基于云计算和新型电力系统的营配融合现场辅助云平台
时间：2023-06-20 17:00:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李星举，张婧楠，王 杰，刘立博
(国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114002)
国家电网有限公司(简称公司)提出要加快电网向新型电力系统升级，同时要落实“双碳”目标，发挥电力大数据支撑作用。全社会也对当前电网能够对接工业互联网、探索5G和变电站的多站融合、完成30万充电桩的接入、适应柔性调节等提出需求，尤其是仅能实现单向输送电能、消纳清洁能源困难、自动化程度较低的配电网，升级改造任务日益迫切。纵观基于云计算、人工智能、区块链、增强现实等新兴技术的互联网公司发展经验，重视数据及数据技术，对原有产业进行数据化、网络化、智能化转型是一种可迁移、可复制的可靠路径。新型电力系统建立在智能电网、能源互联网等众多新型网架基础上，各个业务口径已经基本实现在线化、数据化、智能化。然而，尽管新技术应用不断发展，以新能源为基本供能来源的新型电力系统需要同时在稳步推进的同时，注意基层业务的转化与升级。基层供电公司或供电所主要业务是营销和配电两大领域，同时也是电网数据的重要接入口，现在推广综合能源服务、衔接5G基站等新基建项目、受理用户电动汽车或电供暖等需求中存在获取数据既多且杂、数据贯通性不足、多平台融合性不够等问题，需要探索建立适应新型电力系统的基于云计算等高容量、低功耗、可迁移技术特征的营配融合业务平台解决方案，并付诸实践。
在新型电力系统认识方面，欧阳昌裕[1]从国家能源新战略内涵、能源绿色低碳发展、清洁低碳体系构建、电力发展大势、形态特征5个维度入手，探究新型电力系统建设路径和挑战，得出未来发电侧、电网侧、用户侧的生态图景；
朱征等[2]从新型配电网同步相量算法和新研制的新型配电网同步相量装置设计出发，搭建了高精度同步相量测试平台，并基于该平台设计了符合配电网环境特征的多场景测试方案，并对算法在标准场景及配电网实际测量环境下的性能进行全面测试，验证了所设计算法的高精度和快响应特性。在新能源供给侧方面，魏凯等[3]结合新能源接入电网后的实际运行数据研究，提出交直流混合配电网技术方案，并以电网恢复技术作为关键项目，对关键技术特征进行验证；
郑建平等[4]在基于柔性直流配电网的城市互联网设计中，提出柔性直流配电网示范工程的设计及分析，并成功在世界容量最大、电压等级最多的珠海唐家湾三端柔性直流配电网工程中投入运行。在数据应用方面，颜融[5]依托人工智能、云计算等新技术，提出暂态稳定快速批量评估算法框架，使加快专家系统和用户侧综合能源服务具备了理论支撑；
伍也凡[6]等以源网荷储同步优化、智能控制为目标，将规划设计作为加强数据应用的突破口，有效利用分布式电源、鲁棒优化、多目标规划等技术，将数据挖掘与应用作为新型电力系统的重要支撑，综合提升配电网可靠性。
从当前的研究成果可知，新型电力系统建设与传统电网具备显著差异，一个明显特征就是能源供给侧更加分散，电力系统调控模式更加复杂，配电网从供售电末端向电源供给侧和消费侧双重职能身份转变，常规的配电春秋季检修运维、现场表计核抄与线损计算、抢修工单与用户回访等任务随之发生深刻变化。当前，在工程实践中，电网公司等能源行业往往依靠外部互联网或数据技术公司代理进行平台设计和运维，具体运营经验和数据模型存在大量空白。尽管可以节约部分用工成本，但也为未来面向用户侧、即未来的潜在供能侧深化改革埋下隐患。数据表明，越来越多的用户需要足够的数据分析产品和综合能源建议进行对应的新能源反送或市电接入操作，取得对应的差价获益，因而研发面向基层供电末端需求的综合业务云平台日益迫切。
当前，能源互联网在配电网侧的应用越来越广，以智能负荷开关、电能表、考核表及各类传感器等设备在配电网使用中既多且杂，基层供电公司或供电所人员需要同时面对处理抢修任务、开展例行检修、解决用户投诉、推广业扩报装等多重任务。对此，本文针对新型电力系统建设预期场景，面向多样化用户需求和营配工作人员实际需要，设计一种经济合理、技术可行的现场辅助平台解决方案，并以在辽宁某地级市城区供电公司日常应用反馈数据为样本，验证其实际效果，为新型电力系统建设升级提供数据基础支撑和有益探索。
