升能源利用率進(jìn)而降低企業(yè)用電成本。

（4）在監(jiān)測(cè)分析的基礎(chǔ)上，為能源用戶提供能源監(jiān)管、運(yùn)行維護(hù)服務(wù)、能源優(yōu)化等增值服務(wù)。

（5）打造企業(yè)聯(lián)盟，聚焦政府、電力企業(yè)、能源消費(fèi)者和上下游企業(yè)，打造雙贏的經(jīng)營(yíng)管理模式。

平臺(tái)建立以后，一直處于安全、穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，累計(jì)接入用戶240個(gè)，包括：園區(qū)、大型企業(yè)等；設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)接入236個(gè)用戶（大型企業(yè)和園區(qū)），監(jiān)測(cè)點(diǎn)10 萬(wàn)個(gè)，累計(jì)數(shù)據(jù)總量為8．97T，并形成電能替代、萬(wàn)個(gè)；數(shù)據(jù)總量約為10T，應(yīng)用效果比較明顯。

第一、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，服務(wù)質(zhì)量明顯提高。利用該平臺(tái)的多數(shù)據(jù)分析功能，可以對(duì)電能質(zhì)量等海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，建立不同功耗行為與功耗之間的相關(guān)模型。從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)管理，規(guī)范用戶用電行為，降低安全事故發(fā)生的概率，提高供電企業(yè)的服務(wù)水平。

第二、降低能源消耗和管理成本，提高管理效率。電力公司不再只提供電力，而是根據(jù)用戶需求提供差異化的增值服務(wù)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、精益化運(yùn)維、檢修服務(wù)，降低了設(shè)備維護(hù)成本。另外，平臺(tái)的能耗分析功能可以降低用戶用能成本。

第三、促進(jìn)新能源開發(fā)，提倡清潔用電。提高居民、企事業(yè)單位的節(jié)約用電意識(shí)，提高清潔能源的使用率，有利于為社會(huì)提供安全可靠、綠色清潔、高效可持續(xù)的電力和能源的供應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以能源物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)為研究對(duì)象，針對(duì)電力互聯(lián)網(wǎng)所存在問(wèn)題，基于邊緣計(jì)算設(shè)計(jì)了一種配用電系統(tǒng)架構(gòu)。重點(diǎn)討論邊緣計(jì)算模型以及引入邊緣計(jì)算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，主要包括感知層、邊緣層、云計(jì)算層和應(yīng)用層等。實(shí)際應(yīng)用表明：所述架構(gòu)效果顯著，有利于電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行；可降低用能成本，提高管理效率。