劉洋,趙瑞峰,郭文鑫,王海柱

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

1 引言

未來能源系統(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實現(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，實現(xiàn)不同能源體系的互補優(yōu)勢，構建智能能源體系。該系統(tǒng)的關鍵技術是電力物聯(lián)網(wǎng)，即在電力系統(tǒng)中配置各種智能終端、感知設備以及通信設備等，以確保電力信息的捕獲、處理和傳輸，最終實現(xiàn)電力信息的匯總、分析以及存儲[4-7]。

然而，隨著能源互聯(lián)系統(tǒng)容量的不斷增大，當前的電力物聯(lián)網(wǎng)必然面臨諸多問題和挑戰(zhàn)[8]。一方面電力物聯(lián)網(wǎng)通信主要依賴電力專網(wǎng)，可基本實現(xiàn)整個系統(tǒng)中一些關鍵節(jié)點的數(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，導致數(shù)據(jù)價值密度低；另外，對于電力設備的環(huán)境參數(shù)，如：酸堿度、氣壓、濕度、溫度等采集不夠全面；電力設備的狀態(tài)參數(shù)，如：設備絕緣程度、電力塔桿姿態(tài)獲取不夠準確。另一方面，目前電力物聯(lián)網(wǎng)仍采用傳統(tǒng)云技術數(shù)據(jù)處理機制，在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時不可避免地會出現(xiàn)“大延時”問題，直接影響電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟效益，無法滿足能源物聯(lián)網(wǎng)“大連接、低延時”的要求[9-13]。本文針對電力物聯(lián)網(wǎng)存在的問題，重點討論“邊緣計算”架構模型，設計一種基于邊緣計算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構并進行實際應用分析。

2 系統(tǒng)架構

目前，能源領域普遍采用兩種云計算架構模型，即：（1）集中式云計算模型，如圖1（a）所示。借鑒大多云計算架構，終端設備需要將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至云平臺。然后，云平臺會對所采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲、分析和處理。很顯然，該計算模型比較適合對實時性要求不高的場合，實際應用大多傾向于離線的聯(lián)機分析和統(tǒng)計分析。以抄表應用為例，只要能在15分鐘、1小時甚至1天內完成抄表即可。以配電故障處理為例，系統(tǒng)需要在線監(jiān)控配電設備運行情況，及時獲取相關數(shù)據(jù)并進行分析，最終判斷故障發(fā)生原因；同時會向節(jié)點推送警報；整個過程包括原始數(shù)據(jù)的上傳、云平臺數(shù)據(jù)的分析判斷、報警信息的推送等。由于鏈路較多，導致整個網(wǎng)絡的時延較大，不能保證系統(tǒng)的實時性。（2）“邊緣計算”架構模型，如圖1（b）所示。通常情況下，“邊緣節(jié)點”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，然后將處理結果上傳至云平臺。云平臺管理各類故障數(shù)據(jù)，推送報警。如此看來，該模型可以將云平臺部分工作轉移到邊緣節(jié)點。這種分布式計算可以快速、高效、實時地響應不同工況下的突發(fā)情況。綜上所述，“邊緣計算”是一種非常合適的解決方案，尤其適合低壓故障處理。

圖1 云計算架構模型

3 邊緣技術

3.1 邊緣計算

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

圖2 邊緣計算基本架構

邊緣計算系統(tǒng)中，智能終端設備既是“數(shù)據(jù)生產(chǎn)者”又是“數(shù)據(jù)消費者”，可以將傳統(tǒng)云計算模式的部分計算功能轉嫁給邊緣設備。智能終端首先完成負責廠站數(shù)據(jù)錄入，然后進行數(shù)據(jù)分析、處理、存儲和應用。針對響應速度要求比較高的場合，邊緣設備可以直接對相關服務做出決策，只需將結果上傳到云端既可。綜上所述，邊緣計算可以降低云計算壓力、網(wǎng)絡帶寬需求等。

3.2 基于邊緣計算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構

如上所述，所謂基于邊緣計算的電力物聯(lián)網(wǎng)就是在傳統(tǒng)云集中數(shù)據(jù)處理的基礎上引入邊緣計算，即添加邊緣層，將部分云服務下沉至終端設備，確保數(shù)據(jù)處理更靠近數(shù)據(jù)源頭。總體來說，就是構建一種“云-邊-端”一體化智能管控平臺，電力物聯(lián)網(wǎng)架構如圖3所示。從圖3可以看出，所述電力物聯(lián)網(wǎng)架構主要包括感知層、邊緣層、云計算層和應用層等。

