基于海量實時數(shù)據(jù)中心的電能量全生命周期管理

張 弦，方正偉

（江蘇瑞中數(shù)據(jù)股份有限公司，南京210003）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設的不斷推進，大規(guī)模新能源發(fā)電、儲能與微電網(wǎng)、客戶側智能交互、智能用電等新的環(huán)節(jié)逐步融入到了電力生產運行的過程中。電能量可以被認為是電力生產運行過程中唯一的產物，實質上，電力生產的全過程，也就是電能量產生、流轉、儲存、損耗以及消納的全過程。電能量全生命周期管理是指通過計算機技術管理電能量產生、流轉、存儲、損耗以及消納的全過程，即能量在電力系統(tǒng)中流動的全過程。實現(xiàn)電能量全生命周期管理，關鍵是實現(xiàn)電力生產及消費各環(huán)節(jié)中信息的融合與過程集成及控制，并在此基礎上進行全生命周期的綜合分析和輔助決策。

1 電能量管理的現(xiàn)狀和需求

在電力生產運行過程中，與電能量管理相關的系統(tǒng)包括發(fā)電效率管理系統(tǒng)（GEM）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、配電管理系統(tǒng)（DMS）、用戶用電信息采集系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)十個。隨著電網(wǎng)技術的發(fā)展，智能家居用電服務系統(tǒng)、電動汽車充電站管理、智能需求側管理（DSM）等新興系統(tǒng)或業(yè)務也逐漸成熟，且對數(shù)據(jù)的要求越來越高。

目前這些系統(tǒng)相互獨立運行，涉及的電能量應用也僅僅服務于各自的專業(yè)領域。但隨著社會經濟的快速發(fā)展，對電力生產的安全性、可靠性、經濟性、兼容性、友好性以及環(huán)保性要求日益苛刻，局限于單個環(huán)節(jié)的電能量管理已越來越難以滿足電網(wǎng)發(fā)展的需要。

以典型的故障搶修應用為例，其執(zhí)行涉及電能量的流轉與消納兩個環(huán)節(jié)，細化來看又分為在高電壓等級、低電壓等級、客戶側、客戶內4個階段的流轉以及相互間的轉換5個子環(huán)節(jié)。目前，該應用的執(zhí)行必須在與這5個子環(huán)節(jié)相對應的至少5個系統(tǒng)內部進行流轉，數(shù)據(jù)的可靠性受到了很大的制約，使得系統(tǒng)可用性較差。同樣，以電能量的損耗管理（也稱線損管理）為例，線損從產生到消納的全過程應該是連續(xù)可分解的，實質上實現(xiàn)該過程的連續(xù)可分解是實現(xiàn)電網(wǎng)可靠性、經濟性、友好性以及環(huán)保性的關鍵。但由于各環(huán)節(jié)的各系統(tǒng)獨立運行，線損管理按照不同的電壓等級、統(tǒng)計口徑、計算方法被人為地拆解成了多個不同的階段，從而使得這些來自于不同階段的損耗數(shù)據(jù)存在很大出入，以至基于這些數(shù)據(jù)進行綜合分析和輔助決策的價值基本無法得到體現(xiàn)。

隨著社會經濟與電網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，更多、更新的應用方向也對電能量全生命周期管理提出了更高的要求。例如：如何使系統(tǒng)在緊急狀態(tài)下能夠獲得分布式電源和儲能電池的實時數(shù)據(jù)，以快速調節(jié)并網(wǎng)和充放電策略（涉及電能量的產生、流轉與存儲）；如何使客戶了解當前實時動態(tài)電價，以調整自己的用電模式（涉及電能量的流轉與消納）；如何使調度運行部門能夠收集并快速分析當前電網(wǎng)和外部環(huán)境（例如極端氣象和地質條件）的數(shù)據(jù)變化，以及時調整電網(wǎng)運行和管理策略（涉及電能量的產生、流轉與消納）；如何按照信息的時效性和安全等級來確定海量實時數(shù)據(jù)處理模式（如并行計算、網(wǎng)格計算和云計算）和信息安全策略等。

