智慧能源體系信息通信技術構架及實施方案

丁騰波，劉宏波，吳聘

智慧能源體系信息通信技術構架及實施方案

丁騰波，劉宏波，吳聘

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江省 杭州市 310012）

基于社會經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護需求、產(chǎn)業(yè)政策引導等多方因素，智慧能源將為傳統(tǒng)能源結(jié)構帶來新一輪的巨變。現(xiàn)代信息通信技術(information communications technology，ICT)的飛速發(fā)展，為傳統(tǒng)能源向智慧能源轉(zhuǎn)型升級提供了強有力的技術支撐。整個智慧能源體系將以創(chuàng)新型的場景需求為導向，以跨界科技力量的深度加持為支撐，驅(qū)動整個能源及相關產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構性升級。結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)、移動通信、人工智能、區(qū)塊鏈等新興技術，賦能傳統(tǒng)能源體系，提出一種適用于智慧能源應用場景下的能源體系ICT構架，貫通能源體系的底層至頂層，實現(xiàn)智慧能源體系能量流、信息流和價值流的全面融合。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)；人工智能；智慧能源；區(qū)塊鏈; 信息通信技術(ICT)；云計算；大數(shù)據(jù)

0 引言

我國目前處于發(fā)展智慧能源的重要戰(zhàn)略機遇期，根本訴求是經(jīng)濟發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變迫切需要能源發(fā)展方式的升級，而后者的核心是將能源供給、儲運和消費作為一個雙向溝通的系統(tǒng)來看待，智慧能源則是推動能源體系優(yōu)化演進的核心手段[1-2]。

本文從智慧能源體系的發(fā)展訴求切入，分析現(xiàn)有能源體系信息通信技術(information communications technology，ICT)構架的特點，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新興技術，構建智慧能源供能體系的框架模型，并依據(jù)新技術演進路徑，提出完整的智慧能源ICT系統(tǒng)構架及實施方案，適應當下的業(yè)務發(fā)展訴求，并具備靈活的彈性系統(tǒng)架構。

1 智慧能源體系現(xiàn)狀

1.1 變革的“驅(qū)動”

智慧能源體系將以創(chuàng)新型的場景需求為導向，以跨界科技力量的深度加持為支撐，驅(qū)動整個能源及相關產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構性升級，即技術服務于場景，場景來源于需求。

伴隨著人工智能(artificial intelligence，AI)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科技的爆發(fā)式發(fā)展，未來能源將在技術和模式2個維度并行發(fā)展。技術層面更為注重傳統(tǒng)能源和現(xiàn)代ICT技術的跨界融合，模式層面更為注重體制內(nèi)資源和民間資本的深度合作，并以此衍生出新的業(yè)務需求和應用場景，催化新的能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構形成[3-4]。

以目前的技術手段而言，電力依舊是整個能源體系的核心，也是整個能源產(chǎn)業(yè)鏈的中心環(huán)節(jié)，但是隨著社會、經(jīng)濟、環(huán)境以及技術的不斷演進，能源網(wǎng)絡的功能發(fā)生了改變，不同于以往的輸配電物理可靠安全承載功能，智慧能源提出的要求是多種能源的資源優(yōu)化配置，整個能源系統(tǒng)的高效經(jīng)濟性運行以及構建于網(wǎng)架之上的各類商業(yè)應用，如多個經(jīng)濟主體下更為靈活有效的能源市場運營等。

1.2 驅(qū)動的“引擎”

智慧能源的發(fā)展得益于各類基礎和跨界技術的突破，諸如固態(tài)變壓器、能量路由器、微網(wǎng)、儲能之類的基礎技術，也有分布式能量管理、柔性能源協(xié)調(diào)控制之類的后臺應用類技術，還有諸如云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)之類的跨界類技術。整個智慧能源體系的關鍵技術瓶頸在于3個層面：底層是一二次設備的真正融合；中層是電力通信網(wǎng)絡的“價值開發(fā)”；頂層是后臺應用的多元化、價值增值及變現(xiàn)。

1.3 技術的“選擇”

