大數據技術下微電網CPPS發展研究挑戰和展望

摘要：微電網及其控制系統是一種典型的信息物理系統（Cyber-Physical Power System，CPPS）。微電網智能化的深入發展，使得跨領域數據量激增，且數據的規模與特點符合大數據特征。文章以大數據分析技術為基礎，探討微電網電力物理信息融合發展下電力大數據技術的特征、研究挑戰及其在相關領域的發展趨勢。

關鍵詞：微電網；大數據；物理信息系統

中圖分類號：TP311" 文獻標志碼：A

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

0" 引言

微電網的本質是一個可單獨控制的、小規模的電力系統，是構成智能電網的關鍵一環。微電網智能化的發展，使得行業動態、氣象信息、工商用戶等跨行業數據大量融合，并呈現高容量、快速性、多樣性等大數據特征［1-2］。隨著大數據技術在電力數據中的廣泛應用，電力公司的運營能力與電網的管控水平得到很大提升，行業內外也享受到了大數據技術帶來的大量增值服務。綜上，研究大數據技術在微電網中的應用具有重要意義。

1" 基于CPPS的微電網架構

微電網的存在是為了解決規模化分布式光伏、風電等分布式電源在并網過程中帶來的各種技術問題、電能質量問題以及市場問題等，充分發揮分布式發電技術在能源與經濟中的優勢［3］。信息物理系統通過計算機、網絡監控共同控制物理過程，并通過反饋部分實時對計算與物理元素行為進行協調。綜上，微電網系統就是一個典型的CPPS系統。

信息系統中數據處理中心的信息源自物理系統中設備的狀態信息，而物理系統中設備的運行又受信息系統傳遞的指令控制，這說明微電網CPPS系統中的信息系統與物理系統緊密聯系。微電網CPPS架構主要包括信息系統、物理系統以及兩系統之間的數據傳輸結構?；贑PPS的微電網典型架構如圖1所示。

由圖1可知，系統包括光伏、風機等發電裝置，儲電、儲熱等儲能裝置，電負荷、熱負荷、冷負荷等負荷設備，還包括CHP機組、燃氣鍋爐等能量轉化裝置。另外，物理系統中的這些物理設備都嵌入了各種傳感器、狀態監測裝置、控制執行裝置等，負責對物理系統中設備的實時狀態信息進行感知并與信息系統進行信息交換，同時將信息系統傳輸過來的信息轉化成控制指令，控制物理系統中各設備的運行。信息系統主要包括控制中心、通信系統、數據處理中心、各種數據采集裝置以及各設備間的通信網絡。該系統主要負責對CPPS系統進行數據監測、對物理層傳遞過來的信息進行處理并生成相關控制指令傳遞到物理系統。在微電網CPPS系統中，數據流、能量流將信息、物理系統緊密聯系在一起，從而高效管理微電網的能量。其中，信息系統中的各種傳感器設備與狀態監測設備實時感知物理系統設備狀態，從而將物理系統的能量流轉為信息流傳輸至信息系統，然后信息系統中的數據處理中心對數據信息進行處理，處理結果通過通信系統首先傳至信息系統的控制中心，接著控制中心通過傳遞過來的信息生成控制指令并進一步傳輸至物理系統中的設備，從而完成對設備運行的控制。

2" 微電網電力大數據特征與大數據技術

在過去的幾年里，微電網在物聯網、傳播傳感器和新通信技術等新技術的支持下，數據量急劇增加［4］。大量數據以結構化、非結構化和半結構化的形式生成。對于如此龐大的數據量，傳統的數據處理技術是不夠的，這需要更強大的計算分析策略。大數據分析和存儲提供了可擴展的解決方案來處理大量復雜的數據。大數據分析的簡單概念視圖如圖2所示。

微電網電力大數據主要來自發電、輸電、變電、配電、用電、調度等環節，大致可分為3類：一類是電力生產運行數據；二是電力企業運營數據；三是電力公司的管理數據［5］。對于電網而言，通過采集整個電力系統的線路數據，對采集到的電力大數據進行系統的處理和分析，從而實現對電網的實時監控，保障微電網系統的可靠運行。

隨著微電網高速的智能化，眾多跨行業數據如氣象信息、行業動態等信息被深度融合，同時表現出快速、多樣、巨量等大數據特征。因此，電力大數據可以以大數據、分析技術為基礎，對采集到的電力數據信息進行處理、分析和可視化，為電力從業人員提供參考。例如，可以通過傳感器和各種監測設備收集到的大量數據信息對電網實時運行狀態進行分析，及時發現并處理電網故障；利用大數據分析用戶歷史發電信息、天氣等之間的關聯性，從而提高對分布式光伏、風電等新能源發電的準確預測，優化電力調度；在微電網中，可以結合分布式發電技術與儲能系統數據，實現不同時間段微電網中電力的優化分配。

3" 大數據技術下微電網CPPS研究挑戰

3.1" 數據規模和復雜性增大

微網內物理信息設備以及微網之間的互聯互通，導致海量數據接入與輸出。其帶來的影響包括以下3個方面。

3.1.1" 數據質量與可靠性

微電網CPPS需要大量實時數據支持，但數據質量和可靠性可能受到傳感器誤差、通信中斷等因素的影響。如何確保數據的準確性和完整性是一個挑戰。

3.1.2" 數據獲取與管理。

微電網CPPS產生的數據量龐大，涉及多種數據類型和來源，如何高效、準確地獲取和存儲這些數據是個挑戰，須要開發高效的數據獲取和管理技術。

3.1.3" 數據分析與挖掘挑戰。

大數據技術為微電網CPPS提供了豐富的數據資源，但如何對這些數據進行有效的分析和挖掘，提取有價值的信息，為微電網的優化運行和決策提供支持，是大數據技術在微電網CPPS應用中須要解決的關鍵問題。這涉及數據預處理、特征提取、模型構建、結果解釋等多個環節，須要綜合運用多種算法和技術手段。

