大數(shù)據(jù)技術(shù)下微電網(wǎng)CPPS發(fā)展研究挑戰(zhàn)和展望

摘要：微電網(wǎng)及其控制系統(tǒng)是一種典型的信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Power System，CPPS）。微電網(wǎng)智能化的深入發(fā)展，使得跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)量激增，且數(shù)據(jù)的規(guī)模與特點(diǎn)符合大數(shù)據(jù)特征。文章以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，探討微電網(wǎng)電力物理信息融合發(fā)展下電力大數(shù)據(jù)技術(shù)的特征、研究挑戰(zhàn)及其在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；物理信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉佳瑩（1995— ），女，助理工程師，本科；研究方向：智能電網(wǎng)。

0" 引言

微電網(wǎng)的本質(zhì)是一個(gè)可單獨(dú)控制的、小規(guī)模的電力系統(tǒng)，是構(gòu)成智能電網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)。微電網(wǎng)智能化的發(fā)展，使得行業(yè)動(dòng)態(tài)、氣象信息、工商用戶等跨行業(yè)數(shù)據(jù)大量融合，并呈現(xiàn)高容量、快速性、多樣性等大數(shù)據(jù)特征［1-2］。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在電力數(shù)據(jù)中的廣泛應(yīng)用，電力公司的運(yùn)營(yíng)能力與電網(wǎng)的管控水平得到很大提升，行業(yè)內(nèi)外也享受到了大數(shù)據(jù)技術(shù)帶來(lái)的大量增值服務(wù)。綜上，研究大數(shù)據(jù)技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要意義。

1" 基于CPPS的微電網(wǎng)架構(gòu)

微電網(wǎng)的存在是為了解決規(guī)?；植际焦夥?、風(fēng)電等分布式電源在并網(wǎng)過(guò)程中帶來(lái)的各種技術(shù)問(wèn)題、電能質(zhì)量問(wèn)題以及市場(chǎng)問(wèn)題等，充分發(fā)揮分布式發(fā)電技術(shù)在能源與經(jīng)濟(jì)中的優(yōu)勢(shì)［3］。信息物理系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控共同控制物理過(guò)程，并通過(guò)反饋部分實(shí)時(shí)對(duì)計(jì)算與物理元素行為進(jìn)行協(xié)調(diào)。綜上，微電網(wǎng)系統(tǒng)就是一個(gè)典型的CPPS系統(tǒng)。

信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理中心的信息源自物理系統(tǒng)中設(shè)備的狀態(tài)信息，而物理系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行又受信息系統(tǒng)傳遞的指令控制，這說(shuō)明微電網(wǎng)CPPS系統(tǒng)中的信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)緊密聯(lián)系。微電網(wǎng)CPPS架構(gòu)主要包括信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)以及兩系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)?；贑PPS的微電網(wǎng)典型架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，系統(tǒng)包括光伏、風(fēng)機(jī)等發(fā)電裝置，儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱等儲(chǔ)能裝置，電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷等負(fù)荷設(shè)備，還包括CHP機(jī)組、燃?xì)忮仩t等能量轉(zhuǎn)化裝置。另外，物理系統(tǒng)中的這些物理設(shè)備都嵌入了各種傳感器、狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、控制執(zhí)行裝置等，負(fù)責(zé)對(duì)物理系統(tǒng)中設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行感知并與信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，同時(shí)將信息系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的信息轉(zhuǎn)化成控制指令，控制物理系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行。信息系統(tǒng)主要包括控制中心、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心、各種數(shù)據(jù)采集裝置以及各設(shè)備間的通信網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)CPPS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、對(duì)物理層傳遞過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行處理并生成相關(guān)控制指令傳遞到物理系統(tǒng)。在微電網(wǎng)CPPS系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流、能量流將信息、物理系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起，從而高效管理微電網(wǎng)的能量。其中，信息系統(tǒng)中的各種傳感器設(shè)備與狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)感知物理系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)，從而將物理系統(tǒng)的能量流轉(zhuǎn)為信息流傳輸至信息系統(tǒng)，然后信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理中心對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過(guò)通信系統(tǒng)首先傳至信息系統(tǒng)的控制中心，接著控制中心通過(guò)傳遞過(guò)來(lái)的信息生成控制指令并進(jìn)一步傳輸至物理系統(tǒng)中的設(shè)備，從而完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行的控制。

2" 微電網(wǎng)電力大數(shù)據(jù)特征與大數(shù)據(jù)技術(shù)

