智能配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求和場景分析研究

聶永剛，石國星

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限公司培訓(xùn)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

1 智能配電網(wǎng)發(fā)展概述

智能電網(wǎng)是由分布式節(jié)點(diǎn)組成的電力網(wǎng)絡(luò)，在智能子系統(tǒng)的普遍控制下運(yùn)行，稱為智能微網(wǎng)。微網(wǎng)可以在并網(wǎng)模式、孤島模式或兩種模式下運(yùn)行。隨著智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)正面臨一個(gè)范式的轉(zhuǎn)變。分布式發(fā)電的概念是基于不同規(guī)模的能源，如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微型渦輪機(jī)、光伏發(fā)電、燃料電池和風(fēng)力發(fā)電。其目的是為當(dāng)?shù)嘏潆娞峁╇娏?，或者向主電網(wǎng)注入足夠質(zhì)量的電力。配電系統(tǒng)的智能運(yùn)行有助于提高穩(wěn)壓、效率、可靠性、可用性、電能質(zhì)量，以及在故障條件下可能的運(yùn)行。智能電網(wǎng)的分散式發(fā)電依賴于復(fù)雜的通信、控制和管理，這些都依賴于電力公司和用戶之間的大量數(shù)據(jù)和信息。這些海量的信息對于使電網(wǎng)在正常和緊急運(yùn)行條件下更有效、更可靠、更安全、更獨(dú)立和更具支持性至關(guān)重要。

智能電網(wǎng)提供了更大的能源輸送和電力流動(dòng)的可能性。它允許電力和數(shù)字信息在公用事業(yè)和客戶之間的雙向流動(dòng)。電網(wǎng)由智能儀表、傳感器、探測器、測量單元等支持，以批量或?qū)崟r(shí)的方式收集數(shù)據(jù)。此外，智能電網(wǎng)涉及眾多的應(yīng)用，這些應(yīng)用都創(chuàng)造了大數(shù)據(jù)的來源，例如，配電系統(tǒng)電力市場和價(jià)格、通過電網(wǎng)和變電站管理動(dòng)力傳輸和配電、智能負(fù)載轉(zhuǎn)換、管理可再生能源間歇性、電動(dòng)汽車的需求管理、智能建筑中的電力管理、智能電表、有效的需求響應(yīng)程序、智能資產(chǎn)管理、用于干擾記錄的相量測量單元(PMU)、能源消耗的匯總、公用事業(yè)公司的數(shù)據(jù)中心、負(fù)載和天氣狀況預(yù)報(bào)以及社交媒體程序，以便更有效地與客戶互動(dòng)。這些數(shù)據(jù)需要有效的管理和分析，以便更好地控制決策，提高電網(wǎng)的可靠性，減少能源需求，提高運(yùn)行效率，增加電網(wǎng)的能力。

智能電網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些大數(shù)據(jù)有助于增強(qiáng)智能電網(wǎng)應(yīng)用。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)將以高效的方式存儲、處理和挖掘信息，以增強(qiáng)不同的智能電網(wǎng)服務(wù)。大數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)信息交換，可以減少電網(wǎng)損耗，降低對主網(wǎng)的依賴，減輕高峰負(fù)荷，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)提供必要的系統(tǒng)支持，提高電網(wǎng)的可靠性、安全性和效率。

然而，挑戰(zhàn)在于捕獲必要數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，這會導(dǎo)致錯(cuò)誤的控制決策。實(shí)施大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對于電網(wǎng)和通信網(wǎng)相結(jié)合的智能電網(wǎng)的可靠能源管理將起到重要作用。眾所周知，數(shù)據(jù)在戰(zhàn)略決策中起著非常重要的作用。有了更多的數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)更精確和有效的控制決策。在智能電網(wǎng)中，隨著配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性和不確定性條件的增加，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)仍處于發(fā)展階段，尚未建立起來。之前的大多數(shù)研究都集中在智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析上。我們需要對大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)的定義和大數(shù)據(jù)的分類有一個(gè)全面的理解。