以區(qū)塊鏈、信息物理系統(tǒng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術為基礎所衍生出的智慧能源解決方案，應用場景類似，但側(cè)重點和解決問題的方式存在差異，可根據(jù)技術的成熟度組合實施。單一的新技術都不是實現(xiàn)智慧能源的充分必要條件，但代表了目前技術可及的發(fā)展方向，也是該類項目落地的關鍵支撐[5]。

2 智慧能源體系核心訴求

基于全球能源轉(zhuǎn)型的大背景，智慧能源、智能電網(wǎng)、智慧電力等概念層出不窮，定義雖有不同，但其轉(zhuǎn)變是容易達成共識的。傳統(tǒng)的火電作為電源基荷的比例逐步下降，取而代之的是持續(xù)增長的可再生能源供能比例；諸如風能、太陽能等可再生能源的接入改變以往集中式的能源網(wǎng)絡構架，取而代之的是更為靈活的分布式網(wǎng)絡拓撲，側(cè)重區(qū)域性的能源優(yōu)化及分布式能源的協(xié)調(diào)控制；基于能源供給及傳輸側(cè)的能源發(fā)展思路將逐步轉(zhuǎn)變，取而代之的是基于負荷側(cè)、用戶側(cè)的需求響應能力建設，依靠供求雙方的有效互動提高廣義范疇內(nèi)能源的優(yōu)化配給。

上述轉(zhuǎn)變中的重要基礎是能量流、信息流以及價值流在物理網(wǎng)架和通信網(wǎng)架中的高度融合，信息通信、自動化技術不僅提供了能量信息流構架的基礎性保障，也提供了基于該類構架開發(fā)并實現(xiàn)最終價值應用的技術途徑?，F(xiàn)代通信信息技術的發(fā)展，更是將信息、通信和技術相互融合成一個新的專業(yè)，即ICT。ICT水平直接決定了智慧能源項目的高度和實際效益。鑒于智慧能源的概念定義、功能訴求和技術特性，其在實踐過程中對傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)通信、信息、自動化等相關技術提出了不同的需求，如圖1所示。

圖1 智慧能源中的ICT訴求

1）網(wǎng)絡構架。

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)采用集中式的專用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡來實現(xiàn)全網(wǎng)調(diào)控數(shù)據(jù)的集中式管理、存儲和決策，高額成本、高度冗余、專網(wǎng)分層的網(wǎng)絡可以有效保障能源系統(tǒng)的安全可靠運行，但其側(cè)重點在能源的生產(chǎn)、儲運和調(diào)控環(huán)節(jié)；智慧能源基于分布式能源的接入，更加側(cè)重在區(qū)域范圍的多種能源有效互補、資源優(yōu)化配置，重點是用戶側(cè)的響應和控制，更加貼近用戶側(cè)，強調(diào)效率和效益并兼顧安全，導致智慧能源在進行網(wǎng)絡構架設計時，采用的是分布式、經(jīng)濟性、混合型的網(wǎng)絡構架。

2）終端節(jié)點。

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)在設計和建設電網(wǎng)節(jié)點時，主要側(cè)重于電網(wǎng)結(jié)構中的骨干節(jié)點，如大中型電廠、骨干樞紐變電站、市級以上調(diào)度機構，一是出于保供給思路，二是基于成本考慮。而智慧能源強調(diào)需求側(cè)管理，依靠靈活可控的變配電設備和線路拓撲來保障供電，依靠精準的用戶負荷預測和用能習慣大數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化運營，更加強調(diào)對大量終端設備、線路、用戶節(jié)點的測控，同時由于節(jié)點數(shù)量巨大、負荷特性多樣，往往依靠多種技術手段在經(jīng)濟性和可靠性之間尋求平衡[6]。

