基于云計算和新型電力系統的營配融合現場輔助云平臺

李星舉，張婧楠，王 杰，劉立博

(國網鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114002)

國家電網有限公司(簡稱公司)提出要加快電網向新型電力系統升級，同時要落實“雙碳”目標，發揮電力大數據支撐作用。全社會也對當前電網能夠對接工業互聯網、探索5G和變電站的多站融合、完成30萬充電樁的接入、適應柔性調節等提出需求，尤其是僅能實現單向輸送電能、消納清潔能源困難、自動化程度較低的配電網，升級改造任務日益迫切。縱觀基于云計算、人工智能、區塊鏈、增強現實等新興技術的互聯網公司發展經驗，重視數據及數據技術，對原有產業進行數據化、網絡化、智能化轉型是一種可遷移、可復制的可靠路徑。新型電力系統建立在智能電網、能源互聯網等眾多新型網架基礎上，各個業務口徑已經基本實現在線化、數據化、智能化。然而，盡管新技術應用不斷發展，以新能源為基本供能來源的新型電力系統需要同時在穩步推進的同時，注意基層業務的轉化與升級?；鶎庸╇姽净蚬╇娝饕獦I務是營銷和配電兩大領域，同時也是電網數據的重要接入口，現在推廣綜合能源服務、銜接5G基站等新基建項目、受理用戶電動汽車或電供暖等需求中存在獲取數據既多且雜、數據貫通性不足、多平臺融合性不夠等問題，需要探索建立適應新型電力系統的基于云計算等高容量、低功耗、可遷移技術特征的營配融合業務平臺解決方案，并付諸實踐。

在新型電力系統認識方面，歐陽昌裕[1]從國家能源新戰略內涵、能源綠色低碳發展、清潔低碳體系構建、電力發展大勢、形態特征5個維度入手，探究新型電力系統建設路徑和挑戰，得出未來發電側、電網側、用戶側的生態圖景；朱征等[2]從新型配電網同步相量算法和新研制的新型配電網同步相量裝置設計出發，搭建了高精度同步相量測試平臺，并基于該平臺設計了符合配電網環境特征的多場景測試方案，并對算法在標準場景及配電網實際測量環境下的性能進行全面測試，驗證了所設計算法的高精度和快響應特性。在新能源供給側方面，魏凱等[3]結合新能源接入電網后的實際運行數據研究，提出交直流混合配電網技術方案，并以電網恢復技術作為關鍵項目，對關鍵技術特征進行驗證；鄭建平等[4]在基于柔性直流配電網的城市互聯網設計中，提出柔性直流配電網示范工程的設計及分析，并成功在世界容量最大、電壓等級最多的珠海唐家灣三端柔性直流配電網工程中投入運行。在數據應用方面，顏融[5]依托人工智能、云計算等新技術，提出暫態穩定快速批量評估算法框架，使加快專家系統和用戶側綜合能源服務具備了理論支撐；伍也凡[6]等以源網荷儲同步優化、智能控制為目標，將規劃設計作為加強數據應用的突破口，有效利用分布式電源、魯棒優化、多目標規劃等技術，將數據挖掘與應用作為新型電力系統的重要支撐，綜合提升配電網可靠性。

從當前的研究成果可知，新型電力系統建設與傳統電網具備顯著差異，一個明顯特征就是能源供給側更加分散，電力系統調控模式更加復雜，配電網從供售電末端向電源供給側和消費側雙重職能身份轉變，常規的配電春秋季檢修運維、現場表計核抄與線損計算、搶修工單與用戶回訪等任務隨之發生深刻變化。當前，在工程實踐中，電網公司等能源行業往往依靠外部互聯網或數據技術公司代理進行平臺設計和運維，具體運營經驗和數據模型存在大量空白。盡管可以節約部分用工成本，但也為未來面向用戶側、即未來的潛在供能側深化改革埋下隱患。數據表明，越來越多的用戶需要足夠的數據分析產品和綜合能源建議進行對應的新能源反送或市電接入操作，取得對應的差價獲益，因而研發面向基層供電末端需求的綜合業務云平臺日益迫切。

當前，能源互聯網在配電網側的應用越來越廣，以智能負荷開關、電能表、考核表及各類傳感器等設備在配電網使用中既多且雜，基層供電公司或供電所人員需要同時面對處理搶修任務、開展例行檢修、解決用戶投訴、推廣業擴報裝等多重任務。對此，本文針對新型電力系統建設預期場景，面向多樣化用戶需求和營配工作人員實際需要，設計一種經濟合理、技術可行的現場輔助平臺解決方案，并以在遼寧某地級市城區供電公司日常應用反饋數據為樣本，驗證其實際效果，為新型電力系統建設升級提供數據基礎支撐和有益探索。

