能源與信息基礎設施的協同

清華大學 曹軍威

1 協同概述

信息基礎設施與能源基礎設施發展的內在動因，決定了信息能源基礎設施走向融合一體化發展的道路。未來信息基礎設施以數據中心為核心，通過高速通信網絡相連接，同時支持物聯網和移動互聯網的接入，其發展過程中遇到了明顯的能源瓶頸；同時，智能電網與能源互聯網的發展對信息化、智能化的要求越來越高，迫切需要新一代信息技術的支撐。信息能源基礎設施之間的功能、性能等方面的互補性也為其融合一體化提供了經濟可行性。

總的來說，信息通信與能源電力結合發展分為3個階段。第一個階段為數字化、信息化階段。此時，信息通信為能源電力行業提供服務，帶來方便、快捷等好處。第二個階段為智能化階段，也就是智能電網階段。在該階段，信息通信成為能源電力基礎設施不可或缺的組成部分，以信息流與能量流的結合為特征。第三個階段為信息物理融合階段，表現為信息通信基礎設施與能源電力基礎設施的一體化，也就是信息能源基礎設施一體化意義下的能源互聯網階段。

能源互聯網的最終目的，是實現能源的有效利用，在提高能源利用效率的同時，實現分布式可再生清潔能源對傳統石化能源的逐步替代，通過供需匹配，減少能源生產的開銷，提高用戶的用電質量體驗，降低用電消費成本，實現發電商與用電用戶的雙贏。這一切，離不開與信息基礎設施的協同。通過能源與基礎設施的協同，可以保證電力網絡和設備的狀態信息實時傳輸、分析和監控。下面對信息基礎設施應用于能源互聯網的各種功能與能源的協同控制進行逐一介紹。

2 信息采集監控與能源的協同

為了實現能源的有效生產、傳輸和消費，需要對整個電力網絡的發電、輸電、變電、配電和用電整個過程進行有效的信息采集與監控，這與底層的信息采集監控基礎設施密切相關。通過信息采集與監控設備，可以實時采集電網各個方面的相關細節數據，從而輔助控制管理人員以及自動智能控制設備，對全網運行狀態有清晰、全面的了解，從而及時有效地做出相關決策和命令，并通過底層監控設備對相關命令的即時、正確執行，可以有效應對電力傳輸網絡中可能出現的各種故障或功能失常，保證能源的安全、高效、魯棒傳輸。信息采集監控基礎設施可以看作能源互聯網的“耳、鼻、眼”。

采集監控是能源互聯網運行的基礎，采集監控結果的實時性、精確性和完整性決定了能源互聯網的整體性能。采集監控類包含標識、傳感、集中、現場控制等4類技術。

2.1 標識技術

標識技術包括RFID、二維碼、三維碼、生物特征識別（虹膜、指紋）等，其中RFID（射頻識別）技術在電力系統應用最為廣泛。

RFID利用射頻通信技術，無須與被測物體接觸就能進行信息交互。利用RFID技術，可以實現設備身份信息的自動化識別。

利用RFID技術結合定位技術，可以實現智能電網中的資產管理和遠程信息管理系統的構建。同時，在電力線上實現RFID技術，也有人提出該技術不需要天線，可以對設備的接入進行識別。

在能源互聯網中，為了保證能源的正常傳輸，人與設備或設備與設備之間的通信必不可少，物聯網標識是設備自動化操作的前提條件。隨著技術的發展，RFID標識技術將與傳感等技術相融合，實現標識、傳感、控制一體化，其感知距離和準確度也將大幅提高。

2.2 傳感技術

傳感功能一般通過使用嵌入式傳感器（或傳感器網絡），對電網內主要設備、線路和環境進行監測或控制，采集設備的狀態量、電氣量或量測量。通過信息交互，傳感設備可以形成SCADA、WAMS或CMA/CAC/CAG等監測系統的終端側。

電力系統可以使用具備多維狀態綜合感知能力的、可在復雜電磁環境下長壽命工作的傳感電氣集成裝置、柔性納米傳感裝置、無線傳感裝置等新型傳感器，如智能間隔棒、無線紅外點陣溫度傳感器、無線電壓相位傳感器，無線電纜屏蔽層泄漏電流傳感器等，以及具備多感知節點覆蓋、不同通信方式協同接入能力的匯聚網關及匯聚控制器裝置。

用于電力的物聯網傳感器網絡已經被廣泛研究，包括信息模型及其應用，可以幫助數據包避開擁塞區域的路由協議，及其在網絡的安全性問題等。基于傳感器網絡，用于電網需求側能量管理的網頁服務也被提出，可以為智能家居節省能源。