3）后臺應用。

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)依靠高度集中的分層分區(qū)調(diào)控機制來維持電網(wǎng)的正常運行，信息高度集中于各級調(diào)控后臺，基于后臺的高級應用主要服務于電網(wǎng)各級管理部門，重點是保障安全穩(wěn)定；而智慧能源的應用場景一般是區(qū)域性的小型網(wǎng)絡，可以靈活采用分布式和集中式的混合管理模式，基于后臺的高級應用更加注重統(tǒng)一平臺上的多業(yè)務系統(tǒng)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)共享。應用上更加偏向于用戶側(cè)，尤其是用戶負荷特性分析和預測，基于故障快速定位和修復以提高供電質(zhì)量，基于精準的用戶負荷預測來獲取電力市場交易中的主動權[7]。

綜上所述，整個智慧能源體系構架的核心在于基礎物理架構的搭建，智能終端的部署以及系統(tǒng)后臺的開發(fā)，而系統(tǒng)的ICT構架則是為了以更低的成本來高效、快速、彈性地部署相應的業(yè)務。

3 構架方案

3.1 設計目標

智慧能源體系的ICT構架是為滿足整個供能區(qū)域的綜合運維管理而服務的，需要綜合應用“互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)能源”技術，打通綜合能源服務體系底層至頂層，實現(xiàn)智慧能源體系中能量流、信息流和價值流的全面融合。構架服務于9個能力的體系建設：針對不同物理網(wǎng)架的“靈活適應”能力；針對復雜多能網(wǎng)絡的“全景感知”能力；針對分布式能源產(chǎn)銷的“即插即用”能力；針對“源、網(wǎng)、荷、儲”構架的“協(xié)調(diào)控制”能力；針對新型場景業(yè)務的快速“靈活部署”能力；針對算力、存儲等資源的“彈性擴展”能力；針對多方參與的“低成本共識”能力；針對復雜能源市場環(huán)境下的“跨區(qū)交易結(jié)算”能力；針對高度信息化構架的“安全防護”能力。

3.2 建模原則

智慧能源的總體構架模型遵循一定的約束前提，即模型構架原則。作為智慧能源服務的底層支撐，采用模塊化、平臺化建設思路，利用標準化的規(guī)約、接口，實現(xiàn)高級應用及業(yè)務的“即插即用”[8-9]，基于云計算平臺的綜合能源ICT構架模型如圖2所示。

主要建模原則如下：

1）應用場景貼近用戶側(cè)的終端能源網(wǎng)絡層面，包含存量和增量。

2）場景不受地域限制，依托互聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代ICT技術實現(xiàn)網(wǎng)絡全覆蓋，支持分階段、跨區(qū)域建設。

3）作為綜合能源服務的底層和應用技術支撐，服務于風、光、柴、氣、油、儲、煤等多種能源形式。

4）構架按通用性模塊化設計，具備良好的分布實施能力和按需靈活擴展能力，即系統(tǒng)構架具備良好的彈性。

5）構架分為供能基礎、通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集、云計算平臺、云端功能、業(yè)務應用。

6）通信網(wǎng)絡基于配網(wǎng)網(wǎng)絡進行優(yōu)化，具備靈活可靠的物聯(lián)網(wǎng)接入能力。

7）數(shù)據(jù)采集的建設重點是布點采集范圍、數(shù)據(jù)類型品控、應用接口等。

8）云平臺為智慧能源服務的系統(tǒng)平臺，根據(jù)業(yè)務特性和場景需求構建私有+公有的混合云結(jié)構，系統(tǒng)構架具備彈性擴展能力。

9）云平臺具備用戶側(cè)的接入和服務能力，針對不同類型用戶提供按需定制服務和資源租賃服務。

10）能源調(diào)控、網(wǎng)架運維、資產(chǎn)管理、營銷服務等功能分別以PaaS、SaaS的形式遷入云端。

11）區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術是實現(xiàn)綜合能源的充分但不是必要條件，按模塊化設計和實施，具備靈活“加減法”能力。

圖2 基于云計算平臺的綜合能源ICT構架模型

12）大數(shù)據(jù)應用基于云平臺搭建。

智慧能源區(qū)塊鏈的建設與云平臺的建設不存在必然關聯(lián)，適用于區(qū)域內(nèi)的能源、信息、數(shù)字資產(chǎn)的價值轉(zhuǎn)移，其設計建模原則[8]如下：

