浅谈泛在电力物联配电网拓扑范文

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摘要：泛在电力物联网建设从感知层、网络层、平台层和应用层入手，整合运用传感器技术、电力电子技术、自动控制、云计算、智能终端等新技术，是落实国家电网公司“三型两网、世界一流”战略目标的核心任务。本文从泛在电力物联网的建设目标出发，聚焦配电网应用场景，分析其网络拓扑结构。结合能源互联网背景下提出的职能能量路由器设备，提出新型泛在电力物联配电网拓扑。针对物联网带来的海量数据，提出独立于现有配电网中用来传输控制或度量信号的通信网络的用户数据信息网。最后，逐层简要梳理关键技术，并对提出的泛在电力物联配电网拓扑的应用前景进行展望。

关键词：泛在电力物联网；配电网；智能能量路由器；拓扑；三维设计；中台

1泛在电力物联网的概念及框架

泛在物联网是指任何时间、任何地点、任何人、任何物之间的信息互联和交互。而泛在电力物联网是指电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备、以及人和物的信息互联和交互[1]。从技术视角看，泛在电力物联网的基本架构包括4个层次：感知层、网络层、平台层和应用层[1]。感知层实现各级发输变电系统、电力用户等参与方的实时数据采集；网络层实现能源网络与信息网络的有机融合；平台层实现数据的集中管理和整合分析，达到标准及接口统一的目标；应用层在大数据分析的基础上，实现各类“发输变用”电服务。

2现有智能配电网拓扑

2.1传统智能配电网

图1所示为初步实现了电网智能化的微网拓扑。可见大量电力电子设备的应用，极大程度地提升了微网内能力流动的自由度。多种可控的电力电子变换器为新能源并网、电能质量提升提供了解决方案。然而，基于此种拓扑下的微网，信息通道的主要作用是传输测量、计量信号和发送控制命令，其拓扑为点对点或者放射状。此外，由于区域内负荷形式、新能源类型等差异化因素，往往造成交、直流母线相对独立。

2.2基于能量路由器的智能配电网

图2所示为2010年前后，国内外的一些高校和研究机构提出的基于“能量路由器”“分布式能源”和“智能控制策略”的狭义能源互联网拓扑，也可以理解为是微网层面的能源互联网。其中，智能能量路由器（SmartEnergyRouter,SER）的参与，可以使微网内部交、直流母线并存，所有电源、储能和负载均可连接至直流母线。这类拓扑的瓶颈在于，如果SER环节出现故障，整个微网将面临全面瘫痪的危险，在交流母线侧增加可供接入微网的冗余电力电子变换器可以提升网络的可靠性，但也增加了投资。基于此种拓扑，信息流在原本放射状的基础上增加了变换器间的横向互联和不同控制层级间的联系。但要注意的是，因受连接带宽等限制，并非所有数据都形成闭环回路。

3泛在电力物联配电网拓扑

3.1泛在电力物联配电网的研究背景

3.1.1电网发展向用户侧渗透的客观要求智能配电网作为用户数据的感知前端，对于用户数据采集有不可替代的作用。目前，国家电网公司拥有世界最大的电网规模，建立了庞大的电网运行系统，已接入智能电能表等各类终端5.4亿台，日采集数据量超过60TB；车联网接入充电桩超过28万个，电商平台注册用户2.25亿[1]。一方面，这都是国家电网公司建设泛在电力物联网的坚实基础；另一方面，如此庞大的数据量，仅依靠现有电网中的通信网络是无法实现传输和存储的。同时，由于更多类型的电源、负责接入电网，其产生数据的格式、结构多样等因素导致的信息贯通及溯源能力不足的问题也日益明显。随着电网信息化的日益深化以及当代企业对数字化的依赖日益加深，迫切需要在电网建设，尤其是配电网建设过程中融入物联网技术，提升对用户需求的反应速度和响应能力。

3.1.2互联网思维对现有电网管理模型提供了新的思路借鉴一些互联网公司的思维，可以构建企业中台应对新业务带来的管理问题。中台概念出现之前，在信息化模式上，前端为支撑业务的应用端，后端为各个应用系统，为前端提供服务。但随着市场、用户需求、业务的多变性，底层僵硬的应用无法及时提供支撑。企业需要一个强大的中间层为高频多变的业务提供支撑，为不同的受众用户提供多端访问渠道，基于“大中台、小前台”的信息化建设模式开始流行。企业中台可以由接近后台至前台依次分为：基础中台、技术中台、数据中台和业务中台。基础中台也称PaaS（PlatformasaService）容器，关键字为容器集群管理和敏捷开发。技术中台、数据中台和业务中台可以视为是在各自维度连接底层服务或属于和上层感知信息的纽带。有相关文献指出，中台概念较为适合具有众多子公司、业务面较广的行业龙头型企业。

