孫鴻飛，弓麗棟，張海濤，武慧娟

(1.東北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林吉林 132012；2.吉林大學(xué)管理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022)

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智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架及其應(yīng)用演進(jìn)研究

孫鴻飛1，2，弓麗棟1，張海濤2，武慧娟1

(1.東北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林吉林 132012；2.吉林大學(xué)管理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

當(dāng)前，傳統(tǒng)電網(wǎng)在環(huán)境保護(hù)、安全運(yùn)行以及能源利用效率方面均面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1]。為此，世界各國(guó)的電力工業(yè)都在努力地尋找著解決上述問題的途徑——智能電網(wǎng)就成為了一個(gè)重要的議題。然而，世界各國(guó)基于各自能源政策與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平所提出的智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略卻不盡相同。中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司提出的智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略是：以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)，涵蓋所有電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，建設(shè)具有堅(jiān)強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開放和友好互動(dòng)內(nèi)涵的現(xiàn)代電網(wǎng)[2]；歐盟智能電網(wǎng)特別工作組制定的智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略是：為了保證電力供應(yīng)的安全性、可靠性、可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建一個(gè)可以智能化地集成所有電力生產(chǎn)者(producer)、消費(fèi)者(consumer)和產(chǎn)銷合一者(prosumer)的行為和行動(dòng)的現(xiàn)代化電網(wǎng)[3]；美國(guó)能源部的智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略是：利用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建一個(gè)從大規(guī)模發(fā)電到輸配電網(wǎng)(包括正在快速發(fā)展的分布式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能)再到電力消費(fèi)者的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)，以保證其運(yùn)行的可靠性、安全性和高效率[4]。從中國(guó)、歐盟和美國(guó)這3種智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略中可以發(fā)現(xiàn)，雖然各自對(duì)于智能電網(wǎng)建設(shè)的側(cè)重點(diǎn)有所不同，但是都表現(xiàn)出了對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、高效、安全以及環(huán)保的共同追求，都將信息技術(shù)作為發(fā)展的起點(diǎn)。只有通過對(duì)智能電網(wǎng)的全景實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)所積累的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、精確的分析，才能夠保障智能電網(wǎng)安全、綠色、自愈、堅(jiān)強(qiáng)、可靠地運(yùn)行。

隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的到來，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為電力行業(yè)變革的中心。2013年在中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)信息化專業(yè)委員會(huì)發(fā)布的《中國(guó)電力大數(shù)據(jù)白皮書》中被定義為“中國(guó)大數(shù)據(jù)元年”，自此便拉開了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的研究序幕[5]。因此，開展智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架、核心技術(shù)及其應(yīng)用演進(jìn)和領(lǐng)域的研究，能夠?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)的建設(shè)和智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨提供理論支撐和技術(shù)積累。

本文首先闡述了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特征，然后提出了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析框架并且分別從智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)展現(xiàn)技術(shù)4個(gè)方面深入探討了其核心技術(shù)的內(nèi)容，最后提出了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用演進(jìn)路徑并且通過3個(gè)具體的場(chǎng)景闡述了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)在風(fēng)電場(chǎng)停機(jī)優(yōu)化、風(fēng)光一體化發(fā)電功率預(yù)測(cè)、風(fēng)電場(chǎng)微觀選址等領(lǐng)域的應(yīng)用。通過本文的研究，希望能夠在理論上豐富和拓展智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)理論，明確其分析框架和應(yīng)用演進(jìn)路線，從而為我國(guó)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)、自愈的智能電網(wǎng)提供必要的實(shí)踐指導(dǎo)。

1 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特征

智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)從來源上包括智能電網(wǎng)內(nèi)部和智能電網(wǎng)外部?jī)蓚€(gè)方面，涉及到電力系統(tǒng)從發(fā)電、輸電、變電到配電、用電、調(diào)度等電力生產(chǎn)、管理和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)不僅僅是能源變革中電力工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然過程，還是電力系統(tǒng)在管理體制、發(fā)展理念以及技術(shù)路線等方面的一次重大變革，更是在互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下下一代電力系統(tǒng)價(jià)值形態(tài)的一種躍升[5]。

綜合國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)特征的描述，本文將智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特征概括為5“V” 3“E”，如圖1所示。其中5“V”分別是數(shù)量大(Volume)、類型多(Variety)、速度快(Velocity)、高準(zhǔn)確性(Veracity)和高價(jià)值性(Value)，3“E”分別是數(shù)據(jù)即能量(Energy)、數(shù)據(jù)即交互(Exchange)和數(shù)據(jù)即共情(Empathy)。