1）區(qū)域內(nèi)的能源交互依靠區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)價值轉(zhuǎn)移，遵循扁平化、離散化、分布式的設計原則，跨區(qū)能源服務場景部署能源區(qū)塊鏈主鏈，單個區(qū)域部署能源區(qū)塊鏈子鏈。不同區(qū)域間的能源區(qū)塊鏈子鏈根據(jù)通道狀況及功能需求實現(xiàn)與主鏈的靈活互聯(lián)和解列。

2）能源區(qū)塊鏈作為重要的公用服務基礎資源，將安全性作為首要考慮目標，同時考慮智慧能源應用場景下的多方主體訴求，以聯(lián)盟鏈形式構建，并遵循嚴格的用戶準入認證機制。

3）鑒于能源網(wǎng)絡的重資產(chǎn)屬性、能源安全需求以及國家政策要求，單個區(qū)域內(nèi)的能源運營只存在單個服務運營商。

4）單個區(qū)域內(nèi)的通信網(wǎng)絡支撐體系應以自建網(wǎng)絡為主、公共網(wǎng)絡為輔，并確保各類數(shù)據(jù)的接入管控安全性，重點確保能源網(wǎng)內(nèi)調(diào)控數(shù)據(jù)的安全存儲及可靠通信。

5）跨區(qū)域的通信網(wǎng)絡支撐體系以公共網(wǎng)絡為主、自建網(wǎng)絡為輔，優(yōu)先采用獨立的運營商通道資源租賃。

6）鑒于分布式調(diào)控技術的成熟程度，暫不考慮跨區(qū)域的分布式調(diào)控，主要應用以跨區(qū)能源交易及結(jié)算為主。在單個區(qū)域內(nèi)嘗試驗證分布式調(diào)控技術及策略。

7）單個區(qū)域通信網(wǎng)絡承載數(shù)據(jù)包括維持配網(wǎng)運行的調(diào)控實時數(shù)據(jù)和管理非實時數(shù)據(jù)、能源交易數(shù)據(jù)，以及其他區(qū)塊鏈+行業(yè)應用的交互數(shù)據(jù)。

8）跨區(qū)域通信網(wǎng)絡承載數(shù)據(jù)包括跨區(qū)能源交易數(shù)據(jù)以及其他區(qū)塊鏈+行業(yè)應用的交互數(shù)據(jù)。

能源區(qū)塊鏈由跨區(qū)域的主鏈和單個區(qū)域內(nèi)的子鏈構成。主鏈和子鏈均是由多個參與實體所構成的聯(lián)盟鏈，它們是技術上可完全獨立的側(cè)鏈關系。主鏈服務于跨區(qū)身份認證、資產(chǎn)轉(zhuǎn)移、能源交易、數(shù)據(jù)交互，子鏈服務于單個區(qū)域內(nèi)的應用服務。完整的能源區(qū)塊鏈主鏈下可以存在多個區(qū)域的不同子鏈，子鏈間數(shù)據(jù)交互經(jīng)網(wǎng)絡安防(如防火墻)接入主鏈，由主鏈完成數(shù)據(jù)交互。同時，子鏈和子鏈之間、子鏈和主鏈之間的運行安全性不相互影響，具備靈活的接入和解列功能。能源區(qū)塊鏈與其他行業(yè)區(qū)塊鏈是互聯(lián)鏈的關系。

綜上所述，智慧能源ICT構架平臺依托云計算作為算力支撐搭建，以大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等技術加以技術賦能，以能源區(qū)塊鏈技術為核心完成價值重構和轉(zhuǎn)移，能源區(qū)塊鏈的總體設計模型如圖3所示。

