大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用

陳淘　劉利兵

摘 要：智能電網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)展成熟，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)全景信息的采集。但隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、“能源互聯(lián)網(wǎng)”、“物聯(lián)網(wǎng)”等概念的提出，智能電網(wǎng)來(lái)自網(wǎng)外的數(shù)據(jù)也急劇增加，大量數(shù)據(jù)的涌入，一方面為智能電網(wǎng)的決策提供了更多的參考信息，另一方面，大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、甄別、處理又為智能電網(wǎng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。而“大數(shù)據(jù)+智能電網(wǎng)”可以有效解決當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，文中分別從智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、智能電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景和具體解決方案三方面論述了大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；Hadoop；互聯(lián)網(wǎng)+

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76；TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）04-00-02

0 引 言

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，全社會(huì)節(jié)能減排的壓力逐漸增大，電力行業(yè)的能耗在能源領(lǐng)域占比較高，多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家電力消費(fèi)占終端能源消費(fèi)比例約為20%，且呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì)[1]。智能電網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)展成熟，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)全網(wǎng)多維信息的采集，同時(shí)“互聯(lián)網(wǎng)+”、“能源互聯(lián)網(wǎng)”、“物聯(lián)網(wǎng)”等概念的提出，使得電力系統(tǒng)和外界的交互越來(lái)越頻繁，海量數(shù)據(jù)為智能電網(wǎng)建設(shè)帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。智能電網(wǎng)中如何利用海量數(shù)據(jù)，使得不同能源之間協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，改善我們的環(huán)境生活，已成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1-5]。

2011年，大數(shù)據(jù)的概念首次被提出，之后大數(shù)據(jù)技術(shù)得到了飛速發(fā)展。我國(guó)電力行業(yè)緊跟時(shí)代潮流，2013年，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)信息化專(zhuān)委會(huì)發(fā)布了《中國(guó)電力大數(shù)據(jù)發(fā)展白皮書(shū)》，將大數(shù)據(jù)引入到智能電網(wǎng)領(lǐng)域，2014年科技部批準(zhǔn)了三項(xiàng)有關(guān)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究的“863項(xiàng)目”。文獻(xiàn)[2，3]描述了大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，文獻(xiàn)[3-5]重點(diǎn)從電力系統(tǒng)的單個(gè)環(huán)節(jié)中論述了大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用。本文從三個(gè)方面闡述了大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用：首先，分析智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)；其次，分析大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域；最后，勾畫(huà)在Hadoop框架下，大數(shù)據(jù)的解決方案。

1 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

在大數(shù)據(jù)的定義中，最具代表性的為3V定義，即：規(guī)模性、高速性和多樣性。

（1）電網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)模大。智能電網(wǎng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)及負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增加，負(fù)荷與電網(wǎng)雙向交互等因素，使得電網(wǎng)數(shù)據(jù)量迅速增加，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小已達(dá)到了PB量級(jí)[3]。

（2）電網(wǎng)數(shù)據(jù)高速性。該性能決定于電網(wǎng)最重要的屬性，即實(shí)時(shí)保持電力電量平衡，但由于負(fù)荷波動(dòng)的隨機(jī)性，因此發(fā)電側(cè)出力必須實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化。同時(shí)電網(wǎng)故障也具有隨機(jī)性，為了保障電網(wǎng)可靠的運(yùn)行必須立即處理，這要求電網(wǎng)必須快速傳輸，及時(shí)處理電網(wǎng)數(shù)據(jù)。

（3）電網(wǎng)數(shù)據(jù)的多樣性。電網(wǎng)數(shù)據(jù)的多樣性主要表現(xiàn)為來(lái)源多樣性、存儲(chǔ)類(lèi)型多樣性、采集周期多樣性。數(shù)據(jù)來(lái)源多樣性如圖1所示，其數(shù)據(jù)來(lái)源渠道眾多，不只是網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，還有大量的網(wǎng)外數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)型多樣，除了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如用電信息采集系統(tǒng)、廣域測(cè)量系統(tǒng)采集的大量有關(guān)負(fù)荷、發(fā)電機(jī)及線(xiàn)路的數(shù)據(jù)，同時(shí)營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，變電站值班機(jī)器人及用于高壓線(xiàn)路巡線(xiàn)直升機(jī)也會(huì)產(chǎn)生大量的圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。采集周期多樣性，不同的數(shù)據(jù)采樣周期有較大的差別如保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)周期為毫秒級(jí)，廣域測(cè)量系統(tǒng)及大型負(fù)荷數(shù)據(jù)采集一般為分鐘級(jí)，普通居民用戶(hù)數(shù)據(jù)每天傳輸一次。

