含分布式多能流微能源網的配電物聯網架構探索與研究

周靜 賀偉 董洪偉

摘 要：我國未來能源系統的發展趨勢是分布式多能流微能源網與大電網并舉，大量的物聯網設備將接入低壓配電網。隨著配電網從單純電力網絡向智能能源信息一體化方向演變，目前的配電網面臨一系列挑戰。以三峽壩區配電網為例，探索包含多個多能流微能源網的配電的信息集成和協調優化運行架構，給出了物聯網技術和配電網深度融合的分層的配電物聯網架構設計，并提出了配電物聯網下一步發展的建議。

關鍵詞：多能流系統；能量管理；配電物聯網；信息感知；分層控制

中圖分類號：TM727；TP39 文獻標志碼：A

0 引 言

配電網處于能源供需的末段環節，面向終端用戶，用戶體驗和供電可靠性是首要考慮的因素[1]。在雙碳和能源結構變革的時代背景下，我國未來能源系統的發展趨勢是分布式多能流微能源網與大電網并舉。多能流微能源網是由多種分布式能源設備、冷熱電多能流負荷及能源供應網、能源信息網構成的集成能源生產與智能利用的一體化微能源網[2]。隨著大量分布式多能流系統接入低壓配電網，推動配電網向智能化發展，主要特征為信息流和潮流高度融合。然而，當前配電網的發展面臨著巨大的挑戰，主要原因為配電網的覆蓋面積廣、網絡復雜多樣、投資成本高等。目前的配電網發展主要集中在10 kV及以上的電壓等級的電網上[3]。

近年來，國內外各類機構針對配電網的研究較多。德國西門子推出了開放式物聯網系統MindSphere[4]，其主要功能為收集、分析與管理電力的各個環節。美國紐約電力公司對其所負責的配電網進行了全面數字化改造[5]，并啟動了新一代端對端數字化電網建設。我國南方電網發布《數字化轉型和數字南網建設行動方案（2019年）》，提出數字南網的重要內容為配電網數字化和信息化轉型。河北雄安新區數字化配電網建設以提升電網資源配置能力、安全保障能力和智能互動能力為目標。可以預見，未來配電網的發展方向將是高度智能化、高度信息化。

“雙碳”目標下，未來配電網將廣泛分散接入多能流微能源網，會給新型配電網發展帶來挑戰，傳統的配電網管理模式、技術手段，已經無法滿足需求。

針對包含多能流微能源網的配電網信息數據采集與集成、配電網與微能源網協調控制等問題進行研究是提升配電網建設、運維、管理水平的關鍵。國內外已有許多學者開展多能流系統的相關研究。馬瑞等[6]針對多能流系統的靜態安全問題，提出以天然氣N-1事故作為預想事故集，研究適用于多能流系統的靜態安全耦合分析理論和方法。鄭亞鋒等[7]建立了多能流系統的經濟-節能多目標最優運行模型，采用模糊決策確定系統的最佳運行策略。宋宸宇等[8]以用能設備為能源節點，建立了多能流的分時節點數學模型，并給出了多能流方程耦合矩陣的建模過程。于東立等[9]建立聯合熱-電網綜合模型，并提出一種基于線性規劃法的最優能量流求解算法，該模型可廣泛地應用在大規模網狀多能流系統中。三峽工程管理區的配電網供電系統[10]是國內水電工程最大的施工供電系統，以陳家沖220 kV變電站為樞紐中心，通過220 kV輸電線路與外部電網相連，是一個相對獨立的配電網。三峽工程管理區目前正在進行配網自動化建設、分布式多能流微能源網建設等。本文將基于三峽工程管理區配電網，研究包含廣泛分布的多能流微能源網的配電物聯網的架構。

1 分層協調控制

三峽壩區配電網采用“配網—微能源網”的分層協調控制全局能量優化策略，配電網調度中心控制各多能流微能源網與壩區配電網的電能交換，并控制各多能流微能源網之間的能量交換。各多能流微能源網能量管理系統（Energy Management System，EMS）控制網內各能源單元（光伏、儲能、充電樁、冷熱電三聯供系統、冷負荷、熱負荷、電負荷等）的運行，以及多能流微能源網與配電網的能量交換。各多能流能源網為交流電網或交直流混合電網，各能源網之間可以進行能量流動，由配電網調度中心來控制微能源網之間的能量流動。

