一種解決海量分布式新能源接入的電力監控系統架構方法

南方電網有限責任公司文山供電局 云南 文山 663000

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，以電能為基礎的生產、生活能源需求快速增長，伴隨著社會發展對環境的高要求，以及“管住中間，放開兩端”充分引入競爭的能源發展激勵政策的加持，大量新能源涌入電網，在南方電網區域范圍內電源結構占比規模迅速擴大，對傳統電網的運行控制、安全穩定、系統響應等產生了新的挑戰。尤其隨著電力輸電網架、送電規模的不斷發展壯大，為滿足對電網運行控制、網絡安全防御、本體安全、本質安全、市場化變革等方面發展需要，需要改善現有電力運行控制系統。針對整體系統架構設計、控制理念和控制策略等基于電力系統理論和管控理念形成的強耦合、剛性接入等不適應性，著重解決適應海量數據的接入和控制響應的問題，探索電力系統監視控制系統架構方面需要做出的改變。

1 電力行業發展趨勢

1.1 南方電網新能源發展現狀 隨著全球經濟的發展，電力需求不斷增加。2019年全球電力總發電增長量的50%來自中國，其中南方電網區域為重要的新能源增長集中區域，以風電、生物質、集中式光伏、分布式光伏、戶用光伏、海上風電等新能源為主要代表。其中，2019年南方電網全網新能源并網裝機容量同比增長25.51%，風電并增長11.45%、生物質(含垃圾發電)增長41.39%、集中式光伏增長46.32%、分布式光伏增長37.01%，充分證明了新能源的快速增長變化。

隨著電力市場化改革的深入，能源生態新主體成為重點和熱點問題，互聯網、大數據、云霧計算等技術的出現和運用，使包括儲能、微電網、主動配電網、虛擬電廠、綜合能源等新主體都能夠更好更快速地發展和建設，參與到電力市場的交易中，對接入對象數據的處理和共享提出了更高的要求。

1.2 南網電力系統監視控制系統瓶頸 電力系統監視控制系統是系統數據匯聚、交互、分析中心，負責存儲和分析各類電力數據，主要包括電網模型數據、電網運行、環境數據及管理數據等，通過統一接口規范和適配接入服務，實現不同系統間的數據共享與關聯交互。現行數據實行分層分級匯存儲，并按照應用管理需求逐級匯總，如圖1所示。

由于存在數據接口不統一，要實現任何數據的共享，需要反復進行接口調試，嚴重制約了數據的擴展能力。此外，由于現有系統承載數據量級、數據交互響應及通道資源占用等問題，分層分級建設、管控、存儲、維護，缺乏數據頂層設計的標準化、一體化，因此面對海量主體接入存在嚴重的動態擴展和數據交互方面的問題。

圖1 電力系統監視控制數據結構層級

2 云邊融合統一架構

2.1 云計算 隨著國內外云計算和大數據發展成熟和行業快速應用，響應公司數字化轉型發展政策驅動，不斷挖掘數據價值，提升數字化服務水平，以云計算和大數據為技術基礎的云平臺成為解決數據彈性擴展的重要技術手段。主要體現在云計算在資源動態分配和服務靈活方面具有巨大優勢，具有高性能、高并發、高可用、橫向擴展能力強等特點，能夠有效解決傳統架構擴展等難題，實現數據的彈性擴容。南方電網現已開始建設統一調度云，最終形態形成“兩地三中心”模式，目前已完成主節點的一期建設，為各專業應用提供Iass、Pass、Dass、AIass的平臺服務，具體架構如圖2所示。統一調度云平臺有效解決了系統重復建設、數據擴展困難、接口不統一、計算服務耗時等問題，為實現海數據接入提供了重要的服務基礎。

圖2 南方電網調度云架構

統一調度云平臺作為全網能源數據資源池，在網絡環境安全環境下，存在數據安全暴露面過多，“兩地三中心”統一調度云模式，雖然實現了多節點的N-1冗余備用，但是對于數據的處理、分析、決策依然存在大集中問題，帶來了嚴重的系統開銷，并且海量數據中真正需要主站響應的數據量較少，反復交互造成數據通道價值的浪費，同時也犧牲了響應速率。因此，僅采用統一調度云的數據架構，并不能很好適應指數級數據的接入響應。