2 智能配電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)特性

2.1 智能配電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)源

智能分布式網(wǎng)絡(luò)中的大數(shù)據(jù)應(yīng)用測量和記錄可以通過采用各種同步或異步傳感器來實(shí)現(xiàn)，如相量測量裝置、微相量測量裝置、頻率擾動(dòng)記錄器等。外部數(shù)據(jù)來源于其他網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)連接，如智能交通網(wǎng)絡(luò)、能源網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)。所有外部信息都可能對智能電網(wǎng)的運(yùn)行和維護(hù)產(chǎn)生重要影響。智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)源通常分為兩大類：電力數(shù)據(jù)源和補(bǔ)充數(shù)據(jù)源。智能電網(wǎng)/分散式發(fā)電系統(tǒng)中的能源管理和控制決策都需要這兩種能源。電力數(shù)據(jù)類別包括數(shù)據(jù)效用測量，如相量測量單元(PMU)數(shù)據(jù)、智能儀表數(shù)據(jù)、智能電子設(shè)備(IEDs)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、數(shù)字繼電保護(hù)數(shù)據(jù)、數(shù)字故障錄波器(DFR)數(shù)據(jù)、事件記錄器(SER)數(shù)據(jù)、智慧型電表基礎(chǔ)建設(shè)數(shù)據(jù)、設(shè)備控制和維護(hù)數(shù)據(jù)，以及電力公司的自動(dòng)抄表操作數(shù)據(jù)。這些通常是在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表單中。補(bǔ)充數(shù)據(jù)源被廣泛用于決策，包括通過其他來源獲得的數(shù)據(jù)，如，地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù)、全球定位系統(tǒng)/衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)時(shí)間參考數(shù)據(jù)、天氣和閃電活動(dòng)數(shù)據(jù)、地震反射數(shù)據(jù)、動(dòng)物遷徙數(shù)據(jù)、金融市場數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)和監(jiān)管報(bào)告數(shù)據(jù)。來自這些不同來源的數(shù)據(jù)有多種類型和多種格式，包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的行和列、圖像、文本文檔、視頻、PowerPoint和HTML文件、電子郵件、消息、傳感器數(shù)據(jù)、基于web的事務(wù)和IT系統(tǒng)日志。這些數(shù)據(jù)類型通常分為三大類：結(jié)構(gòu)化的、半結(jié)構(gòu)化的和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以很容易地排序在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表的行和列，如電力數(shù)據(jù)，如智能儀表數(shù)據(jù)，同步相位數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)，靜態(tài)離線消費(fèi)者數(shù)據(jù)等。

2.2 智能配電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)的可拓特性

智能配電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)除了具有大數(shù)據(jù)的四個(gè)基本特征外，還具有分散性、稀疏性和安全性等特點(diǎn)。智能配電網(wǎng)一般覆蓋面大，因此數(shù)據(jù)源具有空間分散性。在監(jiān)測的實(shí)時(shí)性方面，智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫具有較大的時(shí)間跨度。由于配電網(wǎng)絡(luò)不是一個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò)，并且與其他網(wǎng)絡(luò)有很大的交互作用，因此數(shù)據(jù)源的類型、特點(diǎn)和速度具有很大的分散性，這就要求動(dòng)態(tài)分布式系統(tǒng)采用大容量的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。智能電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)量雖然巨大，但卻沒有多少有價(jià)值的信息。電力系統(tǒng)故障狀態(tài)分析需要不同情況下的電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)，而這些故障數(shù)據(jù)只占電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的一小部分。因此，我們需要采用數(shù)據(jù)挖掘和模式識別的方法來提取有用的信息。安全即數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)保護(hù)，分別從數(shù)據(jù)本身和智能分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的外部依賴角色塑造兩個(gè)方面進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、通信、處理等各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)質(zhì)量都直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)支撐能力。數(shù)據(jù)保護(hù)依賴于數(shù)據(jù)的生成、傳輸、匹配等。

2.3 大數(shù)據(jù)對配電系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

由于大數(shù)據(jù)為智能電網(wǎng)中的分散式發(fā)電/電力系統(tǒng)提供了加強(qiáng)能源管理和控制決策的巨大機(jī)遇。并入當(dāng)前實(shí)用程序的處理和分析單元的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級高速增長。如何有效地從海量數(shù)據(jù)中提取相關(guān)信息以支持在線決策，是分布式系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)可歸納如下：

（1）為眾多應(yīng)用開發(fā)新穎安全的數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)處理方案，以提高智能電網(wǎng)的可靠性；（2）開發(fā)有效管理海量數(shù)據(jù)的新計(jì)算方法；（3）提高服務(wù)和應(yīng)對日益增加的分散式發(fā)電的能力；（4）促進(jìn)客戶層面的電力市場發(fā)展，例如加強(qiáng)以市場為本的需求回應(yīng)和以客戶為本的服務(wù)；（5）正常和緊急情況下配電網(wǎng)絡(luò)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3 配電網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)分析方法