配網層調度中心能量管理的優化目標函數為

Min（ε1·f1（x）+ε2·f2（x））使得，g1（x）≤b1ge1（x）=be1

式中：f1和f2分別為壩區配網范圍內能源系統整體用能成本和碳排放總量；ε1和ε2分別為兩者在目標函數中的權重指數；x為配網內可調節參數，包括外網聯絡線功率、各微能源網與配網交換功率、各能源網之間的交換功率、配網運行參數等；g1（x）≤b1和ge1（x）=be1為約束條件。具體包括：

1）配網與外部電網聯絡線線路容量約束；

2）各微能源網聯絡線線路容量約束；

3）各微能源網與配網聯絡線容量約束；

4）配電網內各獨立電源的運行約束，包括機組爬坡速度、最大出力等；

5）配電網安全運行約束。

微能源網層各微能源網能量管理優化目標函數為

Min（ε3 · f3（y）+ε4 · f4（y））使得，g2（y）≤b2ge2（y）=be2

式中：f3和f4分別為微能源網用能成本和碳排放總量；ε3和ε4分別為兩者在目標函數中的權重指數；y為微能源網內可調節參數，包括微能源網與配網及其它微能源網聯絡線功率、電池充放電功率、冷熱電聯供系統的出力計劃等；g2（y）≤b2和ge2（y）=be2為約束條件。具體包括：

1）微能源網冷、熱、電等的能源供需平衡約束；

2）電池充放電功率、SOC限制等約束；

3）微能源網與其它微能源網及配電網的聯絡線線路容量約束等；

4）微能源網安全運行約束。

2 分層的配電物聯網

2.1 分層的配電物聯網特征

隨著配電網智能化的發展和分布式多能流微能源網的大量接入，相關信息和數據需要統一規劃，以適應配電網內海量智能終端的接入和多能流微能源網的優化運行。與前面所述“配網—微能源網”分層協調控制相適應，參照文獻[11]，三峽工程管理區采用分層的配電物聯網架構。整體架構分為主站層和終端層。主站層為統一的業務支撐平臺，具有統一的接入和管理能力；終端層則由多能流微能源網、園區等大量測量的物聯網終端組成，支撐感知系統的數據采集及處理，終端層在一定區域范圍內具有一定的處理能力，通過邊緣計算終端和主站層進行雙向信息交互。演進路徑如圖2所示。

配電網物聯網主要有以下兩個方面的特點：

（1）區域分層分散自治。在端測采用邊緣計算中心，主要功能是打破多個系統之間割裂封閉狀態，改變原有的數據架構，實現本地的各種設備互通互聯和區域自治。在邏輯層面，一個邊緣中心可以實現區域內各種業務的一體化融合。

（2）云邊協同。邊緣計算中心對區域內所有終端設備進行統一的管理及數據處理，并與云端具有統一接口，完成各信息域之間的數據匯集。主站層通過平臺微服務功能的集成和調用，實現各種業務模式的整合。

2.2 配電物聯網信息架構

具體而言，三峽壩區配電物聯網從架構上劃分為“云、管、邊、端”四個部分。

2.2.1 “云”層

三峽壩區未來的配電網將采用滿足集團安全要求“云”化的主站平臺，實現配電自動化系統的所有設備資產數據融合，并通過云計算、大數據、人工智能等先進的技術實現智能決策、開放應用等各種高級功能或應用。云主站通過IaaS（Infrastructure as a Service，基礎架構即服務）層實現云—端資源虛擬化實現計算資源池的調度和分配，并通過PaaS（Platform as a Service，平臺即服務）層實現各種服務的調用，實現采用到應用的數據標準化。此外，主站平臺通過SaaS（Software as a Service，軟件即服務）層，實現提供各種應用的服務化。以上架構的主要內容見圖3。

2.2.2 “管”層

“管”層是“云”層和“端”層交互的紐帶，起數據通道的作用，主要是通信網（見圖4）。廣域通訊網，即遠程通訊網，主要解決配電云平臺與邊緣計算中心的交互，滿足低時延、高可靠性、差異化的通信需求。而本地通訊網屬于局域網，主要起匯集的作用，滿足海量低功耗終端的連接以及與邊緣計算中心的通訊需求。通訊方式包括但不限于電力無線專網、Internet、NB-IoT、藍牙、LoRa、電力載波等，根據不同場景的通訊需求采用不同的通訊方式。

2.2.3 “邊”層

“邊”層從邏輯架構上實現了終端硬件與軟件應用的隔離和解耦，深度滿足配電區域不斷變化的應用需求[12]。在實際系統中，邊側開關動作經常會改變系統的拓撲結果，但影響有限，主要集中在局部區域。“邊”側邊緣計算中心原則上與臨近邊緣中心不進行信息交互，以降低信息交互的復雜度。

