周靜 賀偉 董洪偉

摘 要：我國未來能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是分布式多能流微能源網(wǎng)與大電網(wǎng)并舉，大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將接入低壓配電網(wǎng)。隨著配電網(wǎng)從單純電力網(wǎng)絡(luò)向智能能源信息一體化方向演變，目前的配電網(wǎng)面臨一系列挑戰(zhàn)。以三峽壩區(qū)配電網(wǎng)為例，探索包含多個多能流微能源網(wǎng)的配電的信息集成和協(xié)調(diào)優(yōu)化運行架構(gòu)，給出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和配電網(wǎng)深度融合的分層的配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計，并提出了配電物聯(lián)網(wǎng)下一步發(fā)展的建議。

關(guān)鍵詞：多能流系統(tǒng)；能量管理；配電物聯(lián)網(wǎng)；信息感知；分層控制

中圖分類號：TM727；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

配電網(wǎng)處于能源供需的末段環(huán)節(jié)，面向終端用戶，用戶體驗和供電可靠性是首要考慮的因素[1]。在雙碳和能源結(jié)構(gòu)變革的時代背景下，我國未來能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是分布式多能流微能源網(wǎng)與大電網(wǎng)并舉。多能流微能源網(wǎng)是由多種分布式能源設(shè)備、冷熱電多能流負(fù)荷及能源供應(yīng)網(wǎng)、能源信息網(wǎng)構(gòu)成的集成能源生產(chǎn)與智能利用的一體化微能源網(wǎng)[2]。隨著大量分布式多能流系統(tǒng)接入低壓配電網(wǎng)，推動配電網(wǎng)向智能化發(fā)展，主要特征為信息流和潮流高度融合。然而，當(dāng)前配電網(wǎng)的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要原因為配電網(wǎng)的覆蓋面積廣、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多樣、投資成本高等。目前的配電網(wǎng)發(fā)展主要集中在10 kV及以上的電壓等級的電網(wǎng)上[3]。

近年來，國內(nèi)外各類機(jī)構(gòu)針對配電網(wǎng)的研究較多。德國西門子推出了開放式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)MindSphere[4]，其主要功能為收集、分析與管理電力的各個環(huán)節(jié)。美國紐約電力公司對其所負(fù)責(zé)的配電網(wǎng)進(jìn)行了全面數(shù)字化改造[5]，并啟動了新一代端對端數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)。我國南方電網(wǎng)發(fā)布《數(shù)字化轉(zhuǎn)型和數(shù)字南網(wǎng)建設(shè)行動方案（2019年）》，提出數(shù)字南網(wǎng)的重要內(nèi)容為配電網(wǎng)數(shù)字化和信息化轉(zhuǎn)型。河北雄安新區(qū)數(shù)字化配電網(wǎng)建設(shè)以提升電網(wǎng)資源配置能力、安全保障能力和智能互動能力為目標(biāo)。可以預(yù)見，未來配電網(wǎng)的發(fā)展方向?qū)⑹歉叨戎悄芑?、高度信息化?/p>

“雙碳”目標(biāo)下，未來配電網(wǎng)將廣泛分散接入多能流微能源網(wǎng)，會給新型配電網(wǎng)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)管理模式、技術(shù)手段，已經(jīng)無法滿足需求。