總之，智能電網(wǎng)中數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)來(lái)源多，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)增長(zhǎng)速度快等特點(diǎn)。當(dāng)前大數(shù)據(jù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛剛起步，利用相關(guān)技術(shù)對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)研究較少，智能電網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)涵蓋信息廣，不但可以反應(yīng)電網(wǎng)內(nèi)部的規(guī)律，而且在一定程度上可以折射出當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的狀況。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用領(lǐng)域

大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，本文從負(fù)荷預(yù)測(cè)、源網(wǎng)荷協(xié)同、網(wǎng)架規(guī)劃三個(gè)方面進(jìn)行論述。

2.1 負(fù)荷波動(dòng)及新能源出力預(yù)測(cè)

負(fù)荷預(yù)測(cè)作為電網(wǎng)電量管理系統(tǒng)的重要組成部分，其預(yù)測(cè)誤差的大小直接影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性及可靠性，較大的預(yù)測(cè)誤差會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)較高的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)階段負(fù)荷預(yù)測(cè)主要是通過(guò)負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)，利用相似日或者其他算法預(yù)測(cè)負(fù)荷的大小，短期預(yù)測(cè)精度較高，中長(zhǎng)期精度較差。隨著電網(wǎng)采集數(shù)據(jù)范圍增加，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以將氣象信息、用戶(hù)作息規(guī)律、宏觀經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等不同種類(lèi)的數(shù)據(jù)，通過(guò)抽象的量化指標(biāo)表征與負(fù)荷之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷變化趨勢(shì)更為精確的感知，提高預(yù)測(cè)精度。

分布式發(fā)電的不斷接入，特別是新能源滲透率的不斷增加，打破了原來(lái)電網(wǎng)運(yùn)行管理的模式，不但需要考慮負(fù)荷側(cè)的波動(dòng)，還要計(jì)及新能源出力的間歇性。在我國(guó)，新能源接入主要受制于兩個(gè)因素：（1）新能源大多分布在電網(wǎng)末端遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為脆弱，從而造成電網(wǎng)接納能力較弱；（2）新能源預(yù)測(cè)誤差較大，目前風(fēng)電出力預(yù)測(cè)日前和實(shí)時(shí)的誤差分別為20%、5%左右，這樣就會(huì)給電網(wǎng)調(diào)度帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。由于新能源較大的預(yù)測(cè)誤差，往往需要在大型新能源基地周邊建立配套的大型常規(guī)能源作為旋轉(zhuǎn)備用，以彌補(bǔ)新能源預(yù)測(cè)精度方面的不足。作為備用的常規(guī)電源，由于擔(dān)負(fù)著較重的旋轉(zhuǎn)備用，長(zhǎng)期不能工作在最佳運(yùn)行點(diǎn)，將造成其發(fā)電效率低以及能源的浪費(fèi)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以有效提高新能源出力的預(yù)測(cè)精度，如丹麥的維斯塔斯風(fēng)力技術(shù)集團(tuán)，在風(fēng)電出力預(yù)測(cè)時(shí)采用了IBM的大數(shù)據(jù)解決方案，在風(fēng)電出力預(yù)測(cè)時(shí)加入了地理位置、氣象報(bào)告、潮汐相位、衛(wèi)星圖像等結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化的海量數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化了風(fēng)力渦輪機(jī)布局，提高風(fēng)電發(fā)電及預(yù)測(cè)效率，獲得了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

2.2 源網(wǎng)荷協(xié)同調(diào)度

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效降低新能源預(yù)測(cè)誤差，但這對(duì)于新能源出力固有的波動(dòng)性，傳統(tǒng)的調(diào)度方法通過(guò)增加系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用來(lái)解決。在電力市場(chǎng)不斷完善的背景下，可以不通過(guò)調(diào)節(jié)常規(guī)電源的出力，而是利用市場(chǎng)手段，使得一部分用戶(hù)主動(dòng)削減或者增加一部分負(fù)荷去平衡發(fā)電側(cè)出力的變化，即通過(guò)需求側(cè)管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電量平衡。若要達(dá)到網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度需要大量的輔助信息，如新能源出力波動(dòng)大小、電網(wǎng)線(xiàn)路輸送能力、負(fù)荷削減電量的范圍、實(shí)時(shí)電價(jià)等，其中每個(gè)因素又受很多條件的影響，因此是一個(gè)非常復(fù)雜的電力交易過(guò)程，此時(shí)必須利用大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)掘數(shù)據(jù)內(nèi)部之間的聯(lián)系，從而制定出最佳調(diào)度方案。智能電網(wǎng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)最大的區(qū)別在于源網(wǎng)荷三者之間信息流動(dòng)的雙向性，三者之間信息在一個(gè)框架內(nèi)可以順暢的進(jìn)行交互，極大地提升電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性。

