為應對能源互聯網發展對配電網的要求,基于“云大物移智”等新一代信息通信技術的配電物聯網應運而生,成為能源轉型“再電氣化”發展的新思路、新模式、新焦點。文章首先論述配電物聯網的內涵構想和應用特征,強調其全面感知與軟件定義的屬性;其次提出由“云、管、邊、端”構成的配電物聯網體系架構,強化了對“邊”、“端”的功能定位與技術創新;然后介紹了未來配電物聯網的應用方向,除增強配電網的智能化管控能力外,其也將促成個性化定制、服務化延伸等新型應用模式;最后分析了配電物聯網的實施對電力公司、電力用戶及社會的重要意義,并根據前期試點成果,提出配電物聯網下一步發展的建議。
關鍵詞 :配電物聯網;全面感知;軟件定義;分布式智能;
（來源：微信公眾號 電網技術 ID：dwjs1957 作者：呂軍1, 欒文鵬2, 劉日亮1, 王鵬2, 林佳穎2）
0 引言
配電網處于電力系統的末端環節[1-2],面向廣大用戶,其運行狀況直接影響用戶體驗和供電可靠性。據統計,用戶平均停電時間的90%以上是由配電網的因素引起的[3-4]。而近幾年備受關注的能源結構調整、產業結構升級和智慧城市建設等又對配電網發展提供了全新的機遇和挑戰[5]。
長期以來我國配電網的建設一直在不斷推進。20世紀90年代,配電網建設資金短缺,設備技術性能落后,調節手段不足,事故頻繁發生,通過調整網絡結構、采用先進設備、優化運行技術等方式對配電網進行改造,為實現配電自動化打下基礎[6]。2009年國家電網公司開始全面建設智能電網,要求配電網實現實時監控與信息交互、支持不同比重的分布式能源接入[7],除大范圍試點配電自動化系統外[8],還建設了生產管理系統[9]、供電服務指揮系統[10]、用電信息采集系統或高級量測體系[11]等信息管理系統。近幾年,隨著新能源技術[12-13]、配電技術[14-16]、用電能效技術[17-19]、信息通信技術[20-21]的迅速發展,配電網已從單純的電力網絡向智能能源信息一體化方向演變。但是配電網建設仍然面臨設備總量大[1]、量測覆蓋率嚴重不足[2]、設施標準化程度低[22]、發展不平衡不充分[23]、可變負荷沖擊大[24]、市場化調節機制手段相對較少[25]、用戶需求逐步呈現多樣化[26]等諸多挑戰。
當前,以新能源大規模開發利用為標志,以“再電氣化”為路徑的新一輪能源革命,正在全球范圍深入發展[27-28]。作為能源革命中心環節的電網,從技術特征上看,正向新一代電力系統演進;而從功能形態上看,將向能源互聯網演進[23]。在此背景下,傳統的配電網管理模式、技術手段,已經無法滿足社會經濟發展、能源互聯網對配電網轉型發展的要求,無法滿足人民群眾美好生活的用電需求。近年來,以互聯網為代表的新一代信息通信技術不斷發展滲透[29-30],車聯網、健康、家居、智能硬件、可穿戴設備等消費市場需求日益活躍[31],為傳統產業發展形成以人為中心的、信息物理深度融合的聯通互動、數字孿生、虛實交融的新業態指明了方向。能源管理作為互聯網技術應用改造的關鍵領域,亟需在管控手段薄弱的配電網應用互聯網理念和“云大物移智”等先進技術[32-33],在實現配電網可觀可控的基礎上,提升信息數據的集成與應用能力,實現信息系統與配電系統的融合,從本質上提升配電網建設、運維、管理水平,適應精益化的管理要求,快速靈活地適應業務需求變化,滿足能源轉型“再電氣化”需求。因此,配電物聯網的理念和解決方案應運而生,并將成為未來產業布局的新思路、新模式、新焦點。
1 內涵和構想
配電物聯網是能源轉型要求下配電網融合以互聯網為代表的新一代信息通信技術的新型發展形態,其概念的提出融合了當前主要的技術進步和行業發展需求,具體包括：
1）物聯網。