3.3 技術框架

智慧能源系統(tǒng)具有能源網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)的雙層構架，前者提供基礎的供能支撐服務，后者依托現(xiàn)代ICT技術進行服務價值的二次發(fā)掘。智慧能源的整體技術構架由4部分組成，分別是物理構架層、網(wǎng)絡信息層、服務應用層和價值效益層。溝通物理構架層和網(wǎng)絡信息層的技術橋梁是ICT技術和IoT技術，溝通網(wǎng)絡信息層和服務應用層的技術橋梁是現(xiàn)代調(diào)控自動化技術以及區(qū)塊鏈之類的新興技術。整個架構自底層向上完成能量、數(shù)據(jù)、價值的聯(lián)動，如圖4所示。

圖3 能源區(qū)塊鏈的總體設計模型

圖4 綜合能源體系構架

1）物理構架層。

物理構架層由電源、熱源點、變配電設施、輸電線路、熱力管網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)等組成。物理層能量傳輸網(wǎng)架的規(guī)劃設計尤為重要。必須根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構的實際情況、負荷密度、路徑條件以及政策處理因素等合理規(guī)劃，在網(wǎng)架結(jié)構上充分考慮事故情況下的故障隔離、負荷轉(zhuǎn)供需求，支持靈活的運行方式切換。

2）網(wǎng)絡信息層。

網(wǎng)絡信息層的建設包含基礎網(wǎng)絡的建設和信息支持系統(tǒng)的建設。對于基礎網(wǎng)絡而言，需結(jié)合供能區(qū)域的物理狀況靈活采用星型、樹型、網(wǎng)狀的混合型拓撲結(jié)構，按需選擇專線、運營商租賃和公用無線網(wǎng)絡等多種建設模式，根據(jù)各網(wǎng)絡節(jié)點的實際數(shù)據(jù)傳輸需求來完成網(wǎng)絡設備選型。

對于信息支持系統(tǒng)而言，重點是物理節(jié)點的智能終端建設。以電力網(wǎng)絡為例，建設內(nèi)容不僅僅包括傳統(tǒng)維持電網(wǎng)運行的二次設備，如數(shù)據(jù)傳輸裝置、配電開關監(jiān)控終端以及保護測控裝置，還包含了布置于饋線、終端配變上的各類測控裝置、狀態(tài)傳感器，以及用戶側(cè)的精準計量裝置。

3）服務應用層。

服務應用層的建設包括2層含義：“服務”是實現(xiàn)目標，“應用”是支撐手段。應用層面的建設并不局限于區(qū)域能源網(wǎng)絡的調(diào)度控制、事故處理、日常運維，重點是對供區(qū)內(nèi)設備的靈活控制以調(diào)整故障檢修情況下的運行方式，對供區(qū)內(nèi)的負荷精準預測以贏得在能源市場(期貨、日前、現(xiàn)貨)交易過程中的先機，對供區(qū)內(nèi)的大數(shù)據(jù)分析以實現(xiàn)供需資源的優(yōu)化配置和能效的最大化，運用基于能源區(qū)塊鏈的新技術來撮合高效低成本的區(qū)域內(nèi)及跨區(qū)能源交易；服務層面的建設則是進一步發(fā)掘用戶終端側(cè)的金融屬性和金融價值，提供更為豐富甚至定制化的服務，提高多金融主體和參與方的投資收益率，提供更為多樣化的項目融資方案等。

4）價值效益層。

建立智慧能源的最終目的是為智慧城市、園區(qū)產(chǎn)業(yè)及其所衍生包含的配套體系而服務?；谏鐣б娴慕嵌龋糜谥沃腔鄢鞘兴仨毜闹腔壅?、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧安防、智慧環(huán)保等基礎設施?；谀茉窗l(fā)展的角度，用于完善能源+互聯(lián)網(wǎng)的雙層構架，通過能源供給和需求的深入融合，催化新型的商業(yè)模式，從而帶動整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展。

3.4 技術路徑

智慧能源ICT構架的具象形態(tài)是綜合能源協(xié)控管理平臺，構架是平臺的核心，平臺是構架的表現(xiàn)形式。不論是構架還是平臺，都是伴隨著技術的發(fā)展成熟度以及業(yè)務訴求的變化而靈活調(diào)整的?，F(xiàn)代ICT技術之間存在較強的耦合關聯(lián)度，互為支撐。云計算和邊緣計算是相輔相成的，邊緣計算是云計算的演進方向；大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、NB-IoT是密切關聯(lián)的，大數(shù)據(jù)是應用，物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)據(jù)支撐，5G和NB-IoT是通信保障，缺一不可。區(qū)塊鏈和人工智能相對而言比較獨立，可單獨部署。

