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

李亞婷

(國網(wǎng)襄陽供電公司營銷運(yùn)營中心,湖北 襄陽 441000)

0 引言

早期的電網(wǎng)以發(fā)電、輸電、配電以及售電功能為主[1]。但隨著全球人口數(shù)量急劇增長(zhǎng),隨之而來的是電力需求的不斷攀升,這不僅導(dǎo)致了電力供應(yīng)的需求問題,也使得電力供應(yīng)的可靠性和供應(yīng)質(zhì)量的下降。由此,智能電網(wǎng)(Smart Grid,SG)的概念出現(xiàn)在人們的視野里。智能電網(wǎng)的概念可以最早追溯到2000年左右,美國電科院提出Intelli-Grid概念[2]。智能電網(wǎng)被認(rèn)為是各種新能源、新技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)電網(wǎng)中的結(jié)果,其具有可靠性、高效性、安全性和可交互性等特點(diǎn)。而隨著各類智能設(shè)備、分布式能源(Distributed Energy Resources,DER)、電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用和快速發(fā)展,產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)多樣、來源復(fù)雜的數(shù)據(jù)[3],使得智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)處理問題成了研究的熱點(diǎn)問題,而大數(shù)據(jù)技術(shù)則恰好是一種能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)高效收集、管理和應(yīng)用的技術(shù)[4]。本文首先介紹了智能電網(wǎng)的基本架構(gòu),然后對(duì)于大數(shù)據(jù)處理技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,最后對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的問題和發(fā)展方向進(jìn)行了闡述和探討。

1 智能電網(wǎng)的架構(gòu)

智能電網(wǎng)是利用信息通信技術(shù)(Information and Comunication Technology,ICT)、計(jì)算機(jī)技術(shù)(Computer Technology,CT)等技術(shù)來監(jiān)視、控制從發(fā)電、輸電、配電以及用電的全過程,從而實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)、智能、可靠的電力網(wǎng)絡(luò)。這一過程涉及海量電力信息的采集、存儲(chǔ)和發(fā)送。智能電網(wǎng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成:電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和信息系統(tǒng)。合適的智能電網(wǎng)架構(gòu)能使得智能電網(wǎng)的各項(xiàng)功能高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.1 電力系統(tǒng)

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)架構(gòu)是基于單向的電流流動(dòng)來完成發(fā)電、輸電、配電到用電的整個(gè)過程,而在智能電網(wǎng)中的電力系統(tǒng)則是考慮到電流的雙向流動(dòng),更確切地說,在智能電網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)電流和信息在用戶側(cè)和發(fā)電側(cè)雙向的、高效、安全傳遞。在智能電網(wǎng)中,電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特指的是電力系統(tǒng)中的物理層面上系統(tǒng)或是設(shè)備,包括但不限于:發(fā)電廠(包括新能源發(fā)電)、變電站、電力傳輸線、斷路器、各類電機(jī)等。該電力系統(tǒng)應(yīng)具有靈活、可靠、高效等特點(diǎn)。

1.2 通信系統(tǒng)

智能電網(wǎng)需要建立范圍廣且反應(yīng)靈敏的通信網(wǎng)絡(luò)以傳遞基礎(chǔ)電力設(shè)備上的傳感信息,從而完成對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的精確調(diào)控。鑒于電能具有“即發(fā)即用”和不方便存儲(chǔ)的特點(diǎn),電力系統(tǒng)中的各類儀器儀表所產(chǎn)生的數(shù)據(jù),需要迅速且可靠地傳遞,這樣才能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制電力設(shè)備。

在傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)中,各類信息由分散在四處的不同來源匯聚到控制中心。智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)可以采用分布式架構(gòu),也可采用集中式架構(gòu)。智能測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集器或者是通信網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)上,通過網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)采集器可將采集到的電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊惺交蚍植际降目刂浦行摹?/p>