物聯網是感應通信技術、基于IP技術的智能采集技術、容器技術、第五代移動通信技術(5G)、窄帶物聯網(NB-IoT)等新一代信息技術的高度集成和綜合運用[11,31,34]。基于感知、網絡、應用3層結構[35],
使更多的設備實現廣覆蓋的采集、更低成本和低風險的泛在接入,以及更深入的智能控制[36-37],促進生產生活和社會管理進一步向智能化、精細化、網絡化方向轉變[38]。
2）工業互聯網。
工業互聯網是新一代信息通信技術與現代工業技術深度融合的產物,工業互聯網平臺是制造業數字化、網絡化、智能化的重要載體[39-40]。在工業互聯網平臺架構中,數據采集是基礎,對多源信息進行高效采集和云端匯聚;工業PaaS是核心,為工業應用軟件開發提供一個基礎平臺;工業APP是關鍵,推動技術、經驗、知識和最佳實踐的模型化、軟件化、再封裝,實現對特定制造資源的優化 配置[41]。
3）智能電網分布式智能體系。
隨著通信和信息技術的進步,電網的管理也由以往的集中式管理向集中式和分布式管理協同的方向發展,把決策能力延伸到電網末端。智能電網分布式智能體系把電網分成許多片(cell),每片中包含許多由片內通信連接起來的智能網絡代理(IA),可以對局部控制并作出自主決策,也可以經片內的協調做出決策,如圖1所示[42]。同時各片之間,以及配電調度中心和輸電調度中心之間也通過通信聯接,根據整個系統的要求協調決策,實現跨地理邊界和組織邊界的智能控制,使整個系統具有自愈功能[3]。
4）基于IP技術的電網設備監管。
對電網設備和資產運行狀況實時監管,從而保障電網的安全可靠運行以及電網資產的高效健康利用,是各電力公司追求的終極目標。互聯網技術的普及為這一目標的實現奠定了基礎。基于成熟的IP技術和工具(如IPv6的網絡通信技術),電力公司可以部署配電設備和網絡元件的監控和管理系統,實現全部配電設備在統一的網絡視圖下納入集中統一管理,具備遠程狀態實時監控和故障事件收集記錄、故障點定位和排查、智能設備的身份驗證和登錄準入等功能,有效降低配電網運行和維護的復雜程度[43]。
圖1 分布式的智能電網智能體系結構Fig. 1 Architecture of distributed smart grid
5）軟件定義。
軟件定義是在物理資源虛擬化的基礎上,通過管理任務可編程實現靈活、多樣和定制的系統功能,從而實現軟件對物理硬件設施與系統的賦值、賦能和賦智。目前,軟件定義已經延伸出了多種概念和技術,包括軟件定義網絡、存儲、計算、環境、數據中心等,為人、機、物融合下的各種資源全方位互聯互通提供了堅實的理論技術基礎[44]。
6）信息物理融合建模。
信息物理系統(cyber physical system,CPS)是實現計算、通信以及控制技術深度融合的下一代工程系統,更強調全面的信息獲取和利用,因而融合建模是其研究重點。通過對應用領域信息模型與服務的抽象與規范,以及通信服務的映射,支持端到端的發布與定義機制,滿足不同應用服務需求[45]。
上述技術和應用均是互聯網根據不同的應用需求發展而成的具有不同側重的產業和技術形態。配電物聯網將其應用于電力、能源領域,充分吸收物聯網的泛在感知和IP通信的特點、工業互聯網的泛在計算技術(平臺+APP),并融合分布式智能體系把智能代理分布于電網不同層點的設想,引入云計算和邊緣計算相結合的分布式智能協同工作的理念,借鑒軟件定義構想和信息融合建模,實現對配電網絡和資產的全面感知和監管,形成了自己獨特的內涵：
配電物聯網是傳統工業技術與物聯網技術深度融合產生的一種新型電力網絡運行形態,通過賦予配電網設備靈敏準確的感知能力及設備間互聯、互通、互操作功能,構建基于軟件定義的高度靈活和分布式智能協作的配電網絡體系,實現對配電網的全面感知、數據融合和智能應用,滿足配電網精益化管理需求,支撐能源互聯網快速發展,是新一代電力系統中的配電網的運行形式和體現。