2.2.4 “端”層

“端”層是配電網中信息量測的感知執行單元，包括大量的各類傳感器和智能硬件，用來實現主要節點的基礎數據采集、監測、感知等。同時，“端”層也是配電網保護、控制操作的末端執行單元，保障配電網可靠運行操作動作的執行[13]。

3 配電物聯網在分布式多能流微能源網的應用

通過構建“云—管—邊—端”的協同體系，能夠實現分布式能源的高效整合、優化調度與智能管理。以下從四個角度具體說明。

（1）“云”角度。云平臺作為整個配電物聯網的大腦，負責匯聚所有終端設備上傳的數據，并基于大數據分析、人工智能算法等手段，實現綜合能源的全局優化配置、需求側管理、供應側響應等功能。例如，云平臺可以根據天氣預報、歷史數據和實時供需狀況，制定最優的多能互補調度方案，指導各個分布式能源單元協調工作，提高能源利用效率，降低系統損耗，保障供電可靠性。

（2）“管”角度。“管”是連接“端”與“云”“邊”之間的通信基礎設施，采用有線或無線通信技術將各終端設備的數據傳輸至云端平臺和邊緣計算中心。在綜合能源多能互補的應用中，穩定可靠的通信管道至關重要，通過實時傳輸各類能源系統的運行參數、預測信息以及控制指令，確保整體能源網絡的高效運作。

（3）“邊”角度。邊緣計算節點部署于靠近能源資源及負荷的區域，對“端”產生的大量原始數據進行本地預處理和分析，如快速響應故障告警、執行本地化控制策略、支持實時電價調控等。對于綜合能源多能互補場景，邊緣計算可有效協調不同能源系統的輸出功率，比如在光照充足時優先使用光伏發電，在風電充沛時則增加風力發電的利用率，確保多種能源間的互補和平衡。

（4）“端”角度。在綜合能源系統中，“端”主要包括各類能源生產、轉換和消耗設備，如太陽能光伏板、風力發電機、儲能裝置、充電樁、智能電表、用電負載等。這些智能終端設備通過傳感器、控制器等技術實時采集運行數據，監測自身狀態，并根據云端下發的指令進行智能控制和優化調整，實現多能互補下的靈活互動。

配電物聯網通過“云—管—邊—端”四層次的緊密配合，在分布式多能流微能源網領域實現了能源生產和消費的智能化、精細化管理和高效協同。

4 結束語

隨著配電網的智能化改造，大量的感知設備將接入配電網。同時，大量分布式多能流微能源網也將接入配電網中。通過對三峽壩區配電網信息架構進行的重構，定義以全面感知為基礎的“云—管—邊—端”的體系架構。但配電網的建設和改造是一個復雜的工程，其健康有序發展還有待于以下方面的完善和改進。

（1）目前大多數配電自動化改造僅采集了電氣參量，應更廣泛采集理化參量、環境參量等狀態量。

（2）目前不同的業務場景采用了不同的通信方式和規約機制，應建設高標準的技術標準體系。根據各地區配電網高度標準化建設需求，建立配電物聯網的技術標準，提高互通互聯和即插即用能力。

（3）強化新型技術的轉化和應用。充分利用配電物聯網開放性的特點，深化對智能傳感、本地通信、邊緣計算等關鍵技術的應用，確保配電物聯網支持其配電網高標準建設。

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Exploration and Research on the Architecture of Power Distribution Internet of Things with Distributed Multi-energy Flow Microenergy Network

ZHOU Jing，HE Wei，DONG Hongwei

（China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：Micro-energy networks with distributed multi-energy flows and large power grids，together with a large number of Internet of Things （IoT）devices connected to the low-voltage distribution network will be the future development trend of China's energy system. This evolution from traditional power networks to smart energy-information integration poses new challenges to distribution networks. Taking the distribution grid in the Three Gorges Dam area as an example，we explore the information integration and coordinated and optimized operation architecture for power distribution which includes multiple micro-energy grids with multi-energy flow. On this basis，we propose the architecture design of layered distribution IoT for the deep integration of IoT technologies and distribution grids，and also offer suggestions for the future development of distribution IoT.

Key words：multi-energy flow system；energy management；power distribution Internet of Things；information perception；layered control

基金項目：中國長江三峽集團有限公司科研項目（202103521）

作者簡介：周 靜，女，高級工程師，碩士，主要研究方向為用戶側電力系統及分布式綜合能源系統。E-mail：zhou_jing@ctg.com.cn