針對包含多能流微能源網(wǎng)的配電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)采集與集成、配電網(wǎng)與微能源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制等問題進(jìn)行研究是提升配電網(wǎng)建設(shè)、運維、管理水平的關(guān)鍵。國內(nèi)外已有許多學(xué)者開展多能流系統(tǒng)的相關(guān)研究。馬瑞等[6]針對多能流系統(tǒng)的靜態(tài)安全問題，提出以天然氣N-1事故作為預(yù)想事故集，研究適用于多能流系統(tǒng)的靜態(tài)安全耦合分析理論和方法。鄭亞鋒等[7]建立了多能流系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)-節(jié)能多目標(biāo)最優(yōu)運行模型，采用模糊決策確定系統(tǒng)的最佳運行策略。宋宸宇等[8]以用能設(shè)備為能源節(jié)點，建立了多能流的分時節(jié)點數(shù)學(xué)模型，并給出了多能流方程耦合矩陣的建模過程。于東立等[9]建立聯(lián)合熱-電網(wǎng)綜合模型，并提出一種基于線性規(guī)劃法的最優(yōu)能量流求解算法，該模型可廣泛地應(yīng)用在大規(guī)模網(wǎng)狀多能流系統(tǒng)中。三峽工程管理區(qū)的配電網(wǎng)供電系統(tǒng)[10]是國內(nèi)水電工程最大的施工供電系統(tǒng)，以陳家沖220 kV變電站為樞紐中心，通過220 kV輸電線路與外部電網(wǎng)相連，是一個相對獨立的配電網(wǎng)。三峽工程管理區(qū)目前正在進(jìn)行配網(wǎng)自動化建設(shè)、分布式多能流微能源網(wǎng)建設(shè)等。本文將基于三峽工程管理區(qū)配電網(wǎng)，研究包含廣泛分布的多能流微能源網(wǎng)的配電物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)。

1 分層協(xié)調(diào)控制

三峽壩區(qū)配電網(wǎng)采用“配網(wǎng)—微能源網(wǎng)”的分層協(xié)調(diào)控制全局能量優(yōu)化策略，配電網(wǎng)調(diào)度中心控制各多能流微能源網(wǎng)與壩區(qū)配電網(wǎng)的電能交換，并控制各多能流微能源網(wǎng)之間的能量交換。各多能流微能源網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）控制網(wǎng)內(nèi)各能源單元（光伏、儲能、充電樁、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、電負(fù)荷等）的運行，以及多能流微能源網(wǎng)與配電網(wǎng)的能量交換。各多能流能源網(wǎng)為交流電網(wǎng)或交直流混合電網(wǎng)，各能源網(wǎng)之間可以進(jìn)行能量流動，由配電網(wǎng)調(diào)度中心來控制微能源網(wǎng)之間的能量流動。

配網(wǎng)層調(diào)度中心能量管理的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

Min（ε1·f1（x）+ε2·f2（x））使得，g1（x）≤b1ge1（x）=be1

式中：f1和f2分別為壩區(qū)配網(wǎng)范圍內(nèi)能源系統(tǒng)整體用能成本和碳排放總量；ε1和ε2分別為兩者在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重指數(shù)；x為配網(wǎng)內(nèi)可調(diào)節(jié)參數(shù)，包括外網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率、各微能源網(wǎng)與配網(wǎng)交換功率、各能源網(wǎng)之間的交換功率、配網(wǎng)運行參數(shù)等；g1（x）≤b1和ge1（x）=be1為約束條件。具體包括：

1）配網(wǎng)與外部電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線線路容量約束；

2）各微能源網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線線路容量約束；

3）各微能源網(wǎng)與配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線容量約束；

4）配電網(wǎng)內(nèi)各獨立電源的運行約束，包括機(jī)組爬坡速度、最大出力等；

5）配電網(wǎng)安全運行約束。

微能源網(wǎng)層各微能源網(wǎng)能量管理優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

Min（ε3 · f3（y）+ε4 · f4（y））使得，g2（y）≤b2ge2（y）=be2

式中：f3和f4分別為微能源網(wǎng)用能成本和碳排放總量；ε3和ε4分別為兩者在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重指數(shù)；y為微能源網(wǎng)內(nèi)可調(diào)節(jié)參數(shù)，包括微能源網(wǎng)與配網(wǎng)及其它微能源網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率、電池充放電功率、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的出力計劃等；g2（y）≤b2和ge2（y）=be2為約束條件。具體包括：

1）微能源網(wǎng)冷、熱、電等的能源供需平衡約束；

2）電池充放電功率、SOC限制等約束；

3）微能源網(wǎng)與其它微能源網(wǎng)及配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線線路容量約束等；

4）微能源網(wǎng)安全運行約束。

2 分層的配電物聯(lián)網(wǎng)

