一種解決海量分布式新能源接入的電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)方法

南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局 云南 文山 663000

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，以電能為基礎(chǔ)的生產(chǎn)、生活能源需求快速增長，伴隨著社會發(fā)展對環(huán)境的高要求，以及“管住中間，放開兩端”充分引入競爭的能源發(fā)展激勵政策的加持，大量新能源涌入電網(wǎng)，在南方電網(wǎng)區(qū)域范圍內(nèi)電源結(jié)構(gòu)占比規(guī)模迅速擴大，對傳統(tǒng)電網(wǎng)的運行控制、安全穩(wěn)定、系統(tǒng)響應(yīng)等產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)。尤其隨著電力輸電網(wǎng)架、送電規(guī)模的不斷發(fā)展壯大，為滿足對電網(wǎng)運行控制、網(wǎng)絡(luò)安全防御、本體安全、本質(zhì)安全、市場化變革等方面發(fā)展需要，需要改善現(xiàn)有電力運行控制系統(tǒng)。針對整體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、控制理念和控制策略等基于電力系統(tǒng)理論和管控理念形成的強耦合、剛性接入等不適應(yīng)性，著重解決適應(yīng)海量數(shù)據(jù)的接入和控制響應(yīng)的問題，探索電力系統(tǒng)監(jiān)視控制系統(tǒng)架構(gòu)方面需要做出的改變。

1 電力行業(yè)發(fā)展趨勢

1.1 南方電網(wǎng)新能源發(fā)展現(xiàn)狀 隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求不斷增加。2019年全球電力總發(fā)電增長量的50%來自中國，其中南方電網(wǎng)區(qū)域為重要的新能源增長集中區(qū)域，以風(fēng)電、生物質(zhì)、集中式光伏、分布式光伏、戶用光伏、海上風(fēng)電等新能源為主要代表。其中，2019年南方電網(wǎng)全網(wǎng)新能源并網(wǎng)裝機容量同比增長25.51%，風(fēng)電并增長11.45%、生物質(zhì)(含垃圾發(fā)電)增長41.39%、集中式光伏增長46.32%、分布式光伏增長37.01%，充分證明了新能源的快速增長變化。

隨著電力市場化改革的深入，能源生態(tài)新主體成為重點和熱點問題，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云霧計算等技術(shù)的出現(xiàn)和運用，使包括儲能、微電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)、虛擬電廠、綜合能源等新主體都能夠更好更快速地發(fā)展和建設(shè)，參與到電力市場的交易中，對接入對象數(shù)據(jù)的處理和共享提出了更高的要求。

1.2 南網(wǎng)電力系統(tǒng)監(jiān)視控制系統(tǒng)瓶頸 電力系統(tǒng)監(jiān)視控制系統(tǒng)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯聚、交互、分析中心，負(fù)責(zé)存儲和分析各類電力數(shù)據(jù)，主要包括電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運行、環(huán)境數(shù)據(jù)及管理數(shù)據(jù)等，通過統(tǒng)一接口規(guī)范和適配接入服務(wù)，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享與關(guān)聯(lián)交互。現(xiàn)行數(shù)據(jù)實行分層分級匯存儲，并按照應(yīng)用管理需求逐級匯總，如圖1所示。

由于存在數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，要實現(xiàn)任何數(shù)據(jù)的共享，需要反復(fù)進行接口調(diào)試，嚴(yán)重制約了數(shù)據(jù)的擴展能力。此外，由于現(xiàn)有系統(tǒng)承載數(shù)據(jù)量級、數(shù)據(jù)交互響應(yīng)及通道資源占用等問題，分層分級建設(shè)、管控、存儲、維護，缺乏數(shù)據(jù)頂層設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化，因此面對海量主體接入存在嚴(yán)重的動態(tài)擴展和數(shù)據(jù)交互方面的問題。

圖1 電力系統(tǒng)監(jiān)視控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層級

2 云邊融合統(tǒng)一架構(gòu)

