基于全面感知和软件定义的配电物联网体系架构

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。