2.1 分層的配電物聯(lián)網(wǎng)特征

隨著配電網(wǎng)智能化的發(fā)展和分布式多能流微能源網(wǎng)的大量接入，相關(guān)信息和數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一規(guī)劃，以適應(yīng)配電網(wǎng)內(nèi)海量智能終端的接入和多能流微能源網(wǎng)的優(yōu)化運行。與前面所述“配網(wǎng)—微能源網(wǎng)”分層協(xié)調(diào)控制相適應(yīng)，參照文獻(xiàn)[11]，三峽工程管理區(qū)采用分層的配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。整體架構(gòu)分為主站層和終端層。主站層為統(tǒng)一的業(yè)務(wù)支撐平臺，具有統(tǒng)一的接入和管理能力；終端層則由多能流微能源網(wǎng)、園區(qū)等大量測量的物聯(lián)網(wǎng)終端組成，支撐感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及處理，終端層在一定區(qū)域范圍內(nèi)具有一定的處理能力，通過邊緣計算終端和主站層進(jìn)行雙向信息交互。演進(jìn)路徑如圖2所示。

配電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)主要有以下兩個方面的特點：

（1）區(qū)域分層分散自治。在端測采用邊緣計算中心，主要功能是打破多個系統(tǒng)之間割裂封閉狀態(tài)，改變原有的數(shù)據(jù)架構(gòu)，實現(xiàn)本地的各種設(shè)備互通互聯(lián)和區(qū)域自治。在邏輯層面，一個邊緣中心可以實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各種業(yè)務(wù)的一體化融合。

（2）云邊協(xié)同。邊緣計算中心對區(qū)域內(nèi)所有終端設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理及數(shù)據(jù)處理，并與云端具有統(tǒng)一接口，完成各信息域之間的數(shù)據(jù)匯集。主站層通過平臺微服務(wù)功能的集成和調(diào)用，實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)模式的整合。

2.2 配電物聯(lián)網(wǎng)信息架構(gòu)

具體而言，三峽壩區(qū)配電物聯(lián)網(wǎng)從架構(gòu)上劃分為“云、管、邊、端”四個部分。

2.2.1 “云”層

三峽壩區(qū)未來的配電網(wǎng)將采用滿足集團(tuán)安全要求“云”化的主站平臺，實現(xiàn)配電自動化系統(tǒng)的所有設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)融合，并通過云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)的技術(shù)實現(xiàn)智能決策、開放應(yīng)用等各種高級功能或應(yīng)用。云主站通過IaaS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）層實現(xiàn)云—端資源虛擬化實現(xiàn)計算資源池的調(diào)度和分配，并通過PaaS（Platform as a Service，平臺即服務(wù)）層實現(xiàn)各種服務(wù)的調(diào)用，實現(xiàn)采用到應(yīng)用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。此外，主站平臺通過SaaS（Software as a Service，軟件即服務(wù)）層，實現(xiàn)提供各種應(yīng)用的服務(wù)化。以上架構(gòu)的主要內(nèi)容見圖3。

2.2.2 “管”層

“管”層是“云”層和“端”層交互的紐帶，起數(shù)據(jù)通道的作用，主要是通信網(wǎng)（見圖4）。廣域通訊網(wǎng)，即遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)，主要解決配電云平臺與邊緣計算中心的交互，滿足低時延、高可靠性、差異化的通信需求。而本地通訊網(wǎng)屬于局域網(wǎng)，主要起匯集的作用，滿足海量低功耗終端的連接以及與邊緣計算中心的通訊需求。通訊方式包括但不限于電力無線專網(wǎng)、Internet、NB-IoT、藍(lán)牙、LoRa、電力載波等，根據(jù)不同場景的通訊需求采用不同的通訊方式。

2.2.3 “邊”層

“邊”層從邏輯架構(gòu)上實現(xiàn)了終端硬件與軟件應(yīng)用的隔離和解耦，深度滿足配電區(qū)域不斷變化的應(yīng)用需求[12]。在實際系統(tǒng)中，邊側(cè)開關(guān)動作經(jīng)常會改變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)果，但影響有限，主要集中在局部區(qū)域。“邊”側(cè)邊緣計算中心原則上與臨近邊緣中心不進(jìn)行信息交互，以降低信息交互的復(fù)雜度。