圖1 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)特征

①數(shù)量大。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)最顯著的特征之一就是數(shù)量大。不僅如此，其數(shù)量增長(zhǎng)速度也將隨著智能電網(wǎng)的全面建成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的預(yù)期。

②類型多。不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)，智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)包括多種數(shù)據(jù)類型：既有結(jié)構(gòu)化類型的數(shù)據(jù)，又有半結(jié)構(gòu)化類型的數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化類型的數(shù)據(jù)。

③速度快。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)產(chǎn)生和形成的速度非常迅速，同時(shí)對(duì)于智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集、分析和處理的速度也要非常迅速。

④高準(zhǔn)確性。電力行業(yè)肩負(fù)著電力安全生產(chǎn)運(yùn)行、滿足社會(huì)電力需求的任務(wù)。因此，在微觀層面，要求所有涉及到的電力生產(chǎn)運(yùn)行、電量計(jì)量計(jì)費(fèi)以及電力營(yíng)銷等方面的數(shù)據(jù)都必須準(zhǔn)確無誤；在宏觀層面，由于電力行業(yè)的發(fā)展要與國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)的發(fā)展相適應(yīng)，因而要求所有涉及到的廠站分布、設(shè)備規(guī)模、運(yùn)行方式等方面的數(shù)據(jù)都必須能夠準(zhǔn)確地反映社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)和需要。

⑤高價(jià)值性。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)不僅涉及電力系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)還涉及電力系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)。前者能夠反映出電力行業(yè)內(nèi)部的規(guī)律性特征，對(duì)于電力系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行和電力企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理具有非常重要的指導(dǎo)作用；后者則反映了國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)狀，也具有極高的潛在價(jià)值。

⑥數(shù)據(jù)即能量。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)具有零消耗、零磨損、零污染、易傳輸?shù)忍匦?。在?shí)時(shí)、安全地保障電力用戶和電力企業(yè)利益的前提下，智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)可以大大降低電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

⑦數(shù)據(jù)即交互。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電、用電雙方的動(dòng)態(tài)交互，利用云計(jì)算以及分布式服務(wù)器可以將所有并網(wǎng)的電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)整合在一起，形成一個(gè)開放的巨系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)多方實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互[6]。

⑧數(shù)據(jù)即共情。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)必然推動(dòng)電力工業(yè)的生產(chǎn)與銷售轉(zhuǎn)向以用戶為中心、以需求為導(dǎo)向，使其在本質(zhì)上回歸對(duì)電力用戶的需求響應(yīng)，體現(xiàn)對(duì)電力消費(fèi)者的終極關(guān)懷。

2 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架

目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者已經(jīng)開展了對(duì)于智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)及其分析架構(gòu)的一系列卓有成效的研究。其中，具有代表性的有：Apache基金會(huì)構(gòu)建了以Hadoop分布式文件處理系統(tǒng)作為大數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)框架和以MapReduce分布式計(jì)算技術(shù)作為大數(shù)據(jù)的分析處理框架的大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)，這一大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)具有較好的通用性，適用于電力行業(yè)的大數(shù)據(jù)規(guī)劃[7]；張東霞等[8]提出了包含有數(shù)據(jù)訪問和計(jì)算、數(shù)據(jù)隱私和領(lǐng)域知識(shí)以及大數(shù)據(jù)挖掘算法的智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)三層分析架構(gòu)；王繼業(yè)等[9]針對(duì)在配用電過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)提出了智能電網(wǎng)配用電大數(shù)據(jù)應(yīng)用的總體架構(gòu)，將數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層以及業(yè)務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行了整合。

為了進(jìn)一步開展對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究，從而更加有效地對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，結(jié)合我國(guó)智能電網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，本文提出了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析框架，如圖2所示。

該分析框架包括數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)支撐層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)顯示層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層5個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)源層是整個(gè)分析框架的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)分析層和數(shù)據(jù)支撐層則是整個(gè)分析框架的核心，包含了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)；數(shù)據(jù)顯示層作為數(shù)據(jù)分析層與數(shù)據(jù)應(yīng)用層之間的橋梁，可以直觀、形象地展示數(shù)據(jù)分析的結(jié)果；數(shù)據(jù)應(yīng)用層位于整個(gè)分析框架的頂端，可以實(shí)現(xiàn)智能大數(shù)據(jù)在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)等領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