2.2 邊緣計算 邊緣計算作為一種新興發展技術，近年發展迅猛，邊緣計算產業聯盟ECC自2016年11月至今已陸續發布了邊緣架構1.0/2.0/3.0、邊緣計算與云計算協同、邊緣計算基礎設施、運營商邊緣計算網絡技術、云計算與邊緣計算協同九大應用場景白皮書，根據邊緣計算產業聯盟ECC的定義，即邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字在敏捷聯接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。邊緣節點，即為承載邊緣計算服務的具體裝置或集群。邊緣計算有眾多優點，具體如下。

末端智能。聚焦實時、短周期數據分析，可以滿足調度業務的實施監測、控制、執行需求，解決10ms內響應的業務，有效延伸了電網控制范圍，并提供了智能手段，實現了末端智能。

便捷接入。連接設備接入量劇增使得運維管理、擴展、可靠性均產生問題，邊緣節點的靈活性實現數據的采集、過濾、分析，實現了接入的便捷化。

就地協同。云平臺實現了管理策略的邊緣下沉，相互配合協同計算服務。

圖3 統一標準的邊緣網關架構

為實現海量數據的消納，研制統一標準的邊緣網關，提供邊緣主體的接入，架構如圖3所示。雖然邊緣計算具有眾多優點，但需要云平臺的統一協同才能發揮其真正的本地化優勢。

2.3 調度云+邊緣兩級融合架構 所有數據回傳統一調度云平臺云，龐大的數據量使得數據交互、資源調度、決策等均會產生較大系統開銷，從網絡安全防御角度，直接接入云平臺增加了網絡風險暴露面，容易遭受網絡攻擊，若僅采用邊緣計算模式，實行邊端管控，由于缺乏全局性協調，無法適應電網的物理統一特性，因此，僅采用統一調度云架構或邊緣架構均不能滿足數據接入監視、控制響應、安全接入的要求。要實現南方電網物理區域統一電網頂層架構的標準化、一體化，適應海量數據的動態擴展，監視控制，安全接入、市場化服務等需求，只能結合統一調度云平臺和邊緣計算的優勢，發展云邊融合模式的系統架構。構建基于云邊融合的靈活、高效、開放、智能、彈性的新一代智能電網運行彈性體系。采用“云邊”兩級設計，基于統一通用的通信鏈路和通信協議，實現云邊間的協同、泛接入、彈性定制和就地決策。加強邊緣側計算感知能力，滿足海量接入、業務高效實時和超大規模計算的需求。實現電網末端智能化、接入便捷化、協同就地化，實現大電網自主巡航、電力市場有序運轉、新能源高效吸納、系統資源最優利用。

圖4 云邊融合統一架構

南方電網總調正積極探索云邊融合具體實現統一架構模式，如圖4所示。由調度云和統一邊緣節點構成，其中邊緣節點包含邊緣集群控制層和具體應用場景下的邊緣節點裝置。調度云平臺主要負責云邊協同，依賴云平臺層的全局、多維等特性，實現邊緣節點的策略協同、運維管控、能力增強等需求。邊緣計算集群主要圍繞電力市場運營和智能電網運行進行海量數據計算和優化，與主站監視系統、虛擬電廠、分布式能源、綜合園區、電動汽車充電設施等海量主體互動。邊緣節點裝置主要負責就地決策，滿足業務高效實時的就地決策，優化上傳數據，提高本地智能，保障接入安全，并通過多種協議IEC104、ModBus、MQTT、CoAP等實現數據轉換，通過多種鏈路CAN、RS485、以太網等與上級節點交互。該架構模式下，最終建成具有“多維接入，高效計算，彈性擴展，邊緣協同”特征的云邊融合是智能調度運行平臺。

3 總結

需要繼續探索完善云邊融合架構下云端與邊端的協同策略、統一運維策略、應用服務策略、運營模式等，以適用于南方電網管轄區域內的海量主體接入需求，以實現電網運行、監視、控制更加高效和安全。