一种解决海量分布式新能源接入的电力监控系统架构方法

南方电网有限责任公司文山供电局 云南 文山 663000

0 引言

随着社会经济的不断发展，以电能为基础的生产、生活能源需求快速增长，伴随着社会发展对环境的高要求，以及“管住中间，放开两端”充分引入竞争的能源发展激励政策的加持，大量新能源涌入电网，在南方电网区域范围内电源结构占比规模迅速扩大，对传统电网的运行控制、安全稳定、系统响应等产生了新的挑战。尤其随着电力输电网架、送电规模的不断发展壮大，为满足对电网运行控制、网络安全防御、本体安全、本质安全、市场化变革等方面发展需要，需要改善现有电力运行控制系统。针对整体系统架构设计、控制理念和控制策略等基于电力系统理论和管控理念形成的强耦合、刚性接入等不适应性，着重解决适应海量数据的接入和控制响应的问题，探索电力系统监视控制系统架构方面需要做出的改变。

1 电力行业发展趋势

1.1 南方电网新能源发展现状 随着全球经济的发展，电力需求不断增加。2019年全球电力总发电增长量的50%来自中国，其中南方电网区域为重要的新能源增长集中区域，以风电、生物质、集中式光伏、分布式光伏、户用光伏、海上风电等新能源为主要代表。其中，2019年南方电网全网新能源并网装机容量同比增长25.51%，风电并增长11.45%、生物质(含垃圾发电)增长41.39%、集中式光伏增长46.32%、分布式光伏增长37.01%，充分证明了新能源的快速增长变化。

随着电力市场化改革的深入，能源生态新主体成为重点和热点问题，互联网、大数据、云雾计算等技术的出现和运用，使包括储能、微电网、主动配电网、虚拟电厂、综合能源等新主体都能够更好更快速地发展和建设，参与到电力市场的交易中，对接入对象数据的处理和共享提出了更高的要求。

1.2 南网电力系统监视控制系统瓶颈 电力系统监视控制系统是系统数据汇聚、交互、分析中心，负责存储和分析各类电力数据，主要包括电网模型数据、电网运行、环境数据及管理数据等，通过统一接口规范和适配接入服务，实现不同系统间的数据共享与关联交互。现行数据实行分层分级汇存储，并按照应用管理需求逐级汇总，如图1所示。

由于存在数据接口不统一，要实现任何数据的共享，需要反复进行接口调试，严重制约了数据的扩展能力。此外，由于现有系统承载数据量级、数据交互响应及通道资源占用等问题，分层分级建设、管控、存储、维护，缺乏数据顶层设计的标准化、一体化，因此面对海量主体接入存在严重的动态扩展和数据交互方面的问题。

图1 电力系统监视控制数据结构层级

2 云边融合统一架构

2.1 云计算 随着国内外云计算和大数据发展成熟和行业快速应用，响应公司数字化转型发展政策驱动，不断挖掘数据价值，提升数字化服务水平，以云计算和大数据为技术基础的云平台成为解决数据弹性扩展的重要技术手段。主要体现在云计算在资源动态分配和服务灵活方面具有巨大优势，具有高性能、高并发、高可用、横向扩展能力强等特点，能够有效解决传统架构扩展等难题，实现数据的弹性扩容。南方电网现已开始建设统一调度云，最终形态形成“两地三中心”模式，目前已完成主节点的一期建设，为各专业应用提供Iass、Pass、Dass、AIass的平台服务，具体架构如图2所示。统一调度云平台有效解决了系统重复建设、数据扩展困难、接口不统一、计算服务耗时等问题，为实现海数据接入提供了重要的服务基础。

图2 南方电网调度云架构

统一调度云平台作为全网能源数据资源池，在网络环境安全环境下，存在数据安全暴露面过多，“两地三中心”统一调度云模式，虽然实现了多节点的N-1冗余备用，但是对于数据的处理、分析、决策依然存在大集中问题，带来了严重的系统开销，并且海量数据中真正需要主站响应的数据量较少，反复交互造成数据通道价值的浪费，同时也牺牲了响应速率。因此，仅采用统一调度云的数据架构，并不能很好适应指数级数据的接入响应。