新型电力系统建设有赖于发电侧、电网侧、负荷侧的协调互动，加快电网感知能力、信息中台、泛在互联的特征建设，同时需要深刻认识到新能源接入后电源波动性大、负荷侧不确定性情况增加等，信息系统与电力系统的新一轮融合势在必行。公司今年上线的新能源云，标志着新能源为主体的新型电力系统建设进程将全面对接“碳达峰、碳中和”目标。新能源云逐渐向供给侧深化应用，需要足够多的基层数据和技术中台进行对接，这在技术标准、规则构建、产品设计、网架结构、服务云化等诸多方面提出新的要求和新的挑战。当前，服务用户的末端配电网面临着新能源接入带来的一定风险，如谐波污染、风电周期性波动、电动汽车集中充电或反馈电上网等未知性风险、继电保护装置设计和新能源适应性改造等大量问题亟待解决。同时，由于电网用户的身份由单纯的能源消费者向能源消费+供给者转变，这将带来末端配电网和服务模式的深刻变化。从国外的运行经验来看，美国在相关研究中走在技术前列，其通过建立大型用电企业与发电企业之间的中长期期货贸易市场，逐步解决了新能源上网电价压降、电网公司经营性利润、跨能源区电能交易及生产企业经营保障等各类问题。并建立电能现货交易，补齐了在非企业用户、普通用户和企业电能短期交易等方面的平台短板[7]，为构建新型电力系统模式做出一定贡献。但在美国大力发展风电核电光伏的得克萨斯州遭遇大风雪时出现了连续多日的大停电，发电企业无法兑现其在合同中规定的供能责任，给地区经济发展和居民生活带来巨大损失，这一事件需要认真反思和警惕，在加快建设新型电力系统中一定多积累经验和教训。
新型电力系统的建设需要从中长期发展需要出发，集中解决发输变配用各个领域的问题，在保证实现单位GDP能耗降低和能耗总量双降的同时，综合利用人工智能(AI)、大数据、区块链、云计算等先进信息技术，保证“双碳”目标的最终实现。如果从当前的电力系统做一个假设推演，从电厂发电，经过电网，最终配送给用户的传统模式将变成类似互联网的双向贯通模式，这不仅需要在用户侧增加非侵入式电量采集装置、更丰富的配电网智能传感器、更全面的GIS、BIM信息贯通，更需要真正的电力系统重构和革新。新型电力系统的建设需要至少经历2个明显阶段：第1个阶段是以光伏、风电、水电等电能生产者为代表的新能源成为电源侧的主体，同时需要煤炭、燃油等化石能源作为重要调节手段的一个共存阶段，这个阶段需要政策、法律、技术、资金、人员、设备等各方参与和努力，尽快构建新型电力系统基本框架；
第2个阶段是以大规模储能技术为支撑，多能互补、源荷互动、交直共生的能源模式，网架部分将依托坚强大电网，衍生泛在供用能一体化的微电网，真正实现电能随取随用、按量计费、智能高效、清洁友好的目标。
目前，某些地区面临电量吃紧、有序用电的压力，社会舆论对于供电稳定、能效管理、精准控制、实时响应等需求空前关注，降低能耗、提升效率获得新一轮的广泛共识。从负荷需求角度看，第三产业的蓬勃发展，互联网经济极度依赖电力安全可靠供应，同时也呼唤电网企业能够快速精准地提供服务范围更广、指导意义更强的公共产品和信息服务，这对影响企业制定工时计划、公众安排好日常生活具有巨大的心理安抚作用。从清洁能源开发角度看，中国各类新能源储量超大，具备支撑经济发展、保障和改善民生的潜力；
从运营管理角度看，有赖于5G等通信技术支持，用户侧与配电网设备间实现毫秒级控制成为可能[8]；
从市场建设角度看，保安全、保供应、保兜底应该成为出发点，容量市场、碳排放交易、电能和调峰市场应该相互支持、联通共享；
从商业模式角度看，需要基于新能源发电企业中长期补偿性收益，让企业在没有后顾之忧情况下，尽力压降成本、革新技术，为政策优化提供参考[9]。
综合国内外相关研究结果及新型电力系统发展思路，可以得出以下结论：一方面，电网从骨干网架到末端配电箱、电能表都需要重新进行设计和改造，进而满足能源安全、节能环保、智能友好、安全可靠等社会需求，尽管在产学研等领域已经开始对新型电力系统进行研究，但主要集中于调度算法设计、工业园应用结果分析和未来电网情境展望等环节，一定程度上落后于实际需求；
