基于全面感知和软件定义的配电物联网体系架构

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。