2 應用特征
在應用層面上,配電物聯網具備以下特征：
1）狀態全面感知。
在配變、分支箱、戶表、充電樁、分布式能源等關鍵節點應用低成本的智能識別和感知技術,對配電網設備及線路進行數據采集和監控管理;同時建立統一的信息模型和映射機制,促進各類設備與應用在IP網絡的無縫對接,即插即用,通過廣泛互聯,實現端到端及端到云的互聯互通互操作,為構建安全、標準、兼容、可靠的支持多種業務融合的新型配電網運營系統提供數據通信基礎。
2）分布式智能部署。
在云主站部署基于機器學習和深度學習框架的集中式數據計算,同時賦予終端設備部署快速、算法簡便的邊緣計算和就地管控能力,促使二者在網絡、業務、應用和智能方面進行深度協同,使配電網具備分布式智能以及各級智能自治/協同的能力。通過云-端協同,實現系統的快速決策和響應。
3）軟件定義系統。
將軟件定義與數據科學、人工智能技術深度融合,形成包括軟件定義主站、軟件定義網絡、軟件定義終端在內的產業鏈,通過軟硬解耦,實現業務快速迭代,打破原有封閉、隔離、固化的管理模式,構建扁平、靈活、高效的新型業務系統形態。
4）應用模式升級。
通過建設包括資源管理、數據建模及分析、應用開發等功能在內的核心和共性技術,實現配電技術的模型化,提高應用服務開發效率,促進現有配電業務的增量型和進化型改進,并創造出更多基于物聯網理念的應用,促成新的產品和服務模式,拓展新的發展方向。
5）業務快速迭代。
針對業務需求,基于配電終端硬件平臺化的基礎,以軟件定義的方式,在配電終端及主站實現業務服務的快速靈活部署,滿足配電網形態多樣和快速變化的業務需求。
6）資源高效利用。
基于云-端協同的分布式智能架構,實現系統計算、網絡、存儲等資源的統一管控、彈性分配,提高數據、通信、計算等各方面資源的整體配置效率。
3 體系架構
按照配電物聯網的構想,依據軟件定義的原則和可靠性、經濟性、擴展性、標準化、智能化等方面的需求,本文提出了配電物聯網的整體架構,如圖2所示。區別于傳統物聯網感知層、網絡層和應用層的3層架構,配電物聯網架構整體上可劃分為“云、管、邊、端”4個部分。
3.1 端
“端”是配電物聯網架構中的狀態感知和執行控制主體終端單元,其利用傳感技術、芯片化技術,實現對配電設備運行環境、設備狀態、電氣量信息等基礎數據的監測、采集、感知,突破了低壓配電網不可觀測的限制,也擴大了中壓配電網的量測覆
蓋范圍,是實現配電物聯網的基礎;同時,“端”也是配電網保護、控制操作的末端執行單元,支撐配電網可靠運行操作動作的執行。不同于傳統終端軟硬件綁定的設計思路,“端”層設備采用通用的硬件資源平臺,通過APP以軟件定義方式實現業務功能,基于面向對象的設計方法,提高程序開發效率和可擴展性,降低維護難度及各APP之間的耦合性,便于業務快速部署和擴展。“端”層示意圖如圖3所示。
圖2 配電物聯網架構Fig. 2 Architecture of D-IoT
圖3 “端”層示意圖Fig. 3 Diagram of terminal layer
3.2 邊
“邊”是一種靠近物或數據源頭處于網絡邊緣的分布式智能代理,就地或就近提供智能決策和服務。“邊”和“端”從物理的角度上可以是一體化的,例如正在部署的智能配變終端具備開放式的軟件平臺,提供互聯、業務功能,是“邊”和“端”的融合體。但同時,從邏輯架構的角度來看,“邊”是獨立存在的,通過軟件定義的方式,實現終端側硬件資源與軟件應用的深度解耦,在無需硬件變更的情況下滿足配電臺區不斷變化的應用需求,大幅拓展了包括智能配變終端在內的各類終端的功能應用范圍,并且從計算資源的角度,在終端側增加了邊緣計算的層級,實現感知數據的本地化處理,促進了“端”層的邊緣計算與“云”層的大數據應用高效協同,提升了配電網整體計算能力。“邊”層示意圖如圖4所示。