2 電能量全生命周期管理的關鍵技術

2.1 統(tǒng)一的信息模型

電能量的全生命周期中涉及多個不同的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)和各自的數(shù)據(jù)庫往往采用不同的接口標準和信息模型開發(fā)，系統(tǒng)間相對獨立以至于很難實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)共享和業(yè)務融合。一般來說，EMS通常采用IEC-61970標準，DMS通常采用IEC-61968標準，智能變電站部分以IEC-61850標準為主，電源部分常用的有分布式電源模型IEEE 1547標準、風力發(fā)電模型IEC 61400225標準、分布式電源模型IEC 61850標準和水電蓄能模型IEC61968標準等，用電采集環(huán)節(jié)多采用自己的私有協(xié)議。

已有的標準種類已如此繁多，新興業(yè)務系統(tǒng)包括高級計量、電動汽車、微電網(wǎng)、分布式發(fā)電、大規(guī)模儲能在內的模型還均未建立或部分在建立。此前，已經不少專家學者呼吁建立統(tǒng)一的模型，其目的均為實現(xiàn)統(tǒng)一的電能量管理，由此可見構建覆蓋電能量全生命周期的所有實體及其關系的統(tǒng)一信息模型，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和業(yè)務融合不可或缺的關鍵步驟。

2.2 海量實時數(shù)據(jù)中心

在統(tǒng)一信息模型的基礎上，為便于執(zhí)行電能量全生命周期管理，特別是跨電能量全生命周期綜合應用的實現(xiàn)，需要提供統(tǒng)一的、覆蓋電力生產全過程的數(shù)據(jù)集市，即海量實時數(shù)據(jù)中心。海量實時數(shù)據(jù)中心由大量的實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)構成。

海量實時數(shù)據(jù)中心是指將電力生產全過程中各系統(tǒng)或業(yè)務應用產生的采集數(shù)據(jù)進行集中存儲、整合、共享和分析的場所，同時提供對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一標準訪問的服務。海量實時數(shù)據(jù)中心的關鍵在于海量與實時。海量：僅一個省電力公司，每年產生的與電能量直接或間接相關的各類采集數(shù)據(jù)的條目就超過千億級，數(shù)據(jù)總量達到Pb級；實時：對電力生產運行過程中產生的大量數(shù)據(jù)的處理時延要求往往是秒級甚至毫秒級。海量實時數(shù)據(jù)中心的核心技術在于：在PB級的數(shù)據(jù)規(guī)模下，完成數(shù)據(jù)的毫秒讀、毫秒寫，超大規(guī)模數(shù)據(jù)匯集、超大規(guī)模數(shù)據(jù)斷面查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及數(shù)據(jù)實時加工、數(shù)據(jù)展現(xiàn)等。

2.3 大數(shù)據(jù)處理與分析技術

電能量全生命周期管理涉及的數(shù)據(jù)量巨大，如何有效地利用這些數(shù)據(jù)分析出對電力生產運行有價值的結果是一個難題。在這一背景下，電力大數(shù)據(jù)技術應運而生。電力大數(shù)據(jù)技術是指應用與大數(shù)據(jù)相關的技術處理電力生產運行過程中產生的海量數(shù)據(jù)的技術。而電能量全生命周期管理對大數(shù)據(jù)的需求，其迫切性遠超過技術本身。首先，在電力生產環(huán)節(jié)（電能量的產生與存儲），風光儲等新能源的大量接入，打破了傳統(tǒng)相對“靜態(tài)”的電力生產，使得電力生產的計量和管理變得日趨復雜。其次，電能的光傳輸特性（電能量的流轉與損耗）引起的瞬間電網(wǎng)失衡會造成無法挽回的損失，再依靠“人工＋設備＋經驗判斷”的半自動生產經營方式，電力系統(tǒng)的生產經營人員將不堪重負。最后，在電力經營環(huán)節(jié)（電能量的消納），隨著下一代電力系統(tǒng)的逐步演進，以高度靈活的數(shù)據(jù)驅動為代表的電力供應鏈，將逐步取代傳統(tǒng)的靜止電力供應鏈。