2.2.4 “端”層

“端”層是配電網(wǎng)中信息量測的感知執(zhí)行單元，包括大量的各類傳感器和智能硬件，用來實現(xiàn)主要節(jié)點的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、感知等。同時，“端”層也是配電網(wǎng)保護(hù)、控制操作的末端執(zhí)行單元，保障配電網(wǎng)可靠運行操作動作的執(zhí)行[13]。

3 配電物聯(lián)網(wǎng)在分布式多能流微能源網(wǎng)的應(yīng)用

通過構(gòu)建“云—管—邊—端”的協(xié)同體系，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式能源的高效整合、優(yōu)化調(diào)度與智能管理。以下從四個角度具體說明。

（1）“云”角度。云平臺作為整個配電物聯(lián)網(wǎng)的大腦，負(fù)責(zé)匯聚所有終端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，并基于大數(shù)據(jù)分析、人工智能算法等手段，實現(xiàn)綜合能源的全局優(yōu)化配置、需求側(cè)管理、供應(yīng)側(cè)響應(yīng)等功能。例如，云平臺可以根據(jù)天氣預(yù)報、歷史數(shù)據(jù)和實時供需狀況，制定最優(yōu)的多能互補(bǔ)調(diào)度方案，指導(dǎo)各個分布式能源單元協(xié)調(diào)工作，提高能源利用效率，降低系統(tǒng)損耗，保障供電可靠性。

（2）“管”角度?！肮堋笔沁B接“端”與“云”“邊”之間的通信基礎(chǔ)設(shè)施，采用有線或無線通信技術(shù)將各終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至云端平臺和邊緣計算中心。在綜合能源多能互補(bǔ)的應(yīng)用中，穩(wěn)定可靠的通信管道至關(guān)重要，通過實時傳輸各類能源系統(tǒng)的運行參數(shù)、預(yù)測信息以及控制指令，確保整體能源網(wǎng)絡(luò)的高效運作。

（3）“邊”角度。邊緣計算節(jié)點部署于靠近能源資源及負(fù)荷的區(qū)域，對“端”產(chǎn)生的大量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行本地預(yù)處理和分析，如快速響應(yīng)故障告警、執(zhí)行本地化控制策略、支持實時電價調(diào)控等。對于綜合能源多能互補(bǔ)場景，邊緣計算可有效協(xié)調(diào)不同能源系統(tǒng)的輸出功率，比如在光照充足時優(yōu)先使用光伏發(fā)電，在風(fēng)電充沛時則增加風(fēng)力發(fā)電的利用率，確保多種能源間的互補(bǔ)和平衡。

（4）“端”角度。在綜合能源系統(tǒng)中，“端”主要包括各類能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和消耗設(shè)備，如太陽能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲能裝置、充電樁、智能電表、用電負(fù)載等。這些智能終端設(shè)備通過傳感器、控制器等技術(shù)實時采集運行數(shù)據(jù)，監(jiān)測自身狀態(tài)，并根據(jù)云端下發(fā)的指令進(jìn)行智能控制和優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)多能互補(bǔ)下的靈活互動。

配電物聯(lián)網(wǎng)通過“云—管—邊—端”四層次的緊密配合，在分布式多能流微能源網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了能源生產(chǎn)和消費的智能化、精細(xì)化管理和高效協(xié)同。

4 結(jié)束語

隨著配電網(wǎng)的智能化改造，大量的感知設(shè)備將接入配電網(wǎng)。同時，大量分布式多能流微能源網(wǎng)也將接入配電網(wǎng)中。通過對三峽壩區(qū)配電網(wǎng)信息架構(gòu)進(jìn)行的重構(gòu)，定義以全面感知為基礎(chǔ)的“云—管—邊—端”的體系架構(gòu)。但配電網(wǎng)的建設(shè)和改造是一個復(fù)雜的工程，其健康有序發(fā)展還有待于以下方面的完善和改進(jìn)。

（1）目前大多數(shù)配電自動化改造僅采集了電氣參量，應(yīng)更廣泛采集理化參量、環(huán)境參量等狀態(tài)量。

（2）目前不同的業(yè)務(wù)場景采用了不同的通信方式和規(guī)約機(jī)制，應(yīng)建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。根據(jù)各地區(qū)配電網(wǎng)高度標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)需求，建立配電物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高互通互聯(lián)和即插即用能力。