2.1 數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層所獲得的數(shù)據(jù)包括智能電網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)和智能電網(wǎng)外部數(shù)據(jù)。內(nèi)部數(shù)據(jù)源于配電管理系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)(CIS)、客服系統(tǒng)、設(shè)備檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)(PMS)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、營(yíng)銷管理系統(tǒng)以及廣域檢測(cè)系統(tǒng)(WAMS)等；外部數(shù)據(jù)源于氣象信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、電動(dòng)汽車充換電管理系統(tǒng)、公共服務(wù)部門以及互聯(lián)網(wǎng)等。

2.2 數(shù)據(jù)分析層

數(shù)據(jù)分析層是整個(gè)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架的關(guān)鍵部分，從發(fā)電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析、輸電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析、配電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析和用電數(shù)據(jù)分析4個(gè)方面開展對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析。

2.3 數(shù)據(jù)支撐層

數(shù)據(jù)支撐層是整個(gè)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架的另一個(gè)關(guān)鍵部分，其中包含了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)：數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)展示技術(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)展示層

數(shù)據(jù)展示層與數(shù)據(jù)分析層相互對(duì)應(yīng)，包括發(fā)電數(shù)據(jù)展示、輸電數(shù)據(jù)展示、配電數(shù)據(jù)展示和用電數(shù)據(jù)展示。

2.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要集中在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)3個(gè)方面，包括負(fù)荷預(yù)測(cè)、配電網(wǎng)分析狀態(tài)及預(yù)警、用電行為預(yù)測(cè)以及停電管理等應(yīng)用。

圖2 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架

3 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)核心技術(shù)

針對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架中的數(shù)據(jù)支撐層，本文分別從智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)展示技術(shù)4個(gè)方面深入探討其核心技術(shù)的內(nèi)容，如圖3所示。

圖3 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)

3.1 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)具體包括智能電網(wǎng)安全在線分析技術(shù)、間歇性電源發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)、設(shè)施線路運(yùn)行狀態(tài)分析技術(shù)等。相對(duì)于其他行業(yè)，電力行業(yè)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、電力發(fā)輸變配用的實(shí)時(shí)性等要求更高，因此智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確度要求也更高[10]。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)面對(duì)智能電網(wǎng)中海量的、高速增長(zhǎng)的、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的大數(shù)據(jù)已經(jīng)不再適用，因此需要拓展新的面向海量數(shù)據(jù)挖掘的智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

基于EMS數(shù)據(jù)模型的智能電網(wǎng)安全在線分析技術(shù)，通過采用在線跟蹤、智能決策以及自動(dòng)識(shí)別等技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)中的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集和整合，實(shí)時(shí)跟蹤和同步評(píng)估智能電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。采用定時(shí)間隔的快速掃描策略，根據(jù)采集到的智能電網(wǎng)的在線數(shù)據(jù)通過分布式計(jì)算得出其穩(wěn)定評(píng)估表，通過穩(wěn)定評(píng)估表全面、快速地定量評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)而提供相應(yīng)的預(yù)防控制措施，以便優(yōu)化預(yù)防控制措施、搜索系統(tǒng)穩(wěn)定極限和提供緊急控制策略，從而實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性的在線監(jiān)視和預(yù)警[11]。

圖4 智能電網(wǎng)在線安全分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能電網(wǎng)安全在線分析系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)一般由頂層的自動(dòng)智能決策系統(tǒng)、中層的決策控制系統(tǒng)以及底層的控制執(zhí)行設(shè)備3部分所組成，如圖4所示。頂層的自動(dòng)智能決策系統(tǒng)通過硬件連接著局域網(wǎng)上的多個(gè)服務(wù)器從而構(gòu)成一個(gè)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這是整個(gè)安全在線分析控制系統(tǒng)的中樞部分。它能夠從能量管理系統(tǒng)(EMS)獲取智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)信息并且通過PSASP或BPA等程序自動(dòng)評(píng)估電力系統(tǒng)當(dāng)前的穩(wěn)定性水平從而形成對(duì)可能發(fā)生的事故進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)的自動(dòng)預(yù)測(cè)，最終通過通信網(wǎng)絡(luò)將預(yù)決策的控制方案策略傳輸給各個(gè)中層的決策控制系統(tǒng)。中層的決策控制系統(tǒng)依靠分布式服務(wù)器連接著各個(gè)區(qū)域(一般安裝在大型樞紐發(fā)電廠或變電站)的穩(wěn)定控制決策設(shè)備負(fù)責(zé)接收并自動(dòng)匹配來自上層的自動(dòng)智能決策系統(tǒng)的最優(yōu)策略表，結(jié)合實(shí)際故障情況確定本區(qū)域的穩(wěn)定措施并且通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給各個(gè)底層的控制執(zhí)行設(shè)備。底層的控制執(zhí)行設(shè)備則由分布在各個(gè)發(fā)電廠和變電站中的執(zhí)行機(jī)組成，接收并執(zhí)行由中層的決策控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程的控制系統(tǒng)傳輸過來的切機(jī)、切負(fù)荷或電氣制動(dòng)等命令[12]。由此，構(gòu)成了一個(gè)分層決策、分層控制的智能電網(wǎng)在線分析系統(tǒng)和穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