這種靈活性來自于電力系統(tǒng)管理者對電力設施真正運行狀態(tài)的洞察力。通過獲取質量更好、粒度更細的數(shù)據(jù)，才能真正提升電力行業(yè)對當前電力供應鏈的“能見度”，電力生產供需管理才能變得更為有效，電力行業(yè)的經營管理者可以通過這些信息記錄，了解電力基礎設施的歷史、可靠性和成本。通過這些方式來整體優(yōu)化電網(wǎng)，進而滿足高度準確的預測需求。與此同時，電力消費者可以通過對功耗的實時了解，有意識地調整自己的用電方式，這是能源節(jié)約的必經之路。

3 基于海量實時數(shù)據(jù)中心的電能量全生命周期管理的價值

3.1 提高精益化管理水平

電能量數(shù)據(jù)流向示意圖如圖1所示。由圖1可知，大量數(shù)據(jù)通過前置機或者業(yè)務系統(tǒng)，以毫秒級高速進入數(shù)據(jù)中心，保障了數(shù)據(jù)覆蓋率及準確率。

數(shù)據(jù)中心在保障數(shù)據(jù)真實性、可靠性、安全性的基礎上，可以提供任意環(huán)境下的數(shù)據(jù)訪問，并通過大量歷史數(shù)據(jù)支撐任意場景下的歷史反演。由于大規(guī)模的數(shù)據(jù)集市匯集來自不同業(yè)務條線的業(yè)務數(shù)據(jù)，可以按需供給第三方業(yè)務系統(tǒng)訪問，使得跨數(shù)據(jù)、跨業(yè)務的應用更加靈活、快捷。而多數(shù)據(jù)集的分類匯總，可以大大提高數(shù)據(jù)利用率?？梢?，基于海量實時數(shù)據(jù)的電能量全生命周期管理，可以從數(shù)據(jù)角度最大限度地提高電網(wǎng)的精益化管理水平。

圖1 電能量數(shù)據(jù)流向示意圖

3.2 降低系統(tǒng)集成成本

系統(tǒng)集成效果示意圖如圖2所示。大量數(shù)據(jù)通過匯集到海量實時數(shù)據(jù)中心進行全程監(jiān)控，同時按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型來支撐跨業(yè)務域的應用集成與數(shù)據(jù)分析；通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，簡化了業(yè)務系統(tǒng)對外的接口提供，避免了“點對點”式接口；對企業(yè)內各類實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與定期校驗，保證了業(yè)務應用間數(shù)據(jù)的準確、完整及一致。

圖2 系統(tǒng)集成效果示意圖

系統(tǒng)集成成本分析示意圖如圖3所示。從圖3中左半部分可以看出，假設有X個數(shù)據(jù)源（圖中為：A，B，…，X），Z個業(yè)務應用系統(tǒng)，且每個業(yè)務應用系統(tǒng)都需訪問所有數(shù)據(jù)源，那么所需開發(fā)接口數(shù)量為XZ。從圖3中右半部分可以看出，通過數(shù)據(jù)共享，相同假設條件下，只需開發(fā)X＋Z個接口，節(jié)省工作量比率為（1-（X＋Z）／XZ）×100%。隨著數(shù)據(jù)源、業(yè)務應用系統(tǒng)的不斷增加，節(jié)省的接口數(shù)量按照乘積關系遞增。由此可見，系統(tǒng)越復雜，工作量比率函數(shù)越接近最大值100%。

圖3 系統(tǒng)集成成本分析示意圖

3.3 最大限度保障電力安全

在電力系統(tǒng)內，用電安全表現(xiàn)為生命安全，財產安全及社會安全。以生命安全為例：在用電異常的情況下，迅速切斷電源是電力安全保障的重要措施。電能量全生命周期管理可以在精益化管理的基礎上，智能處理異常，保障電力安全。

以智能家居中一起普通用電事故為例：假設電冰箱的額定電壓為A，額定電流為B，當超過額定功率時可智能切斷電源并智能恢復。若人體電阻以1000～2000Ω計算，那么通過設置地板材質、鞋等電阻因子，便可在冰箱工作異常的情形下智能切斷冰箱電源且告警并只能手動恢復，從而最大限度保證電力安全。