2.1 云計算 隨著國內(nèi)外云計算和大數(shù)據(jù)發(fā)展成熟和行業(yè)快速應(yīng)用，響應(yīng)公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展政策驅(qū)動，不斷挖掘數(shù)據(jù)價值，提升數(shù)字化服務(wù)水平，以云計算和大數(shù)據(jù)為技術(shù)基礎(chǔ)的云平臺成為解決數(shù)據(jù)彈性擴展的重要技術(shù)手段。主要體現(xiàn)在云計算在資源動態(tài)分配和服務(wù)靈活方面具有巨大優(yōu)勢，具有高性能、高并發(fā)、高可用、橫向擴展能力強等特點，能夠有效解決傳統(tǒng)架構(gòu)擴展等難題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的彈性擴容。南方電網(wǎng)現(xiàn)已開始建設(shè)統(tǒng)一調(diào)度云，最終形態(tài)形成“兩地三中心”模式，目前已完成主節(jié)點的一期建設(shè)，為各專業(yè)應(yīng)用提供Iass、Pass、Dass、AIass的平臺服務(wù)，具體架構(gòu)如圖2所示。統(tǒng)一調(diào)度云平臺有效解決了系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)、數(shù)據(jù)擴展困難、接口不統(tǒng)一、計算服務(wù)耗時等問題，為實現(xiàn)海數(shù)據(jù)接入提供了重要的服務(wù)基礎(chǔ)。

圖2 南方電網(wǎng)調(diào)度云架構(gòu)

統(tǒng)一調(diào)度云平臺作為全網(wǎng)能源數(shù)據(jù)資源池，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全環(huán)境下，存在數(shù)據(jù)安全暴露面過多，“兩地三中心”統(tǒng)一調(diào)度云模式，雖然實現(xiàn)了多節(jié)點的N-1冗余備用，但是對于數(shù)據(jù)的處理、分析、決策依然存在大集中問題，帶來了嚴(yán)重的系統(tǒng)開銷，并且海量數(shù)據(jù)中真正需要主站響應(yīng)的數(shù)據(jù)量較少，反復(fù)交互造成數(shù)據(jù)通道價值的浪費，同時也犧牲了響應(yīng)速率。因此，僅采用統(tǒng)一調(diào)度云的數(shù)據(jù)架構(gòu)，并不能很好適應(yīng)指數(shù)級數(shù)據(jù)的接入響應(yīng)。

2.2 邊緣計算 邊緣計算作為一種新興發(fā)展技術(shù)，近年發(fā)展迅猛，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC自2016年11月至今已陸續(xù)發(fā)布了邊緣架構(gòu)1.0/2.0/3.0、邊緣計算與云計算協(xié)同、邊緣計算基礎(chǔ)設(shè)施、運營商邊緣計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算與邊緣計算協(xié)同九大應(yīng)用場景白皮書，根據(jù)邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC的定義，即邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。邊緣節(jié)點，即為承載邊緣計算服務(wù)的具體裝置或集群。邊緣計算有眾多優(yōu)點，具體如下。

末端智能。聚焦實時、短周期數(shù)據(jù)分析，可以滿足調(diào)度業(yè)務(wù)的實施監(jiān)測、控制、執(zhí)行需求，解決10ms內(nèi)響應(yīng)的業(yè)務(wù)，有效延伸了電網(wǎng)控制范圍，并提供了智能手段，實現(xiàn)了末端智能。

便捷接入。連接設(shè)備接入量劇增使得運維管理、擴展、可靠性均產(chǎn)生問題，邊緣節(jié)點的靈活性實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、過濾、分析，實現(xiàn)了接入的便捷化。

就地協(xié)同。云平臺實現(xiàn)了管理策略的邊緣下沉，相互配合協(xié)同計算服務(wù)。

圖3 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的邊緣網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

為實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的消納，研制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的邊緣網(wǎng)關(guān)，提供邊緣主體的接入，架構(gòu)如圖3所示。雖然邊緣計算具有眾多優(yōu)點，但需要云平臺的統(tǒng)一協(xié)同才能發(fā)揮其真正的本地化優(yōu)勢。

