大數(shù)據(jù)智能電網(wǎng)可視一體化研究

孫名揚(yáng) 李宏偉

摘 ?要：智能電網(wǎng)是以傳統(tǒng)電網(wǎng)為雛形，通過數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方式解決實際問題，并提高電網(wǎng)的自動化和智能化程度，進(jìn)而追求信息感知、決策和執(zhí)行的統(tǒng)一。大數(shù)據(jù)智能電網(wǎng)可視一體化平臺采用優(yōu)化后的并行計算模型，有效解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)自動控制效率低、故障率高、維護(hù)難的問題，大大提升了人員的工作效率，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，可多樣化滿足用戶需求，進(jìn)而達(dá)到可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好的目的。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);大數(shù)據(jù);平臺化;高效;環(huán)境友好

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）21-0136-03

Abstract： Taking the traditional power grid as the prototype， smart power grid solves the practical problems through digitization and networking ways， improves the automation and intelligence of power grid， and then pursue the unity of information perception， decision-making and implementation. The visual integration platform of big data smart power grid adopts the optimized parallel computing model， which effectively solves the problems of low efficiency， high failure rate and difficult maintenance of traditional power grid automatic control， and greatly improves the work efficiency of personnel. Combined with big data technology， it can meet the needs of users in a variety of ways， so as to achieve the purpose of reliability， safety， economy， efficiency and environment-friendly.

Keywords： smart power grid; big data; platformization; efficient; environment friendly

0 ?引 ?言

近些年來中國在工業(yè)用電、農(nóng)業(yè)用電、商業(yè)用電、居民用電、公共設(shè)施用電方面的用電量逐年攀升。2020年中國全社會用電量達(dá)75 110億千瓦時，較2019年增長了2 258億千瓦時，同比增長3.10%，而2021年上半年全社會用電量已達(dá)39 339億千瓦時。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是單向結(jié)構(gòu)，極其依靠傳統(tǒng)燃料，存在電力分配不合理和缺口巨大等問題，并且很難滿足日益增多的用電量和需求量。隨著全國積極推進(jìn)“碳達(dá)峰”與“碳中和”，能源革命和發(fā)展高效智能化電力系統(tǒng)勢在必行，更是實現(xiàn)未來中國科技、經(jīng)濟(jì)雙發(fā)展的必然途徑。正因如此，“智能電網(wǎng)”的概念被首次提出，并得到快速發(fā)展。作為一種信息采集—分配—管理的大型智能化系統(tǒng)，其運(yùn)行時會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)類型也日益多元化。

1 ?智能電網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的關(guān)聯(lián)

智能電網(wǎng)在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成應(yīng)用新設(shè)備、新材料、新能源等構(gòu)成新型現(xiàn)代化電網(wǎng)[1]，在此基礎(chǔ)上，還配備了許多新技術(shù)，如：大數(shù)據(jù)技術(shù)、傳感技術(shù)、遠(yuǎn)程操控技術(shù)、信息交互技術(shù)等，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并利用，多樣化地對數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位統(tǒng)一管理，以滿足用戶的各種需求。在完善的數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的加持下，可進(jìn)行“多方交互”，可有效規(guī)避風(fēng)險和故障。在電能傳輸和發(fā)電耗電時，還可實時監(jiān)控用戶的用電情況，若出現(xiàn)故障，可有效控制電網(wǎng)減少斷電時間。若為智能電網(wǎng)配置一個完善的數(shù)據(jù)庫，可通過大數(shù)據(jù)的云計算技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全類型多樣化處理，還可以在任何地點(diǎn)、任何時間段，合理且高精度地提供電力資源，從而避免由電力缺口過大而導(dǎo)致的限電停產(chǎn)。

2 ?大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)處理技術(shù)與智能電網(wǎng)的優(yōu)化和升級是當(dāng)下熱門的交叉性研究課題，也是中國未來發(fā)展所必需的。同時，新能源供電的大量引入，打破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的靜態(tài)生產(chǎn)，使電力工業(yè)面臨極其復(fù)雜的安全形勢。正因如此，本文創(chuàng)新性提出了一種大數(shù)據(jù)智能電網(wǎng)可視一體化平臺，以大數(shù)據(jù)智能分析平臺為雛形，包含了數(shù)據(jù)特征提取、算法的設(shè)計、模型、參數(shù)查詢與管理、分布式存儲及并行運(yùn)算等功能，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式處理，降低時延，提高處理效率和用戶體驗，進(jìn)而有效提高整體電能調(diào)度水平[2]。如圖1所示。