1 新型電力系統相關研究

新型電力系統建設有賴于發電側、電網側、負荷側的協調互動，加快電網感知能力、信息中臺、泛在互聯的特征建設，同時需要深刻認識到新能源接入后電源波動性大、負荷側不確定性情況增加等，信息系統與電力系統的新一輪融合勢在必行。公司今年上線的新能源云，標志著新能源為主體的新型電力系統建設進程將全面對接“碳達峰、碳中和”目標。新能源云逐漸向供給側深化應用，需要足夠多的基層數據和技術中臺進行對接，這在技術標準、規則構建、產品設計、網架結構、服務云化等諸多方面提出新的要求和新的挑戰。當前，服務用戶的末端配電網面臨著新能源接入帶來的一定風險，如諧波污染、風電周期性波動、電動汽車集中充電或反饋電上網等未知性風險、繼電保護裝置設計和新能源適應性改造等大量問題亟待解決。同時，由于電網用戶的身份由單純的能源消費者向能源消費+供給者轉變，這將帶來末端配電網和服務模式的深刻變化。從國外的運行經驗來看，美國在相關研究中走在技術前列，其通過建立大型用電企業與發電企業之間的中長期期貨貿易市場，逐步解決了新能源上網電價壓降、電網公司經營性利潤、跨能源區電能交易及生產企業經營保障等各類問題。并建立電能現貨交易，補齊了在非企業用戶、普通用戶和企業電能短期交易等方面的平臺短板[7]，為構建新型電力系統模式做出一定貢獻。但在美國大力發展風電核電光伏的得克薩斯州遭遇大風雪時出現了連續多日的大停電，發電企業無法兌現其在合同中規定的供能責任，給地區經濟發展和居民生活帶來巨大損失，這一事件需要認真反思和警惕，在加快建設新型電力系統中一定多積累經驗和教訓。

新型電力系統的建設需要從中長期發展需要出發，集中解決發輸變配用各個領域的問題，在保證實現單位GDP能耗降低和能耗總量雙降的同時，綜合利用人工智能(AI)、大數據、區塊鏈、云計算等先進信息技術，保證“雙碳”目標的最終實現。如果從當前的電力系統做一個假設推演，從電廠發電，經過電網，最終配送給用戶的傳統模式將變成類似互聯網的雙向貫通模式，這不僅需要在用戶側增加非侵入式電量采集裝置、更豐富的配電網智能傳感器、更全面的GIS、BIM信息貫通，更需要真正的電力系統重構和革新。新型電力系統的建設需要至少經歷2個明顯階段：第1個階段是以光伏、風電、水電等電能生產者為代表的新能源成為電源側的主體，同時需要煤炭、燃油等化石能源作為重要調節手段的一個共存階段，這個階段需要政策、法律、技術、資金、人員、設備等各方參與和努力，盡快構建新型電力系統基本框架；第2個階段是以大規模儲能技術為支撐，多能互補、源荷互動、交直共生的能源模式，網架部分將依托堅強大電網，衍生泛在供用能一體化的微電網，真正實現電能隨取隨用、按量計費、智能高效、清潔友好的目標。

目前，某些地區面臨電量吃緊、有序用電的壓力，社會輿論對于供電穩定、能效管理、精準控制、實時響應等需求空前關注，降低能耗、提升效率獲得新一輪的廣泛共識。從負荷需求角度看，第三產業的蓬勃發展，互聯網經濟極度依賴電力安全可靠供應，同時也呼喚電網企業能夠快速精準地提供服務范圍更廣、指導意義更強的公共產品和信息服務，這對影響企業制定工時計劃、公眾安排好日常生活具有巨大的心理安撫作用。從清潔能源開發角度看，中國各類新能源儲量超大，具備支撐經濟發展、保障和改善民生的潛力；從運營管理角度看，有賴于5G等通信技術支持，用戶側與配電網設備間實現毫秒級控制成為可能[8]；從市場建設角度看，保安全、保供應、保兜底應該成為出發點，容量市場、碳排放交易、電能和調峰市場應該相互支持、聯通共享；從商業模式角度看，需要基于新能源發電企業中長期補償性收益，讓企業在沒有后顧之憂情況下，盡力壓降成本、革新技術，為政策優化提供參考[9]。

綜合國內外相關研究結果及新型電力系統發展思路，可以得出以下結論：一方面，電網從骨干網架到末端配電箱、電能表都需要重新進行設計和改造，進而滿足能源安全、節能環保、智能友好、安全可靠等社會需求，盡管在產學研等領域已經開始對新型電力系統進行研究，但主要集中于調度算法設計、工業園應用結果分析和未來電網情境展望等環節，一定程度上落后于實際需求；另一方面，由于政策法律、行業發展、技術進步、資金歸集與電網、信息網的融合等都需要一定時間，當前急需從實際應用出發，提出技術可行、經濟合理的建設方案，并進行相關結果驗證。