（3）強(qiáng)化新型技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。充分利用配電物聯(lián)網(wǎng)開放性的特點，深化對智能傳感、本地通信、邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，確保配電物聯(lián)網(wǎng)支持其配電網(wǎng)高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王守相，王成山.現(xiàn)代配電系統(tǒng)分析[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2] 陳嘉鵬，湯乃云，湯華.考慮可再生能源利用率的風(fēng)-光-氣-儲微能源網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究[J].可再生能源，2020，38（1）：70-75.

[3] 劉日亮，劉海濤，夏圣峰，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電臺區(qū)中的應(yīng)用與思考[J].高電壓技術(shù)，2019，45（6）：1707-1714.

[4] PETRIK D，HERZWURM G. IIoT Ecosystem Development through Boundary Resources：a Siemens MindSphere Case Study[C]// Proceeding of the 2nd ACM SIGSOFT International Workshop on Software-Intensive Business：Start-ups，Platforms and Ecosystems，August 2019，Tallin，Estonia，2019：1-6.

[5] FARDANESH B ，SHAPIRO A ，SAGLIMBENE P，et al.A Digital Transformation at New York Power Authority：Using Innovative Technologies to Create a More Efficient Power System[J].IEEE Power and Energy Magazine，2020，18（2）：22-30.

[6] 馬瑞，王大朔.考慮天然氣N-1的多能流系統(tǒng)靜態(tài)安全耦合分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2019，39（6）：1627-1636，1859.

[7] 鄭亞鋒，魏振華，高宇峰，等.多能流系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)-節(jié)能多目標(biāo)最優(yōu)運行[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2020，32（9）：77-85.

[8] 宋宸宇，王承陽，李寶寬.面向未來綠色家園的多能流系統(tǒng)建模與優(yōu)化[J].熱力發(fā)電，2020，49（9）：32-38.

[9] 于東立，曹軍，屠聰為，等.考慮線性化網(wǎng)絡(luò)約束的電-熱多能源系統(tǒng)最優(yōu)能量流分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2019，39（7）：1933-1944.

[10] 姚衛(wèi)星，秦力.三峽工程施工電網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃管理[J].葛洲壩集團(tuán)科技，2007（4）：67-70.

[11] 王鵬，林佳穎，寧昕，等.配電網(wǎng)全景信息感知架構(gòu)設(shè)計[J].高電壓技術(shù)，2021，47（7）：2293-2302.

[12] 王海柱，趙瑞鋒，郭文鑫，等.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的低壓配電臺區(qū)數(shù)據(jù)采集方案[J].電氣技術(shù)，2021，22（3）：80-83.

[13] 呂軍，欒文鵬，劉日亮，等.基于全面感知和軟件定義的配電物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2018，42（10）：3108-3115.

Exploration and Research on the Architecture of Power Distribution Internet of Things with Distributed Multi-energy Flow Microenergy Network

ZHOU Jing，HE Wei，DONG Hongwei

（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：Micro-energy networks with distributed multi-energy flows and large power grids，together with a large number of Internet of Things （IoT）devices connected to the low-voltage distribution network will be the future development trend of China's energy system. This evolution from traditional power networks to smart energy-information integration poses new challenges to distribution networks. Taking the distribution grid in the Three Gorges Dam area as an example，we explore the information integration and coordinated and optimized operation architecture for power distribution which includes multiple micro-energy grids with multi-energy flow. On this basis，we propose the architecture design of layered distribution IoT for the deep integration of IoT technologies and distribution grids，and also offer suggestions for the future development of distribution IoT.

Key words：multi-energy flow system；energy management；power distribution Internet of Things；information perception；layered control

基金項目：中國長江三峽集團(tuán)有限公司科研項目（202103521）

作者簡介：周 靜，女，高級工程師，碩士，主要研究方向為用戶側(cè)電力系統(tǒng)及分布式綜合能源系統(tǒng)。E-mail：zhou_jing@ctg.com.cn