另一方面，由于政策法律、行业发展、技术进步、资金归集与电网、信息网的融合等都需要一定时间，当前急需从实际应用出发，提出技术可行、经济合理的建设方案，并进行相关结果验证。
2.1 云平台所需覆盖主要领域探究
云计算是当前解决能源行业等传统领域算力、算法的关键支撑性技术，已经广泛应用于电网调控、故障处理、专家诊断和数据容灾等领域。云计算平台的2个鲜明特征是：资源池化和软硬件解耦[10]。云计算技术的出现给没有及时参与互联网化改造的传统企业带来了新的曙光，电网公司十分重视研究和应用云计算技术，从国网云到新能源云，可见云资源投入逐年加大，各个省公司已经搭建起各自的私有云平台。目前，尚处于建设探索阶段的新型电力系统主要分为4层架构——感知层、网络层、平台层和应用层。感知层是实现新型电力系统全面感知的核心能力，也是新型电力系统中包括关键技术、标准化方面、产业化方面亟待突破的部分；
网络层是新型电力系统架构中标准化程度最高、产业化能力最强、最成熟的部分，广泛覆盖的移动通信网络是实现新型电力系统的基础设施；
平台层负责提供信息处理平台，实现海量数据信息的深度挖掘应用。同时，平台层紧密结合人工智能、大数据背景及新型智能电网的特性，可以实现数据流显性、隐性价值挖掘和应用；
应用层能提供丰富的基于新型电力系统的应用，是新型电力系统发展的根本目标。基于云计算的营配融合现场辅助云平台总体架构如图1所示。
2.2 云平台架构搭建
本次设计涉及的云平台是面向电网公司营销现场实际的、具备自动记录存储相关信息并能支持大数据分析的辅助现场核抄工作总体方案。该平台属于公司系统内搭建的私有云平台，云管方面主要技术为openstack，虚拟化方面主要技术是KVM(kernel-based virtual machine)，存储方面选择了分布式对象存储，网络部分除进行虚拟IP分配还将保证安全、负载分担等功能。由于是面向用户现场、基层人员使用，因此该平台必须保证管理人员对数据安全的直接控制和业务流程的管控权力。针对新能源用户不断增长的现状，云平台的易扩展性也突显出来，可以同时支持数千用户使用，并能保证较低成本。
图1 基于云计算的营配融合现场辅助云平台总体架构
基于S/M架构的云平台服务器端，需要保证现场工作人员在可穿戴设备或手机端方便获得授权，同时实现资源高可用和安全无漏洞两大集中优势。由于该平台除记录工作信息、用能状态、线损数值等关键数据外，还记录短视频或图片等信息，所以在未来对接新能源云等大数据、云计算平台前，需要进一步完善Map Reduce和SQL优化方案，保证末端手持设备的快速数据加载和分析使用，提升云平台之间的互通性和友好性。在线虚拟机设置界面和云平台模块构成如图2所示。
图2 在线虚拟机设置界面和云平台模块构成
2.3 云平台建设关键技术
从新型电力系统的技术架构可知，建设的具体思路，即建立所谓智云网边端(ACENT)架构。“智”即指利用AI技术搭建电网智能应用服务平台，为新型电力系统提供良好发展生态的基础。“云”即指云计算和云存储，依托国网新能源云平台，推动企业中台体系构建，进一步开展基础性、前瞻性研究。“网”即指空天地一体化网络技术，需要5G无线通信、光纤通信、新型材料等领域进一步突破，保证网架坚强、状态可控、智能运维、安全经济的目标得以实现。“边”即指以边缘计算技术为代表的关键技术在变电储能、多站协同、冗余计算的具体研发和应用，同时需要边缘计算设备的跟进研究。“端”即指智能感知终端，这是物联网感知层的核心技术，被称为电力三次设备，是电网信息物理融合(CPS)的基础。用户侧的需求预测分析理论与技术方法见表1。
表1 用户侧的需求预测分析理论与技术方法
3.1 云平台应用背景
搭建具备匹配电网公司服务特征和服务能力的云计算平台，需要在诸多功能上横纵贯通，保证在业务数据化、数据业务化的基础上，承接新型电力系统建设任务，实现用电无感知，检修零中断。本文基于上述分析，从解决现场营销和配电专业融合问题入手，搭建基于云计算的现场辅助云平台，并开发了对应小程序，方便99%情境下的移动终端使用。本文以辽宁某大型城市的区供电公司服务范围展开实际验证，该地区供电服务面积涉及6个镇、共计317 km2；