2 面向用戶需求的云計算平臺設計

2.1 云平臺所需覆蓋主要領域探究

云計算是當前解決能源行業等傳統領域算力、算法的關鍵支撐性技術，已經廣泛應用于電網調控、故障處理、專家診斷和數據容災等領域。云計算平臺的2個鮮明特征是：資源池化和軟硬件解耦[10]。云計算技術的出現給沒有及時參與互聯網化改造的傳統企業帶來了新的曙光，電網公司十分重視研究和應用云計算技術，從國網云到新能源云，可見云資源投入逐年加大，各個省公司已經搭建起各自的私有云平臺。目前，尚處于建設探索階段的新型電力系統主要分為4層架構——感知層、網絡層、平臺層和應用層。感知層是實現新型電力系統全面感知的核心能力，也是新型電力系統中包括關鍵技術、標準化方面、產業化方面亟待突破的部分；網絡層是新型電力系統架構中標準化程度最高、產業化能力最強、最成熟的部分，廣泛覆蓋的移動通信網絡是實現新型電力系統的基礎設施；平臺層負責提供信息處理平臺，實現海量數據信息的深度挖掘應用。同時，平臺層緊密結合人工智能、大數據背景及新型智能電網的特性，可以實現數據流顯性、隱性價值挖掘和應用；應用層能提供豐富的基于新型電力系統的應用，是新型電力系統發展的根本目標?；谠朴嬎愕臓I配融合現場輔助云平臺總體架構如圖1所示。

2.2 云平臺架構搭建

本次設計涉及的云平臺是面向電網公司營銷現場實際的、具備自動記錄存儲相關信息并能支持大數據分析的輔助現場核抄工作總體方案。該平臺屬于公司系統內搭建的私有云平臺，云管方面主要技術為openstack，虛擬化方面主要技術是KVM(kernel-based virtual machine)，存儲方面選擇了分布式對象存儲，網絡部分除進行虛擬IP分配還將保證安全、負載分擔等功能。由于是面向用戶現場、基層人員使用，因此該平臺必須保證管理人員對數據安全的直接控制和業務流程的管控權力。針對新能源用戶不斷增長的現狀，云平臺的易擴展性也突顯出來，可以同時支持數千用戶使用，并能保證較低成本。

圖1 基于云計算的營配融合現場輔助云平臺總體架構

基于S/M架構的云平臺服務器端，需要保證現場工作人員在可穿戴設備或手機端方便獲得授權，同時實現資源高可用和安全無漏洞兩大集中優勢。由于該平臺除記錄工作信息、用能狀態、線損數值等關鍵數據外，還記錄短視頻或圖片等信息，所以在未來對接新能源云等大數據、云計算平臺前，需要進一步完善Map Reduce和SQL優化方案，保證末端手持設備的快速數據加載和分析使用，提升云平臺之間的互通性和友好性。在線虛擬機設置界面和云平臺模塊構成如圖2所示。

圖2 在線虛擬機設置界面和云平臺模塊構成

2.3 云平臺建設關鍵技術

從新型電力系統的技術架構可知，建設的具體思路，即建立所謂智云網邊端(ACENT)架構?！爸恰奔粗咐肁I技術搭建電網智能應用服務平臺，為新型電力系統提供良好發展生態的基礎?！霸啤奔粗冈朴嬎愫驮拼鎯Γ劳袊W新能源云平臺，推動企業中臺體系構建，進一步開展基礎性、前瞻性研究?！熬W”即指空天地一體化網絡技術，需要5G無線通信、光纖通信、新型材料等領域進一步突破，保證網架堅強、狀態可控、智能運維、安全經濟的目標得以實現?！斑叀奔粗敢赃吘売嬎慵夹g為代表的關鍵技術在變電儲能、多站協同、冗余計算的具體研發和應用，同時需要邊緣計算設備的跟進研究。“端”即指智能感知終端，這是物聯網感知層的核心技術，被稱為電力三次設備，是電網信息物理融合(CPS)的基礎。用戶側的需求預測分析理論與技術方法見表1。