3.2 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)

智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)包括數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)集成技術(shù)、關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)過濾技術(shù)、數(shù)據(jù)抽取技術(shù)等，具體是指電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型技術(shù)、電力數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)換和裝載 (Extract, Transfer and Load，即ETL)技術(shù)等。由于智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)具有多樣性的特征，因此對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理之前，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和過濾以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及可靠性；然后對(duì)清洗和過濾之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取和集成以便從中提取出實(shí)體和關(guān)系；最后再經(jīng)過數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和聚合采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)[13]。

電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建立起來的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，這種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型使得對(duì)于數(shù)據(jù)對(duì)象的描述更加具有全面性、整體性和層次性。其通過數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)視圖等方法使得數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換更加方便，因而使系統(tǒng)具備了更好的可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)之間復(fù)雜的業(yè)務(wù)關(guān)系變得更加簡(jiǎn)化，使數(shù)據(jù)冗余最大限度地減少，從而保證了數(shù)據(jù)的唯一性和一致性，使數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)更加方便、直接。

電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型具備以下特點(diǎn)：

①模型的可擴(kuò)展性。電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型在本質(zhì)上是一個(gè)抽象模型，這就決定了它可以跨業(yè)務(wù)、跨平臺(tái)應(yīng)用于任何一個(gè)系統(tǒng)的集成需求，可以根據(jù)需求對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換。

②模型的層次化。在電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型中，一個(gè)子類可以通過繼承獲得其唯一父類的公共屬性，而一個(gè)父類的公共屬性卻可以被多個(gè)子類所繼承，從而使得整個(gè)模型具有層次性。

③模型的規(guī)格化。在電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型中，每一個(gè)類都擁有其固有的、唯一的屬性——即模型具有規(guī)格性——使得一個(gè)屬性只能夠隸屬于一個(gè)類，從而增強(qiáng)了模型的穩(wěn)定性。

④模型的靜態(tài)性。電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型是一個(gè)全局模型，因而它并不針對(duì)于任何特定的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。在特定的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，對(duì)象可以由模型中的多個(gè)類通過關(guān)聯(lián)和耦合進(jìn)行描述，其中類的屬性也可以描述業(yè)務(wù)系統(tǒng)中某一類對(duì)象的屬性。電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型與共享交換需求的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一公共模型與共享交換需求的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括分布式計(jì)算技術(shù)、流處理技術(shù)、內(nèi)存計(jì)算技術(shù)等，具體是指電力云技術(shù)、電力數(shù)據(jù)中心軟硬件資源虛擬化等技術(shù)。這3種數(shù)據(jù)處理技術(shù)所適用的對(duì)象和主要解決的問題如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理技術(shù)的適用范圍

云計(jì)算的基本原理是：首先，通過互聯(lián)網(wǎng)將部署在企業(yè)內(nèi)部和IT基礎(chǔ)之上的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到云端，構(gòu)建位于云端的資源池[14]；然后，通過互聯(lián)網(wǎng)將龐大的計(jì)算處理程序進(jìn)行分拆，自動(dòng)地將其分拆成為無數(shù)個(gè)較小的子程序并利用分布式服務(wù)器所組成的龐大計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算[15]；最后，再將分析和計(jì)算的結(jié)果回傳給用戶。結(jié)合電力系統(tǒng)的分布式計(jì)算以及集群化應(yīng)用等特點(diǎn)在云計(jì)算的基礎(chǔ)上構(gòu)建電力云，其分層結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電力云分層結(jié)構(gòu)示意圖