3.1.3传感器、智能移动终端等技术的快速发展为电力物联网的落体提供条件近几年，传感器、智能终端、数据挖掘算法、电力电子设备等电网新技术得到了长足发展。这些技术为智能配电网的信息采集、数据快速处理以及基于用户需求的灵活控制策略落地提供了条件。逐步上线的企业级数据中心，也为信息的贯通应用提供了物理基础。

3.2泛在电力物联网的电网拓扑

图3为本项目提出的，引入泛在互联概念的电力物联网拓扑，其能源网络拓扑与图2一致，但信息网络向用户数据渗透。如果说，智能电网和全球能源互联网将电网端的智能化水平极大提升，泛在电力物联网的建设将着眼于“用户（包括发电及用电）”端的数据网络，并形成与电网端的有机互联。如图3中所示，各类电源、储能和负载对象时刻在产生运行数据，其积累将使网内数据量呈指数级增长。泛在电力物联网中的信息传递对象不再如前文所述为电网电量信息和控制指令，同时需要建设独立的用户用电信息网络。之所以要求独立，一方面是因为原本控制指令等数据的传递频率和可靠性要求远远大于用户信息，独立建设网络相较于扩展原网络带宽可以降低成本；另一方面因为原网络的带宽将远远不能满足用户数据的数据量要求。同时，微网的上级信息网将于新建的数据中心互联，并建立与其他形式能源欣喜网的联系。数据中心和用户数据网络将为能源金融、能源服务、能源交易和能源网络自身优化提供软硬件基础。在这样的网络拓扑中，各类数据结构、数据接口的统一，以及多源数据使用时的溯源仲裁将成为关键技术。2017年，国家电网公司提出全面应用三维设计的要求，其意义之一便是实现“数据贯通”和建设“数字国网”，以求实现“数据一个源、电网一张图、业务一条线”的整合目标。将三维设计成果作为信息网络的数据载体，是梳理和统一各方面数据的关键环节。

3.3泛在电力物联网的通信网络

如图4所示为本项目提出的微电网内的数据整合框图。在泛在电力物联网时代，数据应该在一定程度上呈现出闭环结构，即数据的感知层也就是数据的应用层，数据的发出者也就是数据的使用者。下面针对图4自下而上进行阐释。在感知层，多种多样的传感器和现有的存储单元离散地贯穿电网资产的全生命周期始终。创新地提出安照数据的生命周期进行分类讨论，即将数据划分为“固态数据”和“动态数据”。显然，电网资产的基建信息，如设计数据、施工数据等均为固态数据，此类数据的特点是一次录入后长时间内不会发生改变；诸如电网的调控数据、SCADA实时采集的数据等都是动态数据，此类数据需要实时更新，通常也要求系统及时响应；另外，微网内的用户数据以及来自其他网络的数据，因在微网内采用“增量更新”，故数据动态也更新，但这类数据的更新实时性要求并不像控制信号等工程动态数据那么高，可以采用定期更新的形式。在存储层，固态数据以内网云的形式，存储在边缘服务器上（设计单位的工程服务器等），需要传输时，系统动态分配带宽。对于需要快速响应的工程动态数据，需要时刻在存储空间内预留满足其更新的空间，并架设专用的传输线路以保证其实时性。当动态数据得到响应后，将被移入备份区，备份区采用云存储，根据数据类型不同，定期（几天至几年）清理更新。动态数据在备份区保存期间可以支持异地下载，便于离线保存。通过上述分析可以看出，在将数据以此逻辑整合后，微网系统内的存储空间传输带宽可以得到合理优化。类似于手机的RAM和ROM：ROM使用权限低，用于存储固态数据和备份区的数据；RAM使用权限高，但仅用于存储动态数据。在处理层，由于在存储层运用了边缘计算技术，数据以标准的数据结构传输到本层，中心数据库无需再对数据进行预处理，可直接进行核心功能的计算。减轻了处理层对服务器软硬件的压力。在应用层，从图4可以看出，一部分的终端应用和感知层存在着重叠。这是因为在万物互联时代，信息的流动应该是双向的，数据的发出者，也就是数据的核心使用者。以智能家居为例，各种家用电器既是用户信息的收集终端，也是最终相应智能处理器对数据分析后所发出命令的执行终端。反观微网环节也是如此，网络中的各种智能传感器既是电网数据的提供者，同时也可以作为为用户提供综合能源服务的终端。