2.1 ?數(shù)據(jù)分布式存儲

傳統(tǒng)的存儲方法是采用集中的數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存儲，這樣的方法若用于龐大的數(shù)據(jù)集，會極大限制系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)分布式存儲是將龐大的數(shù)據(jù)集經(jīng)云計算技術(shù)分析后，將廣泛被應(yīng)用的半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，分類存儲到多個獨(dú)立的設(shè)備上，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲平臺發(fā)生問題時，利用數(shù)據(jù)存儲技術(shù)進(jìn)行問題處理，從而提升電網(wǎng)信息的安全性，減少了存儲器的負(fù)荷，更大大提高了可靠性，必要時還可進(jìn)行彈性擴(kuò)展[3]。大量數(shù)據(jù)涌入數(shù)據(jù)庫時，采用并行計算與分布式存儲相結(jié)合、云計算和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相配合的方式，提取數(shù)據(jù)特征，合理分類，極大提升計算分析效率，有效擴(kuò)大解決問題的規(guī)模，實現(xiàn)了分布式與并行計算的融合。

2.2 ?并行化多維計算

電能的產(chǎn)生、各用戶消費(fèi)都是瞬間完成的，并產(chǎn)生一個大數(shù)據(jù)集，電力系統(tǒng)中還有電流電壓的產(chǎn)生，并配有大量負(fù)載?；诖饲闆r，本文提出并行化計算的設(shè)計理念，整個過程中都須依靠高效且可靠的運(yùn)算，才能保證電能的合理分配和動態(tài)平衡。能源革命愈演愈烈，大規(guī)模新能源設(shè)施動態(tài)接入和退出、用戶過多導(dǎo)致負(fù)荷過大等特性，對數(shù)據(jù)計算、處理和分析提出了更高的要求。并行化計算可在某一大數(shù)據(jù)集突然輸入時，依靠其特殊的算法設(shè)計對其產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多維化計算分析，將一個龐大的數(shù)據(jù)集拆分成若干子數(shù)據(jù)集，進(jìn)而進(jìn)行分布式存儲。并行化多維計算相比于傳統(tǒng)的串行運(yùn)算，極大提升工作效率、可靠性，并帶來極大的附加價值。這是能源安全可靠、高效智能生產(chǎn)、輸送與消費(fèi)的基本保障。

2.2.1 ?算法設(shè)計

本平臺以BSP并行化計算模型為設(shè)計理念，包含計算組件、柵欄同步器和路由器，在提供網(wǎng)絡(luò)的同時，柵欄同步器將各類型數(shù)據(jù)分成一個個超步，分為3個階段進(jìn)行計算分析：

（1）本地計算：計算節(jié)點(diǎn)對本地的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，存入到本地的存儲器中，將需傳送到其他本地存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，有序傳輸。

（2）點(diǎn)點(diǎn)通信：即各計算節(jié)點(diǎn)之間可隨時通信。

（3）全局路障同步：超步為全局路障同步的起點(diǎn)，本次超步計算分析、數(shù)據(jù)經(jīng)全局路障同步后，方可生效，并且每個計算節(jié)點(diǎn)完成后，才能進(jìn)入到下一個超步，否則無效。

BSP并行計算模型相當(dāng)于計時節(jié)點(diǎn)并行計算，各超步之間串行運(yùn)行，適用于智能小區(qū)、樓宇和各類對數(shù)據(jù)挖掘無深度需求的普通用戶。如圖2所示。

2.2.2 ?BSP并行計算模型優(yōu)化

BSP并行計算模型暴露出一個缺陷，就是在計時節(jié)點(diǎn)并行運(yùn)算，超步之間串行運(yùn)算時，保證了數(shù)據(jù)的一致性，但存在速度慢的問題，且無法針對智能電網(wǎng)的實時改變的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，不適用于大數(shù)據(jù)的實時處理。故本平臺以BSP并行計算模型為雛形，提出了一個新的設(shè)計理念，即本次計算節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過全局路障同步后，串行進(jìn)入下一個超步的計算。期間若有實時的大數(shù)據(jù)更新，也可以進(jìn)行異步計算，即跳過全局路障同步，直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，將數(shù)據(jù)并行化和模型并行化結(jié)合，保證了對實時數(shù)據(jù)處理的高效性和可靠性，也滿足了對智能樓宇、智能小區(qū)和各類普通用戶的個性化需求。如圖3所示。