在當(dāng)前電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和硬件設(shè)備保持不變的條件下，通過電力云則可以對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源和處理器硬件資源進(jìn)行最大限度的整合，既為系統(tǒng)溢出的大量數(shù)據(jù)提供海量存儲(chǔ)空間，又可以借助云計(jì)算技術(shù)為電力系統(tǒng)提供超級(jí)計(jì)算能力，從而為搭建系統(tǒng)平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享提供強(qiáng)大的技術(shù)支持和技術(shù)保障，極大地增強(qiáng)了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的交互能力[16]。

電力云的體系結(jié)構(gòu)按照層次劃分可以分為：高級(jí)訪問層、應(yīng)用接口層、基礎(chǔ)應(yīng)用層和物理存儲(chǔ)層，如圖8所示。

圖8 電力云體系結(jié)構(gòu)模型

通過分層進(jìn)行協(xié)同開發(fā)，從而滿足各級(jí)電網(wǎng)的計(jì)算要求。其中：物理儲(chǔ)存層是電力云的存儲(chǔ)基礎(chǔ)，通過電力系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將分布在不同地理位置的分布式存儲(chǔ)設(shè)備相互連接在一起；基礎(chǔ)應(yīng)用層通過集群式和分布式系統(tǒng)，對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行任務(wù)分配管理和任務(wù)沖突管理，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的協(xié)同工作，對(duì)上層結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)大的存儲(chǔ)服務(wù)和數(shù)據(jù)容災(zāi)；應(yīng)用接口層是整個(gè)電力云體系結(jié)構(gòu)中最為靈活的部分，它可以根據(jù)各級(jí)電網(wǎng)的需要和權(quán)限提供各自不同的接口和服務(wù)；高級(jí)訪問層位于電力云的頂層，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)各種應(yīng)用軟件的運(yùn)行提供開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)[17]。

3.4 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)技術(shù)

智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)技術(shù)包括可視化技術(shù)、空間信息流展示技術(shù)、歷史信息流展現(xiàn)技術(shù)等，具體是指變電站三維展示與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、電網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視技術(shù)、互動(dòng)屏幕與互動(dòng)地圖技術(shù)等。由于智能電網(wǎng)中各個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)集中包含有多種時(shí)變數(shù)據(jù)、多變量數(shù)據(jù)和高精度分辨率數(shù)據(jù)等等，即便一個(gè)普通的數(shù)據(jù)集就能達(dá)到TB數(shù)量級(jí)。因此，面對(duì)海量的智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)，如何從中快速而有效地提取用戶有用的信息，如何以直觀形象的、易于理解的方式通過有限的屏幕展現(xiàn)給用戶則是智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)技術(shù)提高了電力數(shù)據(jù)的直觀性和可視性并且能夠幫助管理人員更加直觀、準(zhǔn)確地了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)重要組成部分。變電站三維展示技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠針對(duì)智能變電站智能化過程中的服務(wù)要求和信息架構(gòu)將變電站的各類數(shù)據(jù)和相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)一體化三維展示[18]。三維虛擬變電站數(shù)字可視化管理與監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)采用三層結(jié)構(gòu)以及包括兩個(gè)組成部分，如圖9所示。

①變電站三維可視化展示平臺(tái)

該展示平臺(tái)將三維虛擬和數(shù)字可視化技術(shù)與變電站現(xiàn)行系統(tǒng)(包括：PMIS系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)/SCADA系統(tǒng)、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等)集成起來，從而實(shí)現(xiàn)變電站三維虛擬模型的一體化展示。

②應(yīng)用服務(wù)集成接口

該集成接口通過部署在變電站三維可視化展示平臺(tái)的客戶端以及變電站各種現(xiàn)行系統(tǒng)之間的應(yīng)用服務(wù)器將三維虛擬變電站中需要一體化展示的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行信息集成。

圖9 三維虛擬變電站可視化管理與監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

4 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用演進(jìn)

電網(wǎng)的發(fā)展必將經(jīng)歷由傳統(tǒng)電網(wǎng)到智能電網(wǎng)再到能源互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)化過程。這三者之間具有代際傳承的特點(diǎn)，分別代表各自時(shí)代背景下電網(wǎng)發(fā)展到不同階段的產(chǎn)物。大數(shù)據(jù)技術(shù)作為從傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)過渡的智能電網(wǎng)的核心技術(shù)則必將成為目前電力技術(shù)發(fā)展的方向。本文提出智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用演進(jìn)路徑，從電網(wǎng)發(fā)展方向、技術(shù)發(fā)展方向和應(yīng)用發(fā)展方向3個(gè)方面對(duì)其發(fā)展和演進(jìn)進(jìn)行梳理，如圖10所示。