傳感是智能感知和智能量測的基礎，在能源互聯網中將得到廣泛應用。傳感設備將向著網絡通信自組織化、高帶寬利用率、受環境影響小、能源自供給等方面發展。

2.3 信息集中技術

為了合理利用網絡頻譜資源和時間資源，減少傳輸能量開銷和通信包頭開銷，本地集中處理必不可少。經過集中處理，在共享通信資源的同時，可以有效去除噪聲，恢復丟失的部分數據，去除信息中的冗余，提高網絡的并發用戶數量。

由于能源互聯網所收集的數據量巨大，且存在著噪聲和丟失，因此數據集中將是一項很有價值的工作。未來的數據集中將著重于提高本地信息處理性能和效率，降噪，提取本質特性數據等方面。

2.4 現場控制技術

利用電力網絡通信，可以對相關設備進行自動化現場控制，主要控制設備包括變送器、保護裝置，繼電保護和自動化設備等。受控設備可以及時接收網絡故障定位結果，自動實現故障隔離，保護相關設備。

智能功率管理系統可以實現對無人子站的完全自動控制。而且，智能系統控制與智能電網之間存在相互促進作用。通過研究發現，利用動態控制優化算法，通過合理的負荷切除和動態生產控制可以防止在線電壓崩潰。同時，可以將智能合作實體和模糊集控制算法相結合，實現一個分布式無結構的電壓規范體系構架。

自動化現場控制在能源互聯網中顯得更加重要，因其需要支持分布式能源的大規模接入和保證網絡運行的平穩性。現場控制系統將向著信息網絡全覆蓋，完全自動化和通信低時延保證等方向發展。

3 信息傳輸與能源的協同

為了通過對能源互聯網相關信息的及時采集、匯聚和處理，實現能源的高效生產、傳輸和利用，離不開相關的信息傳輸基礎設施。通過信息傳輸基礎設施，可以實現相關信息快速、及時、有效地傳輸，在盡量減少傳輸時延的同時，留給相關控制設備更充裕的處理時間，保證監控命令在規定時延內有效地傳輸和執行，從而保證電力網絡的整體高效性。信息傳輸基礎設施可以看作能源互聯網的“神經”。

通信網絡是能源互聯網的重要基礎設施。電網中的廣域量測系統WAMS，廣域保護系統WAPS（Wide Area Protection System），廣域控制系統WACS（Wide Area Control System）等都依賴于通信構架。由于電網系統存在多樣性和分散性的特點，目前電網系統尚無統一的體系構架。

按照電網底層量測單元的不同，電網通信組網也可以看成兩部分：一是由電網狀態量測單元PMU、RTU構成的電力狀態監測網絡，該網絡特點為局域范圍內節點數量較少；二是由個人用戶量測單元構成的信息網絡，該網絡的特點是節點數量大，可擴展性要求高。

3.1 個人用戶網絡

個人用戶量測單元往往先通過局域網進行連接，再接入廣域網。由智能電表連接組成的局域網包括家庭局域網HAN（Home Area Network）和鄰域局域網NAN（Neighborhood Area Network），可用的組網方式有無線網絡和寬頻電力線傳輸BPL（Broadband over Power Line）網絡。其中利用無線網絡構建智能電網個人用戶局域網已有成型的協議，已有標準包括ZigBee協議和OpenHAN協議。上述兩種協議均運行于IEEE 802.15.4無線網絡標準基礎之上。ZigBee協議是無線傳感器網絡中的一種常用組網技術，多用于低速短距離無線網絡構建。OpenHAN則是針對家庭電力系統專門設計的一種無線網絡組網協議，2008年由開放智能電網用戶組OSGUG（Open Smart Grid Users Group）發布了第一版組網需求說明文檔并于2010年進行了修訂。構建個人用戶局域網的組網結構有星型網絡和網狀（mesh）網絡兩種。其中星型網絡的主要缺點是中央節點負擔重，存在單點失效問題；而網狀網絡多見于無線傳感器網絡的構架，由于其較好的自愈特性，實際也多采用網狀網絡構建個人用戶電力信息網，但臨近集中節點（Access Point）的節點是網狀網絡的瓶頸。

3.2 電力主干通信網

電網主干通信網組網方式可以分為兩類，第一類是電力網絡和信息網絡結合的構架方式，即通信載體本身是電力網絡中的元素，包括基于電力線的通信PLC（Power Line Communication），寬頻電力線傳輸BPL，光纖架空地線復合纜OPGW（Optical Power Ground Wire）及全介質自承式架空光纜ADSS（All Dielectric Self Supporting）。第二類是電網信息網的構架與電力網絡分離，即采用額外的網絡構架電力系統信息網。這種模式下也存在不同的信息網構架方式，大致可以分為3種，即采用光纖、無線信號及租用帶寬。目前比較通用的做法是主干網絡采用光纖搭建，邊緣網絡利用無線方式進行傳輸。