2.3 ?“多方交互”網(wǎng)絡(luò)通信

在大數(shù)據(jù)智能電網(wǎng)可視一體化平臺中植入數(shù)據(jù)分析軟件包、智能終端和輔助決策分析供用戶使用。數(shù)據(jù)分析軟件包主要用于用戶對數(shù)據(jù)的再次挖掘;智能終端用于多方隨時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信和用戶的信息查詢與管理;輔助決策分析包含電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施信息、設(shè)備運(yùn)行管理信息、環(huán)境信息、歷史故障診斷和故障預(yù)警及故障率檢測。利用上述功能，以適當(dāng)開源的方式，個性化、多樣化的滿足各種用戶的實際需求。下面將詳述各項功能。

2.3.1 ?智能終端

智能終端用于多方隨時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信和用戶的信息查詢與管理，其中包含了信息安全防護(hù)技術(shù)和虛擬化技術(shù)，信息安全防護(hù)主要采用3個原則：最細(xì)化原則、權(quán)限分配原則和信息隔離原則。最細(xì)化原則：實時上傳和更新的數(shù)據(jù)過于龐大，務(wù)必會有敏感信息，這些敏感信息只在一個范圍內(nèi)進(jìn)行共享，適當(dāng)分配用戶的訪問權(quán)限，進(jìn)行限制性信息共享。權(quán)限分配原則：在整個平臺中，對所有權(quán)限進(jìn)行合理分配，每個可以訪問信息的用戶只能訪問到相匹配的信息，并且各用戶之間還存在著相互制約，禁止用戶權(quán)限過大，導(dǎo)致平臺失衡，甚至信息泄露。信息隔離原則：將主要的信息和次要的信息進(jìn)行隔離，對有訪問權(quán)限的用戶，共享信息主體，其余信息進(jìn)行加密保存，存儲到數(shù)據(jù)庫中[4]。虛擬化技術(shù)采用了傳感器技術(shù)，利用此技術(shù)形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，使各存儲器、各終端，各用戶隨時在線上傳和查看信息，達(dá)到無線通信的目的。

2.3.2 ?數(shù)據(jù)分析軟件包

數(shù)據(jù)分析軟件包可采用非對稱加密的方式，并通過用戶與軟件之間的聯(lián)系設(shè)計了特有的兩種密鑰，用于對新增加的各種數(shù)據(jù)再次進(jìn)行分析和挖掘，具有很強(qiáng)的保密性的同時，還能使用戶發(fā)現(xiàn)其中所包含的海量資源[5]。此功能可為行業(yè)或企業(yè)帶來巨大的商業(yè)價值，實現(xiàn)多種高附加值的增值業(yè)務(wù)，從而提升行業(yè)或企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和管理效率。

2.3.3 ?輔助決策分析

輔助決策分析包含了電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施信息、設(shè)備運(yùn)行管理信息、環(huán)境信息、歷史故障診斷、故障預(yù)警與故障率檢測。利用智能終端，部分用戶可遠(yuǎn)程在線查看電網(wǎng)各設(shè)施的信息及運(yùn)行情況，當(dāng)電力系統(tǒng)某處出現(xiàn)問題時，會通過遠(yuǎn)程信息告知，以便工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。在此基礎(chǔ)之上，此功能還可對部分故障進(jìn)行預(yù)估，及時上傳并匯報給相應(yīng)的工作人員，減少風(fēng)險。部分用戶在可以搜索到以往電力系統(tǒng)的故障率的同時，還可隨時對電力系統(tǒng)進(jìn)行掃描，檢測故障，以降低故障率。

3 ?結(jié) ?論

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配備大數(shù)據(jù)技術(shù)和合理的分配機(jī)制，可對各類各時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整合、歸納統(tǒng)一，既有效解決了電力分配不合理而導(dǎo)致電力缺口巨大的問題，更讓現(xiàn)有的電力系統(tǒng)達(dá)到控制高精度、信息可共享、故障可預(yù)判，推動新發(fā)展的目的。大數(shù)據(jù)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)是智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的必經(jīng)之路。全社會經(jīng)濟(jì)和科技飛速發(fā)展，積極推進(jìn)智能電網(wǎng)越來越重要，也加快帶動社會發(fā)展，推動社會互聯(lián)穩(wěn)定、資源共享利用以及行業(yè)融合統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 劉國旗.基于大數(shù)據(jù)智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)探討 [J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2020（3）：37-39.

[4] 張東霞，苗新，劉麗平，等.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展研究 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，35（1）：2-12.

[5] 朱大磊，王俊利.探究數(shù)據(jù)加密技術(shù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用 [J].信息系統(tǒng)工程，2019（12）：73-74.

作者簡介：孫名揚(yáng)（1999—），男，漢族，遼寧營口人，本科在讀，研究方向：光伏與智能電網(wǎng)應(yīng)用;通訊作者：李宏偉（1989—），男，漢族，遼寧沈陽人，實驗教師，碩士研究生，研究方向：信息化技術(shù)研究。