3.4 提高了經濟及可靠性

基于海量實時數(shù)據(jù)中心的電能量全生命周期管理可以在更經濟的管理成本的基礎上，提供更可靠的電力水平。以故障搶修為例，在出現(xiàn)故障特別是用電故障時，迅速找到故障點、切斷故障源，并完成派工、搶修、恢復生產作業(yè)，可以降低電力成本，極大提高電網(wǎng)可靠性。

海量實時數(shù)據(jù)中心以數(shù)據(jù)點為基本存儲單元，數(shù)據(jù)覆蓋故障可能存在的所有環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有的技術框架下，通過計算服務、數(shù)據(jù)告警服務等子系統(tǒng)配置，完成故障點告警并通過跨全生命周期的故障綜合分析迅速定位故障點，不僅故障點定位準確率高，而且通過合并工單等方式解決了重復派工等諸多困難。

3.5 更進一步促進綠色及低碳生活

基于海量實時數(shù)據(jù)的電能量全生命周期管理將結合智能配用電、智能家居等業(yè)務應用，將每一度電從生產到消納，完全納入管理范疇，完成綠色低碳“從被動變主動，從主動變自動，從自動變智能”的多級跨越。

4 經濟效益及社會效益

按照國家發(fā)改委定制的標準是火電廠平均發(fā)電1 k Wh煤耗是360 g標準煤。如果按標準煤燃燒計算公式，1 kg標準煤完全燃燒，釋放0.568 kg碳粉塵、2.493 kg二氧化碳、0.075 kg二氧化硫、0.038 kg氮氧化物。平均1 k Wh電將產生204 g粉塵、897 g二氧化碳、27 g二氧化硫、14 g氮氧化物?！峨姳O(jiān)會發(fā)布2012年電力工業(yè)運行情況監(jiān)測報告》指出，2012年我國全社會用電量達到4.96萬億k Wh，其中火力發(fā)電量為3.92萬億k Wh。目前，我國平均綜合線損率高于6.5%，日常用電浪費高達10.0%。

僅以火力發(fā)電為例，其上網(wǎng)電價約為0.45元／k Wh，3.920萬億k Wh的火電意味著1.764萬億的購電成本。如實現(xiàn)電能量全生命周期的管控，就可以在整個生命周期內對電能量的損耗進行實時的監(jiān)視和控制，使得電能量的總體損耗得到大幅降低。按照不完全的估算，這種管理模式上的革新，可以讓現(xiàn)行的電能量總體損耗下降3～7%。按照1.764萬億的購電成本，能耗降低3%計算，就意味著每年節(jié)約529.2億。而從環(huán)境污染角度看，能耗降低3%意味著少排放240.0億kg的粉塵、1056.0億kg的二氧化碳、31.0億kg的二氧化硫、16.1億kg的氮氧化物。

5 結語及應用展望

5.1 統(tǒng)一的線損計算與分析應用平臺

基于本文構想，可以構建覆蓋電能量全生命周期的統(tǒng)一線損計算與分析應用平臺。該平臺可以從海量實時數(shù)據(jù)中心獲取來自于電力生產運行全過程的狀態(tài)數(shù)據(jù)、營銷系統(tǒng)的售電數(shù)據(jù)以及生產管理系統(tǒng)的電網(wǎng)設備靜態(tài)參數(shù)（型號、規(guī)格等），通過“基于實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)的電網(wǎng)綜合線損分析方法”等一系列實時數(shù)據(jù)相關計算方式作統(tǒng)一的計算與分析，實現(xiàn)電壓等級、統(tǒng)計口徑和計算方式的融合，可從根本上解決目前規(guī)劃、交易、調度、配電、營銷、用采多個環(huán)節(jié)線損數(shù)據(jù)存在出入分析價值低的現(xiàn)狀。

5.2 智能家居用電服務

智能家居用電服務將電能量全生命周期管理延伸到客戶側，構建家庭戶內的通信網(wǎng)絡。通過智能交互終端、智能插座、智能家電等，實現(xiàn)對家用電器信息自動采集、分析、管理，實現(xiàn)家電經濟運行和節(jié)能控制。在此基礎上，通過電力大數(shù)據(jù)技術提供互動的用電服務，包括有供電信息服務、家電互動控制服務、家庭用電管理、自助繳費服務等方向。

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