有線網(wǎng)和無線網(wǎng)在電力通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,可以很好地提高電力供應(yīng)的可靠性和供電質(zhì)量,智能電網(wǎng)中并入了多種不同的通信網(wǎng)絡(luò),例如:家庭區(qū)域網(wǎng)、建筑區(qū)域網(wǎng)以及工業(yè)區(qū)域網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)不僅承擔(dān)著收集區(qū)域內(nèi)部各個(gè)智能用電設(shè)施信息的職責(zé),還承擔(dān)著向設(shè)備發(fā)送精準(zhǔn)的調(diào)控命令的職責(zé),從而完成降低用戶能耗的工作。智能電網(wǎng)中運(yùn)用了多種通信技術(shù),其通信模型如圖1所示,包含ZigBee、光纖以及電力線通信(Power Line Communication,PLC)等。

圖1 智能電網(wǎng)通信模型

通信系統(tǒng)存在各類通信標(biāo)準(zhǔn),以規(guī)范不同設(shè)備或是不同站點(diǎn)之間的通信。例如:變電站與主站之間的通信采用的是IEC61850-90-2協(xié)議。此外,TCP/IP、數(shù)字用戶線路(Digital Subscriber Line,DSL)也是智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)中采用的最廣泛的協(xié)議之一。

1.3 信息系統(tǒng)

鑒于電能的特性,對(duì)于智能電網(wǎng)而言,在其內(nèi)部保持各個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備之間的信息同步通信是十分重要的,例如:主站發(fā)送的控制合閘命令到斷路器有嚴(yán)格的時(shí)延控制,否則影響設(shè)備的正常工作。智能電網(wǎng)中主要的信息來源有:數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)、客戶信息系統(tǒng)(Customer Information System,CIS)、高級(jí)量測(cè)體系(Advanced Metering Infrastructure,AMI)。其中,SCADA系統(tǒng)用于采集公共電力設(shè)施(發(fā)電廠、變電站等)內(nèi)部設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù),而AMI多用于采集用戶側(cè)信息。

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

任何在智能電網(wǎng)中存在體量大、半結(jié)構(gòu)化、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的信息[5]都能被看作是大數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)中的來源主要有兩個(gè)部分,電力公司數(shù)據(jù)源和補(bǔ)充數(shù)據(jù)源。其又可以分為四大類,分別是:負(fù)載數(shù)據(jù)、設(shè)備及電量數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 智能電網(wǎng)信息類型

電力公司的數(shù)據(jù)源通常是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù),該類數(shù)據(jù)通常來自各種測(cè)量設(shè)備,例如:SCADA、AMI數(shù)據(jù)。補(bǔ)充數(shù)據(jù)成分較復(fù)雜,有結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。補(bǔ)充數(shù)據(jù)通常來自地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS),甚至還有水文數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)來自不同的信息源,有著不同的類型和格式,既有傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫信息,也有文檔信息、視頻信息甚至是網(wǎng)頁文件。

通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以將這些具有特定格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成智能電網(wǎng)中的可視化的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析技術(shù)可分為先進(jìn)分析法和預(yù)測(cè)分析法。先進(jìn)分析法用以提升用戶服務(wù)體驗(yàn),而預(yù)測(cè)分析法是基于當(dāng)前的數(shù)據(jù)對(duì)未來的用電量、損耗等數(shù)據(jù)做出預(yù)測(cè)。將大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到智能電網(wǎng)中可以有效提升發(fā)電環(huán)節(jié)(尤其是分布式發(fā)電環(huán)節(jié))的穩(wěn)定性;降低電網(wǎng)的停電概率。將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在智能電網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:(1)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度;(2)提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性;(3)提升設(shè)備的運(yùn)行效率;(4)提升用電側(cè)的客戶滿意度。

大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析過程通常分為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘和結(jié)果展示。

數(shù)據(jù)處理是大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)應(yīng)用中的核心技術(shù),通過數(shù)據(jù)處理的過程,能夠有效地將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成供調(diào)度、運(yùn)行人員以及消費(fèi)者可用的信息。大數(shù)據(jù)處理在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用主要有3種應(yīng)用方式:批處理、流處理和迭代處理。