在從不同來源獲取智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)之后，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)包含四個(gè)主要階段。從這些來源獲得的數(shù)據(jù)可以使用不同協(xié)議從各個(gè)系統(tǒng)以不同的格式獲得。這些單個(gè)系統(tǒng)的性能與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的控制無關(guān)，而且這些系統(tǒng)往往是外部應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)采集階段包含許多步驟，通過大量的通道集中來自不同來源的大數(shù)據(jù)，然后緩沖這些數(shù)據(jù)足夠長的時(shí)間來應(yīng)用在線觸發(fā)器，并存儲這些大數(shù)據(jù)。這通過許多步驟完成；解析和驗(yàn)證步驟檢查語句的語法和語義有效性，清理和去重復(fù)步驟清理數(shù)據(jù)庫中不正確、不完整或重復(fù)的數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需格式的轉(zhuǎn)換步驟；一旦轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通常存儲在某種持久性存儲中，轉(zhuǎn)換步驟通常是數(shù)據(jù)獲取階段最復(fù)雜、最耗時(shí)和最耗資源的步驟。數(shù)據(jù)存儲階段包括數(shù)據(jù)建模、概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型。下一步是根據(jù)大數(shù)據(jù)的類型和大小確定數(shù)據(jù)存儲方法。用于存儲大數(shù)據(jù)的方法應(yīng)該反映應(yīng)用程序及其使用模式。分片和分區(qū)是對大數(shù)據(jù)系統(tǒng)性能有嚴(yán)重影響的另一個(gè)重要功能。

4 結(jié)語

本文提出了“防護(hù)智能中心”的概念，闡述了其總體結(jié)構(gòu)。大數(shù)據(jù)現(xiàn)象不再被認(rèn)為是一種趨勢。事實(shí)上，智能電網(wǎng)在大多數(shù)應(yīng)用中采用大數(shù)據(jù)策略對于更好的管理和控制是至關(guān)重要的。智能電網(wǎng)是由分布式節(jié)點(diǎn)組成的電力網(wǎng)絡(luò)，在智能子系統(tǒng)的普遍控制下運(yùn)行，即所謂的智能微網(wǎng)。微網(wǎng)可以在并網(wǎng)模式、孤島模式或兩種模式下運(yùn)行。在并網(wǎng)模式下，智能電網(wǎng)的控制和管理一直被認(rèn)為是降低能耗、提高電力可靠性、效率和質(zhì)量的關(guān)鍵和核心策略。在微電網(wǎng)存在的情況下，分布式系統(tǒng)(即一組負(fù)荷、可再生能源和儲能裝置作為一個(gè)能夠向當(dāng)?shù)毓?yīng)能源的單一可控系統(tǒng)運(yùn)行)的控制和管理對現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。在控制階段，微電網(wǎng)的集中或分散控制旨在優(yōu)化電力生產(chǎn)和消費(fèi)，以提高整體效率。本地控制是微網(wǎng)控制的基本范疇。挑戰(zhàn)在于，幾個(gè)數(shù)據(jù)源必須能夠在任何需要的時(shí)間和任何地點(diǎn)無縫連接或斷開與分布網(wǎng)絡(luò)的連接。此外，由于可能存在相互沖突的需求和有限的通信，控制具有不同特征的大量不同源將非常具有挑戰(zhàn)性。然而，從大數(shù)據(jù)系統(tǒng)創(chuàng)建更多的信息，使人們有機(jī)會實(shí)現(xiàn)大部分歷史信息，而這些歷史信息本來應(yīng)該是顯而易見的，以便能夠定位有用和無用的數(shù)據(jù)。此外，能夠最大限度地提高生產(chǎn)力和他們收集的信息的價(jià)值，這些信息可以用于以后的決策階段。在管理階段，某些微型電網(wǎng)斷斷續(xù)續(xù)地發(fā)電，加上消費(fèi)者需求的不可預(yù)測性，意味著這些微型電網(wǎng)(及其消費(fèi)者)在某些時(shí)候可能會彼此交換額外能源，而不是從主電網(wǎng)要求額外能源。