4泛在电力物联配电网关键技术

4.1感知层关键技术

4.1.1智能能力路由器研制SER实际是电力电子变压器（PowerElectronicTransformer,PET）在配电网中具体应用，其研制包括设备研制和响应的控制策略研究。目前，国内外已有多所高校、企业或研究机构了的PET样机[7—8]。但由于受到半导体期间耐压等级、电路拓扑等因素限制，其电压等级一般低于10kV，容量一般为几百kVA至几MVA。因此，此类电力电子装置的应用实例多数集中在轨道交通领域。对于面向智能配电网的SER还需要解决如下问题：提高系统运行效率，主要为电力电子期间的开关损耗；提高系统稳定性；提升运行电压等级和容量。

4.1.2智能传感器或终端技术目前，智能变电站已基本实现对电气设备参数的全面测量。随着实物ID相关新技术和管理手段的应用，电网企业可以实现对自身资产的全生命周期感知。面向用户的智能传感器不仅需要考虑信息采集的准确性与实时性，还需要考虑设备本身的造价、体积和传输过程信息安全保障措施等因素。

4.2网络层关键技术

本文提出的泛在电力物联配电网网络层中，对于电网调度、控制信号与用户数据采用相互独立的传输网络。调控信号依然利旧采用现有的基于光纤等的高可靠性传输介质进行传输；用户信息采用基于5G通信及窄带物联网技术（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）的新兴通信技术传输。其中，NB-IoT技术由华为公司在2014年提出，聚焦于低功耗覆盖物联网市场，具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低等特点，可以与现有网络共存，实现平滑升级。海量的用户数据在传输过程中的安全保障，是下一阶段的研究重点之一[9]。

4.3平台层关键技术

国家电网公司已着手构建全业务企业级数据中心，以实现统一输入输出数据格式，实现信息“一次录入，共享使用”的目的。同时，可以借鉴互联网公司的“企业中台”思路，充分应用边缘计算、云存储等技术，优化信息传输和应用效率。对于电网资产数据，在平台层以三维设计模型为信息载体。模型可分为几何模型和属性模型，分别实现资产可视化浏览和数据的结构化管理。4.4应用层关键技术在泛在电力物联网建设阶段，主要的技术攻关集中在以上三个层级。应用层的关键技术集中在对用户数据进行分析处理后结合具体业务需求所开发的服务。

5结束语

本文泛在电力物联配电网的拓扑结构进行研究。所提出的配电网拓扑以能量路由器为核心设备，具有灵活可控、交直流混合接入等特点。同时，在独立于电网信息通信网络之外，对用户及设备间的物联数据建立独立的通信网络，在保证电网运行可靠性的同时满足海量数据的传输与存储。随着未来电网建设过程中接入系统的多样性越来越高，尤其是可再生能源大量开发应用，配电网拓扑将有很大的应用空间。

参考文献

［1］寇伟．公司全面部署泛在电力物联网建设［EB/OL］．国家电网公司网站，[2019-04-21].

［2］杨东升，王道浩，周博文，等．泛在电力物联网的关键技术与应用前景［J］．发电技术，2019，40（2）：107-114．

［3］杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述［J］.中国电机工程学报，2014，34（1）:57-70.

［4］孙宏斌，郭庆来，潘昭光，王剑辉．能源互联网：驱动力、评述与展望［J］．电网技术，2015，39（11）：3005-3013．

［5］余晓丹，徐宪东，陈硕翼，等．综合能源系统与能源互联网简述［J］．电工技术学报，2016，31（1）：1-13．

［6］黄仁乐，蒲天骄，刘克文，等．城市能源互联网功能体系及应用方案设计［J］．电力系统自动化，2015，39（9）：26-40．

［8］孙湛冬.面向智能配电网的电力电子变压器高效率运行研究［D］.北京：中国科学院大学，2016.

［9］戴路，张洁.基于窄带物联网技术的车位锁控制系统设计［J］.软件导刊，2019,5:5-8.

作者：孙湛冬 靳友豪 单位：北京电力经济技术研究院有限公司