3.3 管
“管”是“端”和“云”之間的數據傳輸通道,
通過軟件定義網絡架構實現多種通信方式融合的網絡資源綜合管理與靈活調度,提升網絡服務質量,滿足配電物聯網業務靈活、高效、可靠、多樣的基于IP的通信接入需求。配電物聯網的“管”層主要包括遠程通信網和本地通信網2個部分,如圖5所示。
1）遠程通信網。主要滿足配電物聯網平臺與邊緣節點之間高可靠、低時延、差異化的通信需求,屬于廣域通信網的范疇。
2）本地通信網。支持多種通信媒介、具備靈活組網能力,主要滿足配電物聯網海量感知節點與邊緣節點之間靈活、高效、低功耗的就地通信需求,屬于局域網范疇。
圖4 “邊”層示意圖Fig. 4 Diagram of edge layer
3.4 云
“云”是云化的主站平臺。在滿足傳統配電自動化系統、設備資產管理系統數據貫通、信息融合的基礎上,未來的主站平臺將采用虛擬化、容器技術、并行計算等技術,以軟件定義的方式實現云主站對邊緣側計算、存儲、網絡資源的統一調度和彈性分配;采用云計算、大數據、人工智能等先進技術,實現物聯網架構下的全面云化,最終具備泛在互聯、開放應用、協同自治、智能決策的特點。“云”層可以分為如圖6所示的3部分：
1）IaaS層。實現云-端資源虛擬化,形成計算資源池,按需分配調度。
2）PaaS層。實現數據標準化,為應用提供運行環境支撐。PaaS層各環節以服務方式發布,提供各數據源從采集到應用的業務支撐,并支持自上而下的各環節服務接口調用。
圖5 “管”層示意圖Fig. 5 Diagram of channel layer
圖6 “云”層示意圖Fig. 6 Diagram of cloud layer
3）SaaS層。實現應用服務化,提供多種面向業務需求的微服務。
綜上所述,基于“云、管、邊、端”架構的配電物聯網為配電網運行和管理提供強大的基礎設施支撐和對內外部需求變化的靈活的適配能力。為抵御配電網與互聯網技術的跨界融合面對的各種潛在安全風險,配電物聯網將構建“云”層安全防護為核心、“網”層安全防護為關鍵,“邊”及“端”層加密全覆蓋的全方位、輕量化、層次化的安全防護體系,確保配電物聯網的安全實施。
4 應用方向
與以往基于業務設計的網絡不同,配電物聯網是一種使能技術,將發揮其架構優化和靈活性的技術優勢,滿足多樣化需求。除提升配電網的智能化管控外,還將促成新穎的應用模式。目前,物聯網技術的實施正呈現指數式增長,需要在不斷嘗試和改進中探索其價值所在,從概念驗證走向規模化應用。隨著數據量、合作方、應用場景的豐富,配電物聯網的體量將會逐漸變大,可望最終形成顛覆性突破,實現源于服務的巨大收益。
4.1 智能化管控
1）資產管理。
利用成熟的IP技術和工具,實現對電網設備和網絡元件的實施監測和遠程管理。根據設備運行信息、停運狀態信息、負載狀態信息、天氣預報數據,感知設備運行狀態,對明顯異常數據進行自動識別與告警,主動評估配電網設備健康狀態及壽命情況,輔助配電網運維檢修工作,降低檢修成本,提高配網資產管理和設備利用率。
2）主動搶修。
綜合利用配電網運行全面感知及監測數據,結合網絡拓撲信息,考慮人員技能約束、物料可用約束,通過智能的優化算法,制定搶修計劃,變被動搶修為主動服務,提高故障搶修效率與優質服務水平。
3）區域能源靈活組網。
利用物聯網技術,將一個或多個以配電臺區為自然單位的區域配電網彈性互聯,靈活定制組網,構建區域能源管理平臺,實現配電網之間的時空能源協調互補,為區域配電網提供全新的協作和優化手段,為每個用戶提供智能準確的分布式發電、蓄能和用電三位一體的平衡服務。
4.2 定制化應用