系統(tǒng)性的構架依賴于新興技術的成熟度，既要考慮遠景業(yè)務的擴展需求，又要兼顧當下項目落地的可操作性，因此構架的建設是一個漫長且不斷演進的過程。根據(jù)綜合能源體系的發(fā)展訴求，提出系統(tǒng)構架的整體演進策略，具體如下：

1）基于人工智能的成熟度，運維模式由少人化向無人化演進；

2）基于柔性直流技術的成熟度，能源網(wǎng)絡結(jié)構由交流為主向交直流混聯(lián)的結(jié)構發(fā)展；

3）基于云計算和邊緣計算的成熟度，系統(tǒng)建設模式由中心化向云端化演進，最終向分布式 演進；

4）基于物聯(lián)網(wǎng)和下一代移動通信技術的成熟度，調(diào)控模式由專線向?qū)?無線演進，最終向無線演進；

5）基于大數(shù)據(jù)的成熟度，應用模式由單一化向多元化演進；

6）基于BaaS的成熟度，交易模式由依托高成本的第三方共識到低成本的多方共識機制演進；

7）基于上述技術的成熟度，服務模式由供能服務為主向數(shù)據(jù)服務商演進，最終向智慧城市綜合服務商演進。

3.5 業(yè)務模型

智慧能源需要考慮能源技術創(chuàng)新、系統(tǒng)形態(tài)升級、能源體制變革的多重影響。智慧能源的服務定義為面向能源系統(tǒng)終端，以滿足客戶需求為導向，通過多種能源品種組合和系統(tǒng)集成、能源技術和商業(yè)模式創(chuàng)新等方式，使客戶收益或滿足感得到提升。

體系目標立足于智慧能源服務的提供商，首先是區(qū)域內(nèi)智慧能源體系的規(guī)劃搭建、能源網(wǎng)絡的調(diào)度運維、智慧能源的服務供給、供能優(yōu)化的整體方案提供商等，其次是區(qū)域內(nèi)IT資源、網(wǎng)絡資源、數(shù)據(jù)資源、計算資源等上層應用的運營商，最后是區(qū)域內(nèi)能源類相關金融方案和產(chǎn)品的服務商。因此，在進行企業(yè)級ICT構架時，充分考慮遠景服務需求，要求系統(tǒng)具備良好的擴展性和延伸性。針對具體項目進行規(guī)劃時，首先確定其角色定位，根據(jù)其服務或開展業(yè)務的需求，來定制企業(yè)的ICT構架。立足智慧能源服務的供應商，要開展輻射區(qū)域內(nèi)的多種屬性衍生服務[10-12]。綜合能源業(yè)務需求模塊如圖5所示。

圖5 綜合能源業(yè)務需求板塊

4 構架實施

4.1 后臺方案

現(xiàn)階段將所有業(yè)務部署在“云端”尚存在一定的技術性風險，基于安全性考量，先將綜合能源協(xié)控業(yè)務中的實時核心業(yè)務部署在獨立主站系統(tǒng)，待“綜合能源云”部署完畢后，逐步將主站端業(yè)務遷移到“云端”，并將現(xiàn)有主站作為協(xié)控平臺的本地熱備系統(tǒng)運行。系統(tǒng)主站僅服務于供能區(qū)域的控制區(qū)業(yè)務(實時性核心業(yè)務)，非實時的生產(chǎn)管理類等業(yè)務直接上云，因此主站系統(tǒng)分為控制區(qū)、非控制區(qū)和管理區(qū)3部分[13]。