2.2 边缘计算 边缘计算作为一种新兴发展技术，近年发展迅猛，边缘计算产业联盟ECC自2016年11月至今已陆续发布了边缘架构1.0/2.0/3.0、边缘计算与云计算协同、边缘计算基础设施、运营商边缘计算网络技术、云计算与边缘计算协同九大应用场景白皮书，根据边缘计算产业联盟ECC的定义，即边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。边缘节点，即为承载边缘计算服务的具体装置或集群。边缘计算有众多优点，具体如下。

末端智能。聚焦实时、短周期数据分析，可以满足调度业务的实施监测、控制、执行需求，解决10ms内响应的业务，有效延伸了电网控制范围，并提供了智能手段，实现了末端智能。

便捷接入。连接设备接入量剧增使得运维管理、扩展、可靠性均产生问题，边缘节点的灵活性实现数据的采集、过滤、分析，实现了接入的便捷化。

就地协同。云平台实现了管理策略的边缘下沉，相互配合协同计算服务。

图3 统一标准的边缘网关架构

为实现海量数据的消纳，研制统一标准的边缘网关，提供边缘主体的接入，架构如图3所示。虽然边缘计算具有众多优点，但需要云平台的统一协同才能发挥其真正的本地化优势。

2.3 调度云+边缘两级融合架构 所有数据回传统一调度云平台云，庞大的数据量使得数据交互、资源调度、决策等均会产生较大系统开销，从网络安全防御角度，直接接入云平台增加了网络风险暴露面，容易遭受网络攻击，若仅采用边缘计算模式，实行边端管控，由于缺乏全局性协调，无法适应电网的物理统一特性，因此，仅采用统一调度云架构或边缘架构均不能满足数据接入监视、控制响应、安全接入的要求。要实现南方电网物理区域统一电网顶层架构的标准化、一体化，适应海量数据的动态扩展，监视控制，安全接入、市场化服务等需求，只能结合统一调度云平台和边缘计算的优势，发展云边融合模式的系统架构。构建基于云边融合的灵活、高效、开放、智能、弹性的新一代智能电网运行弹性体系。采用“云边”两级设计，基于统一通用的通信链路和通信协议，实现云边间的协同、泛接入、弹性定制和就地决策。加强边缘侧计算感知能力，满足海量接入、业务高效实时和超大规模计算的需求。实现电网末端智能化、接入便捷化、协同就地化，实现大电网自主巡航、电力市场有序运转、新能源高效吸纳、系统资源最优利用。

图4 云边融合统一架构

南方电网总调正积极探索云边融合具体实现统一架构模式，如图4所示。由调度云和统一边缘节点构成，其中边缘节点包含边缘集群控制层和具体应用场景下的边缘节点装置。调度云平台主要负责云边协同，依赖云平台层的全局、多维等特性，实现边缘节点的策略协同、运维管控、能力增强等需求。边缘计算集群主要围绕电力市场运营和智能电网运行进行海量数据计算和优化，与主站监视系统、虚拟电厂、分布式能源、综合园区、电动汽车充电设施等海量主体互动。边缘节点装置主要负责就地决策，满足业务高效实时的就地决策，优化上传数据，提高本地智能，保障接入安全，并通过多种协议IEC104、ModBus、MQTT、CoAP等实现数据转换，通过多种链路CAN、RS485、以太网等与上级节点交互。该架构模式下，最终建成具有“多维接入，高效计算，弹性扩展，边缘协同”特征的云边融合是智能调度运行平台。

3 总结

需要继续探索完善云边融合架构下云端与边端的协同策略、统一运维策略、应用服务策略、运营模式等，以适用于南方电网管辖区域内的海量主体接入需求，以实现电网运行、监视、控制更加高效和安全。