2.3 調(diào)度云+邊緣兩級融合架構(gòu) 所有數(shù)據(jù)回傳統(tǒng)一調(diào)度云平臺云，龐大的數(shù)據(jù)量使得數(shù)據(jù)交互、資源調(diào)度、決策等均會產(chǎn)生較大系統(tǒng)開銷，從網(wǎng)絡(luò)安全防御角度，直接接入云平臺增加了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險暴露面，容易遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊，若僅采用邊緣計算模式，實行邊端管控，由于缺乏全局性協(xié)調(diào)，無法適應(yīng)電網(wǎng)的物理統(tǒng)一特性，因此，僅采用統(tǒng)一調(diào)度云架構(gòu)或邊緣架構(gòu)均不能滿足數(shù)據(jù)接入監(jiān)視、控制響應(yīng)、安全接入的要求。要實現(xiàn)南方電網(wǎng)物理區(qū)域統(tǒng)一電網(wǎng)頂層架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化，適應(yīng)海量數(shù)據(jù)的動態(tài)擴展，監(jiān)視控制，安全接入、市場化服務(wù)等需求，只能結(jié)合統(tǒng)一調(diào)度云平臺和邊緣計算的優(yōu)勢，發(fā)展云邊融合模式的系統(tǒng)架構(gòu)。構(gòu)建基于云邊融合的靈活、高效、開放、智能、彈性的新一代智能電網(wǎng)運行彈性體系。采用“云邊”兩級設(shè)計，基于統(tǒng)一通用的通信鏈路和通信協(xié)議，實現(xiàn)云邊間的協(xié)同、泛接入、彈性定制和就地決策。加強邊緣側(cè)計算感知能力，滿足海量接入、業(yè)務(wù)高效實時和超大規(guī)模計算的需求。實現(xiàn)電網(wǎng)末端智能化、接入便捷化、協(xié)同就地化，實現(xiàn)大電網(wǎng)自主巡航、電力市場有序運轉(zhuǎn)、新能源高效吸納、系統(tǒng)資源最優(yōu)利用。

圖4 云邊融合統(tǒng)一架構(gòu)

南方電網(wǎng)總調(diào)正積極探索云邊融合具體實現(xiàn)統(tǒng)一架構(gòu)模式，如圖4所示。由調(diào)度云和統(tǒng)一邊緣節(jié)點構(gòu)成，其中邊緣節(jié)點包含邊緣集群控制層和具體應(yīng)用場景下的邊緣節(jié)點裝置。調(diào)度云平臺主要負(fù)責(zé)云邊協(xié)同，依賴云平臺層的全局、多維等特性，實現(xiàn)邊緣節(jié)點的策略協(xié)同、運維管控、能力增強等需求。邊緣計算集群主要圍繞電力市場運營和智能電網(wǎng)運行進行海量數(shù)據(jù)計算和優(yōu)化，與主站監(jiān)視系統(tǒng)、虛擬電廠、分布式能源、綜合園區(qū)、電動汽車充電設(shè)施等海量主體互動。邊緣節(jié)點裝置主要負(fù)責(zé)就地決策，滿足業(yè)務(wù)高效實時的就地決策，優(yōu)化上傳數(shù)據(jù)，提高本地智能，保障接入安全，并通過多種協(xié)議IEC104、ModBus、MQTT、CoAP等實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過多種鏈路CAN、RS485、以太網(wǎng)等與上級節(jié)點交互。該架構(gòu)模式下，最終建成具有“多維接入，高效計算，彈性擴展，邊緣協(xié)同”特征的云邊融合是智能調(diào)度運行平臺。

3 總結(jié)

需要繼續(xù)探索完善云邊融合架構(gòu)下云端與邊端的協(xié)同策略、統(tǒng)一運維策略、應(yīng)用服務(wù)策略、運營模式等，以適用于南方電網(wǎng)管轄區(qū)域內(nèi)的海量主體接入需求，以實現(xiàn)電網(wǎng)運行、監(jiān)視、控制更加高效和安全。