基于不同通信方式的智能終端、智能表計、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等設備均經(jīng)過前置安全隔離區(qū)域接入控制區(qū)。綜合能源網(wǎng)絡協(xié)控及計量計費相關的應用均部署在控制區(qū)，經(jīng)橫向隔離裝置從非控制區(qū)提取數(shù)據(jù)分析結(jié)果。綜合能源網(wǎng)絡運維、分析類的應用均部署在非控制區(qū)，經(jīng)橫向隔離裝置從控制區(qū)調(diào)用供能網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。

控制區(qū)基于獨立建設一體化支撐平臺建設，非控制區(qū)基于“云平臺”建設，通過協(xié)同管控機制實現(xiàn)權限、責任區(qū)、告警定義等的分區(qū)維護、統(tǒng)一管理，并保證非控制區(qū)不向控制區(qū)發(fā)送權限修改、遙控等操作性指令。基于云+主站模式的協(xié)控系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 基于云+主站模式的協(xié)控系統(tǒng)

4.2 數(shù)據(jù)采集方案

綜合能源協(xié)控系統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)來源于能源網(wǎng)絡中的主要節(jié)點以及各種通過物聯(lián)網(wǎng)技術接入的傳感器、智能終端和在線監(jiān)測裝置。建設初期對網(wǎng)絡中的主要節(jié)點進行全景數(shù)據(jù)采集，中后期結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術和下一代通信技術的發(fā)展實現(xiàn)毛細血管級的綜合能源全感知網(wǎng)絡建設[14-16]。

由于終端傳感器、智能終端和在線監(jiān)測裝置與配網(wǎng)網(wǎng)架和通道資源關系密切，因此該部分的設計將結(jié)合能源網(wǎng)絡規(guī)劃、通信網(wǎng)絡規(guī)劃同步部署。將網(wǎng)絡中的主要節(jié)點按其在網(wǎng)絡中承擔的角色劃分為能源供給、能源配置和能源消費3類。

1）能源供給節(jié)點。

能源供給節(jié)點包含各類能源站、光伏電站、風電場、電廠等。對于具備完整監(jiān)控系統(tǒng)的廠站，則利用原廠內(nèi)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)完成廠內(nèi)數(shù)據(jù)采集，并通過原有通信網(wǎng)關機、二次安防及數(shù)據(jù)網(wǎng)設備上送至協(xié)控平臺。對于不具備完整監(jiān)控系統(tǒng)的廠站和新增廠站，部署終端采集設備和網(wǎng)絡接入設備。

2）能源配置節(jié)點。

能源配置節(jié)點包含各類變電站、主干線路、主干管線、配變終端等。對于具備完整監(jiān)控系統(tǒng)的變電站，則利用原站內(nèi)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成站內(nèi)數(shù)據(jù)采集，并通過原有通信網(wǎng)關機、二次安防及數(shù)據(jù)網(wǎng)設備上送至協(xié)控平臺。對于具備完整四遙功能的配變終端，則利用終端內(nèi)原有四遙裝置完成該節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，并通過配套的通信設備上送至協(xié)控平臺。對于具備完整在線監(jiān)測功能的線路、管道，則利用原在線監(jiān)測裝置完成數(shù)據(jù)采集，并通過配套的通信設備上送至協(xié)控平臺。

對于新增變電站、配電終端和線路/管道，分別部署終端采集設備、四遙裝置、在線監(jiān)測和網(wǎng)絡接入設備。

3）能源消費節(jié)點。

能源消費節(jié)點包含各類工商民用負荷。對于所有工商業(yè)用戶負荷，部署終端智能表計。智能表計根據(jù)用戶負荷的分布情況酌情部署，并結(jié)合用戶側(cè)通道資源配置相應的通信設備，如無線接入設備和專線接入設備。

對于普通的民用負荷，部署無線智能表計即可，也可利用公網(wǎng)上送負荷數(shù)據(jù)。

5 構架特征

圍繞智慧能源及相關ICT技術的發(fā)展現(xiàn)狀，提出適用于智慧能源體系的ICT技術構架，并構建圍繞智慧能源技術和商業(yè)模式的新興能源+產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈模式，在為用戶提供優(yōu)質(zhì)廉價清潔能源及供能衍生服務的同時，帶動產(chǎn)業(yè)上下游及相鄰相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提供智慧能源相關技術及項目的發(fā)展平臺，促成傳統(tǒng)能源的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和技術迭代。