采用電力網絡元素構建信息網的模式有利于節約成本，但容易造成電力系統和信息系統互相耦合，電力網絡的故障將導致信息網絡的故障。而分離模式則可以解決上述問題，使智能電網信息網構架更加自由，但分離模式下信息網必須另外選擇傳輸載體，需要在成本和傳輸性能上進行平衡。特別是電力系統設備分布范圍廣，一些偏遠地區不具備構架光纖或無線網絡的條件，需要額外傳輸方式，已有方案如基于認知無線電CR（Cognitive Radio）的傳輸構架模型，認知無線電的好處在于能從特定區域的頻段中找出適合通信的空白頻譜，在不影響已有通信系統的前提下利用傳輸帶寬。IEEE 802.22協議定義了空白頻譜搜尋方式。目前IEEE 802.22協議已經在電視頻譜中得到了部署，通過CR技術利用電視空白帶寬，因此可用于在偏遠地區構架信息網絡。

4 信息處理與能源的協同

信息基礎設施與能源協同的根本目的是通過相應的命令，指導能源網絡的正常運行。因此信息處理基礎設施尤為重要，可以看作能源互聯網的“大腦”。由于在能源互聯網的設計中，預計將產生海量的各種類型的數據，并需要進行及時的處理和決策，傳統的數據處理方法將難以勝任，由此提出了將大數據技術與能源互聯網結合，將大數據技術應用于能源互聯網信息處理過程中，將極大提升整個電力網絡的性能。

大數據技術以“4V”為其主要特點，即數據容量大（Volume）、數據類型繁多（Variety）、商業價值高（Value）、處理速度快（Velocity）。此外，大數據還具有價值密度低的特點，即其價值密度遠遠低于傳統關系型數據庫中的已有數據。大數據的分析處理過程主要分為大數據采集、大數據導入/預處理、大數據統計/分析、大數據挖掘等主要步驟，還可以包括數據存儲和傳輸等輔助步驟。基于大數據更為嚴苛的數據性能處理要求，大數據一般采用云平臺技術，通過對相關大數據分析算法的并行化實現（基于map-reduce思想），如并行化的FP-Growth算法，分類算法和聚類算法等。

能源互聯網可以實現分布式可再生能源的大規模接入，具有微網集群間或微網和主干網間的電力雙向自由共享，用戶按需響應，以及利用大規模儲能設施實現削峰填谷等功能。系統具有很大的計算復雜度和較嚴格的處理傳輸時延，以及海量的數據存儲需求。同時，能源互聯網由于其開放、對等、互聯、分享等特征決定了能源互聯網大數據分析有其自身的特點和要求。

首先，能源互聯網的能量和信息交換是以開放平臺和架構為基礎的，任何節點（無論是電源、電網還是用戶）都可以隨時加入和離開，這對于大數據管理的標準化和安全性方面的要求都會比較高。其次，能源互聯網節點間是對等互聯進行能量和信息交換的，相當于一方面要完成傳統能量管理系統的功能，同時還要保證系統的分散協同。例如，一個區域的能源互聯網就要具有獨立運營實體和能量管理，保證其運行的穩定性、電能質量、以及與用戶的互動等，都對數據的采集、通信和處理提出了更高的要求。最后，能源互聯網要支持靈活的能量和信息分享，尤其是新能源的接入、分散式能量管理和與用戶負荷互動的加強，對數據處理的實時性提出了更高的要求。能源互聯網是未來實現電力市場和實時電價的基礎，因此大數據處理的實時性要支持從底層的能量交換控制、上層的能量路由與管理，乃至新的商業模式和市場機制等，大數據采集、分析和處理的速度要求更高。

能源互聯網側重分布式能源和可再生能源的接入和互聯，大數據分析在能源互聯網中的應用包括負荷建模、負荷預測、狀態評估、電能質量監測與控制、需求側管理與響應、分布式能源接入、多能調度規劃、自動故障定位、系統安全與態勢感知等。通過大數據技術，顯著提升了能源互聯網的數據分析和處理性能，保障了能源互聯網的平穩有序運行。

通過能源與信息基礎設施的協同，使得能源互聯網具有一定的智能和反應速度，以保障電能的高效、安全使用，減少故障發生的概率，縮短故障恢復的時間，減少網絡的運行維護成本，提升電能的質量和用戶滿意度，最終實現能源互聯網整體性能的提高。