2.1 批處理

批處理是通過完成批處理所需的特定程序?qū)?shù)據(jù)收集并分成小的集合的過程。目前,應(yīng)用最廣泛的方式就是Hadoop mapreduce。該數(shù)據(jù)處理模型能夠?qū)⒎浅｝嫶蟮臄?shù)據(jù)集處理成許多小的數(shù)據(jù)集,并在所有這些小數(shù)據(jù)單元上并行計(jì)算。Map-Reduce可以用于分析計(jì)算用戶的使用情況,因此Map-Reduce是專門為周期性批處理而設(shè)計(jì)的,但它不適用于頻繁的大型活動(dòng)數(shù)據(jù)集重新處理。它不能應(yīng)用于實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)處理,因此該模型不適合應(yīng)用于智能電網(wǎng)中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的場(chǎng)景中,例如需求響應(yīng)、短期負(fù)荷預(yù)測(cè)等。

2.2 流處理

流處理是一種允許用戶在接收到的數(shù)據(jù)后的短時(shí)間內(nèi)快速查詢連續(xù)數(shù)據(jù)流和檢測(cè)條件的技術(shù)。流處理方式通常采用Apache Spark引擎?？紤]到流處理方式處理的是各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),這就對(duì)其數(shù)據(jù)處理的時(shí)間提出了很高的要求。采用流處理方式能夠有效地避免了對(duì)無用數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理的過程,且相較于批處理,流處理方式能夠提供更及時(shí)和準(zhǔn)確的結(jié)果。流處理方式采用Apache Spark引擎,可利用該引擎的動(dòng)態(tài)性能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3 迭代處理

迭代處理法可以對(duì)電網(wǎng)中所有不同類型的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析和處理,然后重復(fù)該處理過程,并通過使用特定算法來獲得最合適的值。多次、反復(fù)的數(shù)據(jù)處理是迭代處理法的最大特征,而在這種高頻的讀寫(迭代操作)下會(huì)極大地增加運(yùn)算時(shí)間,這也是迭代處理方式的最大缺陷。目前,在迭代處理技術(shù)中,應(yīng)用最多的是Apache Spark引擎。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用存在的問題

3.1 數(shù)據(jù)安全問題

考慮到智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)有用戶側(cè)數(shù)據(jù)、公共電力設(shè)施的各類數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)的傳遞和存儲(chǔ)過程中,用戶數(shù)據(jù)一旦發(fā)生數(shù)據(jù)泄露,會(huì)嚴(yán)重影響到用戶的個(gè)人隱私。而公共電力設(shè)施的相關(guān)用電數(shù)據(jù)泄露更為嚴(yán)重,會(huì)對(duì)國家安全造成損害。在智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)中,無線通信網(wǎng)由于其接入靈活帶來的信息泄漏風(fēng)險(xiǎn)最高,對(duì)于其泄漏風(fēng)險(xiǎn)的控制是日后研究的重點(diǎn)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)資源問題

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用,電網(wǎng)中的需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。而在我國部分地區(qū),受制于通信網(wǎng)絡(luò)資源不足、通信設(shè)備老化等客觀因素,無法形成高效、穩(wěn)定的通信網(wǎng),這也極大地制約了智能電網(wǎng)在我國部分地區(qū)的應(yīng)用?？梢哉f網(wǎng)絡(luò)資源問題亟待解決。

3.3 數(shù)據(jù)交互問題

由于在智能電網(wǎng)中存在著數(shù)量眾多的、類型不盡相同的各類數(shù)據(jù),不同數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換、不同軟件和硬件設(shè)備之間的標(biāo)準(zhǔn)差異也是當(dāng)前存在的問題之一。考慮到當(dāng)前我國各個(gè)電網(wǎng)發(fā)展的不均衡、不同步,這就導(dǎo)致了不同區(qū)域的電網(wǎng)可能采用不同的通信設(shè)備,這也為智能電網(wǎng)的統(tǒng)一發(fā)展帶來了不便。

4 結(jié)語

智能電網(wǎng)的發(fā)展離不開大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)的輔助,本文介紹了智能電網(wǎng)的架構(gòu),通過對(duì)其通信系統(tǒng)、信息系統(tǒng)的介紹,表明大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)于智能電網(wǎng)運(yùn)行的重要性,并著重介紹了數(shù)據(jù)處理技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用,對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的熱點(diǎn)問題進(jìn)行了總結(jié)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的發(fā)展息息相關(guān)。智能電網(wǎng)為大數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供了廣闊的空間,而大數(shù)據(jù)技術(shù)為電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行保駕護(hù)航。如何進(jìn)一步完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系、提升數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性是日后研究的重點(diǎn)。