2.3 網(wǎng)架發(fā)展規(guī)劃

電網(wǎng)已經(jīng)從傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)展到智能電網(wǎng)，隨之將會(huì)成為能源互聯(lián)網(wǎng)的一部分，從而使得電網(wǎng)與整個(gè)能源網(wǎng)聯(lián)系的更為緊密。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的提出，為新能源接入提供了新的思路，試圖將不宜存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化為便于存儲(chǔ)的天然氣，但由于轉(zhuǎn)化效率較低，尚屬于技術(shù)論證階段。冷熱氣三聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了能源的階梯利用，能源利用效率高、環(huán)境污染小、經(jīng)濟(jì)效益好。電動(dòng)汽車(chē)的興起將會(huì)顯著提高能源末端電力消費(fèi)的占比，充換電站將會(huì)像加油站一樣分布在城市的每個(gè)角落。傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)來(lái)源渠道不足，數(shù)據(jù)分析挖掘能力欠缺，因此造成規(guī)劃過(guò)程中面臨著眾多不確定性因素的現(xiàn)象，特別是現(xiàn)在新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，能源結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變革，使得傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃方法往往與實(shí)際需求差別較大。電網(wǎng)規(guī)劃的過(guò)程中，需要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)綜合考慮多種因素如分布式能源的接入、電動(dòng)汽車(chē)的增長(zhǎng)趨勢(shì)、電力市場(chǎng)環(huán)境下為用戶(hù)提供個(gè)性化用電服務(wù)等，多類(lèi)型、海量數(shù)據(jù)的引入，可以有效減少電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程中的不確定性，使得整個(gè)規(guī)劃的過(guò)程更加合理、有序。

3 智能電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)的解決方案

大數(shù)據(jù)技術(shù)處理最為核心的要素為海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)的并行計(jì)算，此問(wèn)題最先是由Google公司給出了相應(yīng)的解決方案，即采用分布式文件系統(tǒng)（DFS）和MapReduce并行計(jì)算技術(shù)。隨后Apache基金會(huì)開(kāi)發(fā)了Hadoop分布式系統(tǒng)架構(gòu)，提供了DFS的一種開(kāi)源實(shí)現(xiàn)HDFS，同時(shí)還包括MapReduce的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)，在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)處理中得到了廣泛的應(yīng)用。

國(guó)網(wǎng)公司在2013年就建立“一庫(kù)三中心”，即：統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源庫(kù)、數(shù)理分析中心、統(tǒng)計(jì)發(fā)布中心、輔助決策中心。并利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)創(chuàng)新。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理方案如圖2所示，層次1收集圖1所示的各種數(shù)據(jù)，以Hadoop分布式文件HDFS系統(tǒng)存儲(chǔ)；層次2對(duì)信息進(jìn)行甄別和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)甄別主要是刪除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，或者補(bǔ)充丟失數(shù)據(jù)（通過(guò)狀態(tài)估計(jì)實(shí)現(xiàn)），然后按照不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型分類(lèi)存儲(chǔ)；層次3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘，MapReduce定期進(jìn)行計(jì)算；最后通過(guò)WebService技術(shù)輸出計(jì)算結(jié)果。通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)將海量數(shù)據(jù)變?yōu)橹腔?，使得電力系統(tǒng)控制決策更加科學(xué)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先分析了在當(dāng)前智能電網(wǎng)環(huán)境下，電網(wǎng)數(shù)據(jù)的來(lái)源多樣、數(shù)據(jù)規(guī)模巨大，部分?jǐn)?shù)據(jù)采樣速度快等特點(diǎn)，得出必須利用大數(shù)據(jù)技術(shù)才能處理智能電網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的結(jié)論。其次描述了大數(shù)據(jù)技術(shù)與智能電網(wǎng)結(jié)合的幾個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，得出通過(guò)與大數(shù)據(jù)的結(jié)合可以顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性的結(jié)論。最后闡述了大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)應(yīng)用的具體解決方案，通過(guò)Hadoop中分布式文件系統(tǒng)和MapReduce的并行算法，為大數(shù)據(jù)的處理提供了有效的解決方案，并為電力系統(tǒng)提供更加科學(xué)、合理的控制決策。

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