在過(guò)去的幾年里，微電網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)、傳播傳感器和新通信技術(shù)等新技術(shù)的支持下，數(shù)據(jù)量急劇增加［4］。大量數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化的形式生成。對(duì)于如此龐大的數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)是不夠的，這需要更強(qiáng)大的計(jì)算分析策略。大數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)提供了可擴(kuò)展的解決方案來(lái)處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)分析的簡(jiǎn)單概念視圖如圖2所示。

微電網(wǎng)電力大數(shù)據(jù)主要來(lái)自發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等環(huán)節(jié)，大致可分為3類：一類是電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)；二是電力企業(yè)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)；三是電力公司的管理數(shù)據(jù)［5］。對(duì)于電網(wǎng)而言，通過(guò)采集整個(gè)電力系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的電力大數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的處理和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

隨著微電網(wǎng)高速的智能化，眾多跨行業(yè)數(shù)據(jù)如氣象信息、行業(yè)動(dòng)態(tài)等信息被深度融合，同時(shí)表現(xiàn)出快速、多樣、巨量等大數(shù)據(jù)特征。因此，電力大數(shù)據(jù)可以以大數(shù)據(jù)、分析技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)采集到的電力數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分析和可視化，為電力從業(yè)人員提供參考。例如，可以通過(guò)傳感器和各種監(jiān)測(cè)設(shè)備收集到的大量數(shù)據(jù)信息對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電網(wǎng)故障；利用大數(shù)據(jù)分析用戶歷史發(fā)電信息、天氣等之間的關(guān)聯(lián)性，從而提高對(duì)分布式光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，優(yōu)化電力調(diào)度；在微電網(wǎng)中，可以結(jié)合分布式發(fā)電技術(shù)與儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段微電網(wǎng)中電力的優(yōu)化分配。

3" 大數(shù)據(jù)技術(shù)下微電網(wǎng)CPPS研究挑戰(zhàn)

3.1" 數(shù)據(jù)規(guī)模和復(fù)雜性增大

微網(wǎng)內(nèi)物理信息設(shè)備以及微網(wǎng)之間的互聯(lián)互通，導(dǎo)致海量數(shù)據(jù)接入與輸出。其帶來(lái)的影響包括以下3個(gè)方面。

3.1.1" 數(shù)據(jù)質(zhì)量與可靠性

微電網(wǎng)CPPS需要大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，但數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性可能受到傳感器誤差、通信中斷等因素的影響。如何確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.1.2" 數(shù)據(jù)獲取與管理。

微電網(wǎng)CPPS產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，涉及多種數(shù)據(jù)類型和來(lái)源，如何高效、準(zhǔn)確地獲取和存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)是個(gè)挑戰(zhàn)，須要開發(fā)高效的數(shù)據(jù)獲取和管理技術(shù)。

3.1.3" 數(shù)據(jù)分析與挖掘挑戰(zhàn)。

大數(shù)據(jù)技術(shù)為微電網(wǎng)CPPS提供了豐富的數(shù)據(jù)資源，但如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和挖掘，提取有價(jià)值的信息，為微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行和決策提供支持，是大數(shù)據(jù)技術(shù)在微電網(wǎng)CPPS應(yīng)用中須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。這涉及數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、模型構(gòu)建、結(jié)果解釋等多個(gè)環(huán)節(jié)，須要綜合運(yùn)用多種算法和技術(shù)手段。

3.2" 數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)挑戰(zhàn)

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在電力行業(yè)中的深度應(yīng)用，大量傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等隨時(shí)隨地接入與CPPS系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，導(dǎo)致微電網(wǎng)CPPS中的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題日益突出。如何確保數(shù)據(jù)在收集、傳輸、存儲(chǔ)和使用過(guò)程中的安全性，防止數(shù)據(jù)泄露、篡改和非法訪問(wèn)，是大數(shù)據(jù)技術(shù)在微電網(wǎng)CPPS應(yīng)用中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。同時(shí)，如何保護(hù)用戶的隱私信息，防止個(gè)人隱私泄露，也是大數(shù)據(jù)技術(shù)在微電網(wǎng)CPPS的應(yīng)用中須要關(guān)注的重要問(wèn)題。

3.3" 跨領(lǐng)域融合挑戰(zhàn)

微電網(wǎng)CPPS的研究包括多領(lǐng)域技術(shù)，如電力、計(jì)算機(jī)、控制等領(lǐng)域，如何形成統(tǒng)一的規(guī)范，應(yīng)用多領(lǐng)域技術(shù)共同解決微電網(wǎng)CPPS相關(guān)問(wèn)題，需要跨學(xué)科、跨領(lǐng)域技術(shù)的深度融合，才能使微電網(wǎng)CPPS迎來(lái)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