其服务范围内拥有供电用户12.27万户。变电及配电设备方面，该辖区内共有220 kV变电站5座、66 kV变电站14座；
10 kV配电变压器1689台，容量454.48 MVA；
10 kV配电线路119条，长度868.5 km，是属于典型的城区和乡村、平原和山地、3个产业全覆盖的综合经济开发区，具备较好的研究条件。现场表箱二维码和手机端设备信息界面如图3所示。
图3 现场表箱二维码和手机端设备信息界面
3.2 云平台基本架构及服务界面功能设计
硬件方面，云平台在供电公司机房搭建服务器集群，并在手机端或PC端可以登录使用客户机。当前服务器采用CPU、硬盘、网络融合部署，在虚拟桌面运行过程中可支持1000个以上同时加载业务。存储使用RAID10模式，“SSD+HDD”混合设计，保证兼顾冗余和经济性，具备高效快捷的 I/O 性能，完全支持营销服务中产生的数据服务，并可以通过预留API方便对接混合云等上级云管平台。面向新型电力系统的“双碳”设计需求，云平台原生的绿色环保能力，可以最大限度降低单位主机能耗，减少冷量需求，同步降低采购本与设备功耗。
软件方面，云平台基于 KVM 和openstack框架设计，均采用开源平台产品，避免出现“卡脖子”问题，维护公司合法权益。系统基于ARM架构和Linux内核，使用KVM公司产品实现硬件虚拟化和资源池化，最终对接到openstack。在原生openstack基础上进行Nova、Glance、Nurton供能加固，保证资源自动调度的同时，减少重复设计产品的浪费。在手机界面使用微信小程序，其后端为具备负载均衡供能的Web融合界面，可根据营销、配电业务的扩展和取消灵活选择交付桌面。
业务方面，融合配电、用电检查、计量、采集、抄核收、安全等多个业务模块，与基层供电公司7级台区经理制有效衔接，保障供电服务的一贯性、可靠性，保障用户方便查询电量、电费、变压器损耗和负载优化等综合信息，用户对平台回访满意率100%。现场辅助云平台尤其考虑安全管控，在现有电网向新型电力系统过渡期，发挥现有传感器及安全保障系统作用，保证公网、自维设备、计量装置等各类设备的安全可靠运行，保障重点区域、重点用户、民生项目的供电可靠性和“获得电力”水平持续提升。分台区达标率完成统计情况如图4所示。
图4 分台区达标率完成统计情况
3.3 云平台方案应用实例
现场辅助云平台应用于营销闭环管理方面，以实现设备巡检信息功能特色，包括计量装置检查结果、巡检情况记录、现场照片等，并支持巡检人员信息包括姓名、手机号码、定位和签名的多重确认安全手段。数据流程可上传云平台，借助微信小程序，供管理人员随时随地核实审查，实现核抄工作的全流程闭环管理。
在节约现场管理成本方面，自从2021年1月起初步试运行，云平台已经节约人工及车辆成本6.76万元；
按照2020年供电量为10 573万kWh计算，当前年均综合损失率为5.65%，损失电量减少1743万kWh，平均单价按543.53元/kWh计算，可增加电费947.37万元。在提升线损管理方面，该地区供电公司同期线损在线监测达标率完成98.49%，较年初94.68%提升了3.81个百分点，环比提升0.63个百分点，可以再节约配电成本36万元，经济效益提升十分明显。综上，现场辅助云平台不仅具备大数据分析的支撑能力和数据基础，而且相较于传统模式具备巨大盈利能力。
本文结合新型电力系统的基本概念、关键技术和建设思路，从云计算应用出发，提出面向基于营配融合管理模式的现场辅助云平台解决策略。通过综述云平台开发背景和使用场景，探索云平台基本架构和服务界面重要功能，最终对比、分析、确定了技术可行、经济合理的现场辅助云平台方案，并通过计算，验证其在辽宁某大型城市区供电公司范围内试运行9个月的经济效果，具有一定的可靠性和经济性，为建设以新能源为主体的新型电力系统的设计规划和运营维护作出有益探索。
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