表1 用戶側的需求預測分析理論與技術方法

3 現場輔助云平臺方案設計及應用分析

3.1 云平臺應用背景

搭建具備匹配電網公司服務特征和服務能力的云計算平臺，需要在諸多功能上橫縱貫通，保證在業務數據化、數據業務化的基礎上，承接新型電力系統建設任務，實現用電無感知，檢修零中斷。本文基于上述分析，從解決現場營銷和配電專業融合問題入手，搭建基于云計算的現場輔助云平臺，并開發了對應小程序，方便99%情境下的移動終端使用。本文以遼寧某大型城市的區供電公司服務范圍展開實際驗證，該地區供電服務面積涉及6個鎮、共計317 km2；其服務范圍內擁有供電用戶12.27萬戶。變電及配電設備方面，該轄區內共有220 kV變電站5座、66 kV變電站14座；10 kV配電變壓器1689臺，容量454.48 MVA；10 kV配電線路119條，長度868.5 km，是屬于典型的城區和鄉村、平原和山地、3個產業全覆蓋的綜合經濟開發區，具備較好的研究條件。現場表箱二維碼和手機端設備信息界面如圖3所示。

圖3 現場表箱二維碼和手機端設備信息界面

3.2 云平臺基本架構及服務界面功能設計

硬件方面，云平臺在供電公司機房搭建服務器集群，并在手機端或PC端可以登錄使用客戶機。當前服務器采用CPU、硬盤、網絡融合部署，在虛擬桌面運行過程中可支持1000個以上同時加載業務。存儲使用RAID10模式，“SSD+HDD”混合設計，保證兼顧冗余和經濟性，具備高效快捷的 I/O 性能，完全支持營銷服務中產生的數據服務，并可以通過預留API方便對接混合云等上級云管平臺。面向新型電力系統的“雙碳”設計需求，云平臺原生的綠色環保能力，可以最大限度降低單位主機能耗，減少冷量需求，同步降低采購本與設備功耗。

軟件方面，云平臺基于 KVM 和openstack框架設計，均采用開源平臺產品，避免出現“卡脖子”問題，維護公司合法權益。系統基于ARM架構和Linux內核，使用KVM公司產品實現硬件虛擬化和資源池化，最終對接到openstack。在原生openstack基礎上進行Nova、Glance、Nurton供能加固，保證資源自動調度的同時，減少重復設計產品的浪費。在手機界面使用微信小程序，其后端為具備負載均衡供能的Web融合界面，可根據營銷、配電業務的擴展和取消靈活選擇交付桌面。

業務方面，融合配電、用電檢查、計量、采集、抄核收、安全等多個業務模塊，與基層供電公司7級臺區經理制有效銜接，保障供電服務的一貫性、可靠性，保障用戶方便查詢電量、電費、變壓器損耗和負載優化等綜合信息，用戶對平臺回訪滿意率100%。現場輔助云平臺尤其考慮安全管控，在現有電網向新型電力系統過渡期，發揮現有傳感器及安全保障系統作用，保證公網、自維設備、計量裝置等各類設備的安全可靠運行，保障重點區域、重點用戶、民生項目的供電可靠性和“獲得電力”水平持續提升。分臺區達標率完成統計情況如圖4所示。

圖4 分臺區達標率完成統計情況

3.3 云平臺方案應用實例

現場輔助云平臺應用于營銷閉環管理方面，以實現設備巡檢信息功能特色，包括計量裝置檢查結果、巡檢情況記錄、現場照片等，并支持巡檢人員信息包括姓名、手機號碼、定位和簽名的多重確認安全手段。數據流程可上傳云平臺，借助微信小程序，供管理人員隨時隨地核實審查，實現核抄工作的全流程閉環管理。

在節約現場管理成本方面，自從2021年1月起初步試運行，云平臺已經節約人工及車輛成本6.76萬元；按照2020年供電量為10 573萬kWh計算，當前年均綜合損失率為5.65%，損失電量減少1743萬kWh，平均單價按543.53元/kWh計算，可增加電費947.37萬元。在提升線損管理方面，該地區供電公司同期線損在線監測達標率完成98.49%，較年初94.68%提升了3.81個百分點，環比提升0.63個百分點，可以再節約配電成本36萬元，經濟效益提升十分明顯。綜上，現場輔助云平臺不僅具備大數據分析的支撐能力和數據基礎，而且相較于傳統模式具備巨大盈利能力。

4 結語

本文結合新型電力系統的基本概念、關鍵技術和建設思路，從云計算應用出發，提出面向基于營配融合管理模式的現場輔助云平臺解決策略。通過綜述云平臺開發背景和使用場景，探索云平臺基本架構和服務界面重要功能，最終對比、分析、確定了技術可行、經濟合理的現場輔助云平臺方案，并通過計算，驗證其在遼寧某大型城市區供電公司范圍內試運行9個月的經濟效果，具有一定的可靠性和經濟性，為建設以新能源為主體的新型電力系統的設計規劃和運營維護作出有益探索。