4" 大數(shù)據(jù)滲透下微電網(wǎng)CPPS關(guān)鍵領(lǐng)域展望

隨著電力大數(shù)據(jù)在微電網(wǎng)CPPS中的不斷滲透，在海量數(shù)據(jù)信息分析和處理過(guò)程中，既要通過(guò)分布式處理的方法降低數(shù)據(jù)規(guī)模，還要對(duì)海量數(shù)據(jù)高效處理與決策技術(shù)進(jìn)行研究，從而提高微電網(wǎng)CPPS在數(shù)據(jù)規(guī)模劇增情況下的計(jì)算分析能力，相信微電網(wǎng)CPPS在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下具有廣闊的發(fā)展前景。

4.1" 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析

4.1.1" 智能能源管理系統(tǒng)（EMS）

微電網(wǎng)內(nèi)各種能源的生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)均通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的高效管理和調(diào)度。

4.1.2" 預(yù)測(cè)性維護(hù)

通過(guò)對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和收集，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析設(shè)備各狀態(tài)信息與設(shè)備故障之間的潛在關(guān)系，從而對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

4.1.3" 虛擬發(fā)電機(jī)技術(shù)（VPP）

對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的各種分布式發(fā)電資源進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化和整合分布式發(fā)電資源，從而提高微電網(wǎng)能源利用率及運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.2" 電力運(yùn)營(yíng)商決策支持

4.2.1" 智能電力市場(chǎng)

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建智能化的電力市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)能源的靈活交易和優(yōu)化配置，促進(jìn)微電網(wǎng)內(nèi)能源資源的有效利用。

4.2.2" 智能化電網(wǎng)運(yùn)行與控制

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的電力系統(tǒng)進(jìn)行智能化運(yùn)行與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度和優(yōu)化；通過(guò)對(duì)天氣、環(huán)境、歷史、設(shè)備狀態(tài)等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，為薄弱環(huán)節(jié)提供預(yù)防程序，以幫助運(yùn)營(yíng)商在出現(xiàn)重大問(wèn)題時(shí)及時(shí)采取糾正措施。

4.2.3" 高效能源存儲(chǔ)技術(shù)

結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的能源存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置和智能控制，提高微電網(wǎng)的供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

4.3" 基于大數(shù)據(jù)的微電網(wǎng)CPPS云平臺(tái)研究

4.3.1" “大數(shù)據(jù)+云平臺(tái)”

大數(shù)據(jù)方法可以在沒(méi)有云計(jì)算技術(shù)的情況下工作，但將大數(shù)據(jù)和云計(jì)算結(jié)合起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更高效的分析。為滿足微電網(wǎng)CPPS對(duì)信息化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算和分析的巨大需求，須要研究設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的微電網(wǎng)CPPS云平臺(tái)。平臺(tái)可以接入多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享；設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)到應(yīng)用的全棧平臺(tái)架構(gòu)，提高了系統(tǒng)可用性，減少數(shù)據(jù)的冗余；基于智能算法對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估與故障診斷；基于微服務(wù)思想，開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，使得平臺(tái)易于擴(kuò)展。

4.3.2" 安全與隱私保護(hù)

在微電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，必須確保數(shù)據(jù)的安全性和私密性，通過(guò)數(shù)據(jù)加密、權(quán)限設(shè)置等手段可以防止數(shù)據(jù)泄露和外部惡意攻擊。

5" 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)CPPS系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，并且隨著微電網(wǎng)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息將會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)難以滿足如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理需求，故將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)CPPS是當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，研究電力大數(shù)據(jù)處理技術(shù)有助于進(jìn)一步推動(dòng)電力系統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，從而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的信息、物理系統(tǒng)二者的深度融合，推動(dòng)微電網(wǎng)朝著更智能、更高效、更可靠的方向發(fā)展。

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（編輯" 王雪芬）

Research challenges and prospects of microgrid CPPS development under big data technologyLIU" Jiaying

（State Grid Songzi Power Supply Company， Songzi 434200， China）

Abstract：" Microgrid and its control system is a typical cyber-physical power system （CPPS）. With the further development of microgrid intelligence， the amount of cross-domain data surges， and the scale and characteristics of data conform to the characteristics of big data. Based on big data analysis technology， this paper discusses the characteristics， research challenges and development trends of power big data technology under the development of microgrid power physical information fusion.

Key words： microgrid; big data; cyber-physical power system