1）需求響應。
分析不同用電設備的用電特性,以及不同用戶對電價的敏感性,為制定需求管理/響應激勵機制提供依據。除用戶需求外,還需要考慮電動汽車和可再生能源的自動需求側響應,根據實時負荷情況做出平衡資源的決策,解決長期供電電量與瞬時電力負荷不平衡的問題。
2）第三方應用集成。
通過提供開發工具、開發環境和微服務組件,吸引第三方開發者向平臺聚集,將資源匯聚共享,形成一系列面向配電網特定地區、特定階段、特定用戶的應用服務,不斷為配電物聯網注入新的價值。通過多方利益相關者的廣泛參與,打造配電物聯網生態系統。
3）服務快速部署。
基于面向多種業務需求的可重復使用和靈活調用的微服務,提高開發、測試和部署效率;建立用戶對需求的分析體系,挖掘用戶深層次的需求,形成對用戶的預知性判斷,快速滿足用戶潛在需求,實現從原有的單一服務向持續滿足并激發用戶新需求的方向轉變。
4.3 服務化延伸
1）平臺延伸服務。
基于配電物聯網平臺,建立遠程運維管理系統、能源管理系統、本地管理系統等多個系統,提供配網智能設備的實時監測、遠程診斷與在線運維服務,實時掌管設備運行和利用狀況,及時獲取報警和預警信息,并實現電子化運維管理流程,創新服務價值,促進電力企業的服務化轉型。
2）數字信息延伸服務。
基于物聯網平臺,提出包括數據存儲、數據處理、數據服務、咨詢服務在內的信息服務,讓更多用戶無需注意底層數據問題,專心挖掘數據價值,也為政策制定、企業決策、個人生活提供服務。
3）應用延伸服務。
隨著技術的不斷成熟和生態的逐漸完善,配電物聯網的應用價值將從效率提升延伸到與服務交融,應用的范圍將超越內部效率的提升,基于物聯網的服務應用逐漸增多,并涌現出B2C、C2B、O2O等新的商業模式。
5 結語
配電物聯網是能源革命下傳統電網向能源互聯網發展所產生的一種新型電力網絡運行形態。基于智能電網分布式智能體系的理念,及以自動化為代表的工業互聯網體系和以互聯網為代表的信息體系的融合,通過將物聯網技術在配電網中的深度應用,構建以全面感知為基礎、以軟件定義為手段的高度靈活與智能的配電系統運管體系架構,從本質上支撐配電網在精益管理、科學決策等方面的發展需求,并且客觀上作為使能技術將帶動配電網相關產業的升級和轉型。
迄今為止,國家電網公司已在部分地區進行了配電物聯網的功能驗證試點部署,安裝了基于軟件定義的新型智能配變終端,實現了對臺區內設備的智能化感知、監控和管理;同步開發了包括充電樁有序充電管理、低壓負荷接入自動識別、電能質量綜合處理等功能在內的多個終端APP,使配變終端可以根據其需求靈活彈性地擴展業務應用。新型智能配變終端極大程度地降低了上行通信流量、主站工作量和管控時間延遲,真正實現了對配變臺區的全面感知、即時研判和主動搶修。試點成果令人鼓舞,但配電物聯網的建設和推廣是一個復雜的系統工程,其健康有序發展還有待于如下幾個方面的努力：
1）建設高質量的技術標準體系。結合工業體系和信息體系的特點,根據配電網高度標準化建設需求,創新建立配電物聯網技術標準,提高配電網設備互聯互通效率,提升設備即插即用和信息交互水平。
2）強化關鍵技術的研究與轉化。充分利用配電物聯網開放性的特點,結合“云大物移智”等新技術的發展,深化對智能傳感、本地通信和邊緣計算等關鍵技術的研究應用,確保配電物聯網支撐能源轉型發展目標的實現。
3）打造配電物聯網生態系統。以先進的發展理念和創新的技術標準體系為指導,吸引設備制造、系統開發、網絡運營、軟件研發等各類企業和利益相關者的廣泛參與,打造具備安全、開放、共贏特點的生態系統,通過創新驅動帶動配電網相關產業的升級,促進發展機遇和各類資源的開發共享,使得配電系統能夠更好地滿足未來能源用戶需求,成為新一代電力系統綜合能源服務網絡的基石。