本文提出的ICT構架主要特征如下：

1）基于“三流合一”的能源協(xié)控體系。

構建適用于智慧能源近期和遠景服務的智慧協(xié)控體系，打通智慧能源服務體系全程，實現(xiàn)智慧能源體系能量流、信息流和價值流的全面融合。

2）基于“九項能力”的能源協(xié)控平臺。

協(xié)控平臺重點能力建設詳見本文3.1節(jié)。

3）基于“技術驅(qū)動”的能源體系轉(zhuǎn)型。

綜合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科技，提出在技術和模式2個維度并行發(fā)展。技術層面注重傳統(tǒng)能源行業(yè)技術和現(xiàn)代ICT技術的跨界融合，模式層面注重傳統(tǒng)體制內(nèi)資產(chǎn)和民間資本的深度合作，衍生新的業(yè)務需求和能源應用場景。

4）基于“4層構架”的體系模型研究。

綜合能源系統(tǒng)具有能源網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)的雙層構架，前者提供基礎的供能支撐服務，后者依托現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術進行能源服務價值的二次發(fā)掘。提出綜合能源的4層模型體系構架，自下向上完成能量、數(shù)據(jù)、價值的聯(lián)動。

5）基于“現(xiàn)實遠景”的技術演進路線。

綜合能源ICT構架的具象形態(tài)是綜合能源協(xié)控管理平臺。分別提出云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G/NB-IoT、區(qū)塊鏈和邊緣計算在綜合能源發(fā)展路徑上的演進策略。

6）基于“算力價值”的雙重核心構架。

提出智慧能源協(xié)控體系的雙構架設計理念，算力構架基于云計算平臺(私有云)實現(xiàn)資源彈性擴展部署能力，價值構架基于區(qū)塊鏈技術(聯(lián)盟鏈)實現(xiàn)價值重構和轉(zhuǎn)移。雙構架設計共同支撐智慧能源近期和遠期的業(yè)務發(fā)展訴求。

6 結(jié)論

提出的智慧能源體系ICT構架服務于時下熱門的智慧城市、智慧園區(qū)等場景，側(cè)重現(xiàn)代ICT技術和傳統(tǒng)能源技術的跨界融合。總體的技術思路遵循技術服務于場景、場景來源于需求的核心原則，系統(tǒng)總體構架從整個能源體系切入，而非以往常見的產(chǎn)品級視角切入，追求技術和效益的平衡，確保實施方案和技術路線的現(xiàn)實操作性，避免單方面地追求技術高度。通過梳理、分析現(xiàn)有能源體系的特征、痛點，結(jié)合當下互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展成熟度，挖掘出當下智慧能源體系的演進方向、技術路線以及實施方案。

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Information Communications Technology Architecture and Implementation Scheme of Smart Energy System

DING Tengbo, LIU Hongbo, WU Pin

(CEEC Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, Zhejiang Province, China)

Based on social and economic development, environmental protection needs, industrial policy guidance and other factors, smart energy will bring a new round of tremendous changes to the traditional energy structure. The rapid development of modern information communications technology (ICT) provides strong technical support for the transformation and upgrading of traditional energy to smart energy. The whole smart energy system will be guided by innovative scenario demand, supported by the deep support of cross-border scientific and technological forces, and drive the structural upgrading of the whole energy and related industrial chain. An ICT framework of energy system suitable for smart energy application scenario was proposed, which combined cloud computing, big data, internet of things (IoT), mobile communication, artificial intelligence, blockchain and other emerging technologies to enable traditional energy system. It runs through the bottom to the top of energy system, and realizes the comprehensive integration of energy flow, information flow and value flow of intelligent energy system.

internet of things (IoT); artificial intelligence; smart energy; block chain; information communications technology (ICT)；cloud computing; big data

10.12096/j.2096-4528.pgt.19002

TK 01

2019-09-10。

(責任編輯 辛培裕)