3.2" 數據安全與隱私保護挑戰

隨著大數據技術在電力行業中的深度應用，大量傳感器、監測設備等隨時隨地接入與CPPS系統進行信息交互，導致微電網CPPS中的數據安全問題日益突出。如何確保數據在收集、傳輸、存儲和使用過程中的安全性，防止數據泄露、篡改和非法訪問，是大數據技術在微電網CPPS應用中需要重點考慮的問題。同時，如何保護用戶的隱私信息，防止個人隱私泄露，也是大數據技術在微電網CPPS的應用中須要關注的重要問題。

3.3" 跨領域融合挑戰

微電網CPPS的研究包括多領域技術，如電力、計算機、控制等領域，如何形成統一的規范，應用多領域技術共同解決微電網CPPS相關問題，需要跨學科、跨領域技術的深度融合，才能使微電網CPPS迎來更長遠的發展。

4" 大數據滲透下微電網CPPS關鍵領域展望

隨著電力大數據在微電網CPPS中的不斷滲透，在海量數據信息分析和處理過程中，既要通過分布式處理的方法降低數據規模，還要對海量數據高效處理與決策技術進行研究，從而提高微電網CPPS在數據規模劇增情況下的計算分析能力，相信微電網CPPS在大數據技術的支持下具有廣闊的發展前景。

4.1" 電氣設備狀態監測分析

4.1.1" 智能能源管理系統（EMS）

微電網內各種能源的生產、傳輸和消費均通過大數據分析技術進行優化，從而實現對能源的高效管理和調度。

4.1.2" 預測性維護

通過對微電網內各種設備的運行狀態數據進行監測和收集，并利用機器學習算法分析設備各狀態信息與設備故障之間的潛在關系，從而對微電網內設備狀態進行預測，提前發現潛在故障，提高設備運行可靠性。

4.1.3" 虛擬發電機技術（VPP）

對微電網內的各種分布式發電資源進行大數據分析，根據分析結果優化和整合分布式發電資源，從而提高微電網能源利用率及運行穩定性。

4.2" 電力運營商決策支持

4.2.1" 智能電力市場

利用大數據技術構建智能化的電力市場，實現微電網內能源的靈活交易和優化配置，促進微電網內能源資源的有效利用。

4.2.2" 智能化電網運行與控制

利用大數據技術對微電網內的電力系統進行智能化運行與控制，實現對微電網內各個子系統的協同調度和優化；通過對天氣、環境、歷史、設備狀態等方面的數據進行挖掘分析，為薄弱環節提供預防程序，以幫助運營商在出現重大問題時及時采取糾正措施。

4.2.3" 高效能源存儲技術

結合大數據技術，對微電網內的能源存儲設備進行優化配置和智能控制，提高微電網的供電可靠性和經濟性。

4.3" 基于大數據的微電網CPPS云平臺研究

4.3.1" “大數據+云平臺”

大數據方法可以在沒有云計算技術的情況下工作，但將大數據和云計算結合起來可以實現更經濟、更高效的分析。為滿足微電網CPPS對信息化數據存儲、計算和分析的巨大需求，須要研究設計基于大數據的微電網CPPS云平臺。平臺可以接入多源數據，實現多系統的數據共享；設計從數據到應用的全棧平臺架構，提高了系統可用性，減少數據的冗余；基于智能算法對設備進行狀態評估與故障診斷；基于微服務思想，開發應用系統，使得平臺易于擴展。

4.3.2" 安全與隱私保護

在微電網大數據分析過程中，必須確保數據的安全性和私密性，通過數據加密、權限設置等手段可以防止數據泄露和外部惡意攻擊。

5" 結語

微電網CPPS系統在運行過程中將會產生大量的數據信息，并且隨著微電網的不斷發展，系統產生的數據信息將會呈指數級增長。傳統數據處理技術難以滿足如此大規模的數據處理需求，故將大數據技術應用于微電網CPPS是當前電力行業發展的一個重要方向，研究電力大數據處理技術有助于進一步推動電力系統的數字化轉型，從而實現微電網的信息、物理系統二者的深度融合，推動微電網朝著更智能、更高效、更可靠的方向發展。

參考文獻

［1］王東芳，劉水源，張勇軍，等.“互聯網+”形勢下電力信息物理融合發展研究綜述與展望［J］.電力自動化設備，2020（6）：90-99.

［2］郭慶來，辛蜀駿，孫宏斌，等.電力系統信息物理融合建模與綜合安全評估：驅動力與研究構想［J］.中國電機工程學報，2016（6）：1481-1489.

［3］鐘慧欣，俞洋，張朋偉.針對電力信息物理融合系統的網絡攻擊綜述［J］.電腦知識與技術，2023（29）：100-102.

［4］胡釙，李莉莉.智能電網的信息物理安全綜述［J］.信息安全研究，2019（12）：1068-1075.

［5］沈夢雪，李屹然.基于云計算的大數據分析技術在智能電網中的應用［J］.無線互聯科技，2022（13）：117-119.

（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