圖3 基于邊緣計算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構

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。感知層的所有設備既可同邊緣層連接也可與云計算層中服務器直接相連，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)絡的拓撲結構可根據(jù)實際需求進行選擇，利用邊緣網(wǎng)關連接到廣域網(wǎng)絡。

3.2.2 邊緣層

邊緣層獲取部分數(shù)據(jù)流，通過一系列操作實現(xiàn)時間敏感服務，例如：數(shù)據(jù)分析、邊緣智能計算、數(shù)據(jù)存儲、實時控制等。邊緣層通常由邊緣節(jié)點和邊緣管理器組成。邊緣管理器的核心是控制軟件，它可以實現(xiàn)對邊緣節(jié)點的統(tǒng)一管理。邊緣節(jié)點是計算核心，包括：邊緣云——實現(xiàn)邊緣大數(shù)據(jù)的集中處理，邊緣控制器——實現(xiàn)實時閉環(huán)控制，邊緣網(wǎng)關——實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議的處理和轉換等。

3.2.3 云計算層

云計算層主要包括服務器集群，例如：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)操作模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、應用模塊等。云計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，云計算層和邊緣層根據(jù)實際業(yè)務需求，協(xié)同實現(xiàn)全網(wǎng)資源調度，為電力行業(yè)提供相關服務。

3.2.4 應用層

應用層可以提高發(fā)電、配電、輸電、用電等多個環(huán)節(jié)的智能化水平，主要包括應用基礎設施和一些中間件，可以提供信息處理、資源分配等功能接口。結合智能計算、模式識別等先進技術，實現(xiàn)對電網(wǎng)信息的全面分析和處理，實現(xiàn)智能控制和決策等高端服務。

4 實際應用

為驗證所述電力物聯(lián)網(wǎng)架構的可行性和有效性，可進行實際應用分析。以某省級電力公司的城市能源互聯(lián)網(wǎng)為例，開展具體應用研究。建設初期，該平臺定位如下：

（1）能源數(shù)據(jù)分析優(yōu)化基礎平臺，可實現(xiàn)區(qū)域內各類能源用戶和社會生產(chǎn)的多元化能源數(shù)據(jù)的整體優(yōu)化。

（2）引導新能源發(fā)展，監(jiān)測區(qū)域內光伏、風電、冷熱電、儲能等能源效率。

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

（4）在監(jiān)測分析的基礎上，為能源用戶提供能源監(jiān)管、運行維護服務、能源優(yōu)化等增值服務。

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

平臺建立以后，一直處于安全、穩(wěn)定運行狀態(tài)，累計接入用戶240個，包括：園區(qū)、大型企業(yè)等；設立監(jiān)測點接入236個用戶（大型企業(yè)和園區(qū)），監(jiān)測點10 萬個，累計數(shù)據(jù)總量為8．97T，并形成電能替代、萬個；數(shù)據(jù)總量約為10T，應用效果比較明顯。

第一、設備運行穩(wěn)定，服務質量明顯提高。利用該平臺的多數(shù)據(jù)分析功能，可以對電能質量等海量數(shù)據(jù)進行深度挖掘，建立不同功耗行為與功耗之間的相關模型。從而實現(xiàn)電網(wǎng)關鍵節(jié)點管理，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。通過標準化、精益化運維、檢修服務，降低了設備維護成本。另外，平臺的能耗分析功能可以降低用戶用能成本。

第三、促進新能源開發(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，提高清潔能源的使用率，有利于為社會提供安全可靠、綠色清潔、高效可持續(xù)的電力和能源的供應。

5 結束語

以能源物聯(lián)網(wǎng)的建設為研究對象，針對電力互聯(lián)網(wǎng)所存在問題，基于邊緣計算設計了一種配用電系統(tǒng)架構。重點討論邊緣計算模型以及引入邊緣計算的電力物聯(lián)網(wǎng)架構，主要包括感知層、邊緣層、云計算層和應用層等。實際應用表明：所述架構效果顯著，有利于電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行；可降低用能成本，提高管理效率。