圖10 智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用演進(jìn)路徑

智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用涵蓋了電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，其價(jià)值在于依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)挖掘并分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和規(guī)律，從而優(yōu)化了電力資源的配置以及提高了電力企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)效率。本文通過智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)3個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步闡述大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，為智能電網(wǎng)的建設(shè)起到示范性的作用。

4.1 風(fēng)電場(chǎng)智能停機(jī)優(yōu)化

風(fēng)機(jī)停機(jī)計(jì)劃管理是風(fēng)電場(chǎng)日常運(yùn)營(yíng)的核心工作之一，其直接關(guān)系到風(fēng)電場(chǎng)的電力生產(chǎn)任務(wù)和安全生產(chǎn)工作?，F(xiàn)行的風(fēng)機(jī)停機(jī)計(jì)劃主要是由風(fēng)電場(chǎng)的工作人員通過手工方式進(jìn)行編制。然而由于風(fēng)電場(chǎng)的電力生產(chǎn)任務(wù)繁重和工作人員數(shù)量有限，同時(shí)還由于風(fēng)機(jī)停機(jī)計(jì)劃的編制專業(yè)性非常強(qiáng)，需要考慮多種不確定性因素和復(fù)雜的約束條件，因此使得風(fēng)機(jī)停機(jī)計(jì)劃的編制工作面臨著巨大的挑戰(zhàn)[19]。

IBM基于高精度的中小尺度天氣預(yù)報(bào)以及優(yōu)化的分析模型和算法，通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)停機(jī)需求的調(diào)研與評(píng)估并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、安全性以及不同停機(jī)任務(wù)等特點(diǎn)，提出了風(fēng)電場(chǎng)智能停機(jī)優(yōu)化管理解決方案以實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)人員編排的計(jì)劃進(jìn)行重新優(yōu)化,如圖11所示。

圖11 風(fēng)電場(chǎng)智能停機(jī)優(yōu)化管理解決方案

風(fēng)電場(chǎng)智能停機(jī)優(yōu)化管理解決方案可以針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)每一臺(tái)風(fēng)機(jī)的停啟計(jì)劃時(shí)間進(jìn)行精細(xì)化管理，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)小風(fēng)優(yōu)化、限風(fēng)優(yōu)化、故障預(yù)警、安全預(yù)警、工作路徑優(yōu)化以及集中優(yōu)化等功能。

4.2 風(fēng)光一體化發(fā)電功率預(yù)測(cè)

由于風(fēng)光發(fā)電具有不可控性、間歇性等特點(diǎn)，同時(shí)又容易受到多種因素的影響，因此當(dāng)前新能源領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一就是對(duì)風(fēng)力、光伏發(fā)電的高精確度預(yù)測(cè)。然而如何提高其預(yù)測(cè)精確度、減少風(fēng)光發(fā)電的不可控性仍然是當(dāng)前新能源發(fā)電領(lǐng)域所面臨的重要挑戰(zhàn)之一[19]。

通過采用基于功率預(yù)測(cè)模型庫(kù)和高精度天氣預(yù)測(cè)模型的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，同時(shí)綜合考慮風(fēng)機(jī)起停、檢修與風(fēng)機(jī)尾流的影響，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來特定氣象以及云層對(duì)通光量影響的預(yù)測(cè)，并將得到的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)時(shí)測(cè)風(fēng)、測(cè)光信息進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而自適應(yīng)地調(diào)整模型參數(shù)、同步優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，最終提高預(yù)測(cè)精度。風(fēng)光一體化發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型框架，如圖12所示。

圖12 風(fēng)光一體化發(fā)電功率預(yù)測(cè)模型框架

4.3 風(fēng)電場(chǎng)微觀選址

風(fēng)電場(chǎng)微觀選址，即風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)位的選址與布局，直接影響到風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電資源的利用效率，這是風(fēng)電企業(yè)開發(fā)風(fēng)電場(chǎng)需要考慮的最重要的因素之一?，F(xiàn)行風(fēng)電場(chǎng)微觀選址方法，由于模型過于理想化，以單點(diǎn)繁衍全場(chǎng)，同時(shí)又限于計(jì)算條件和有限的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)而無法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所在的微觀區(qū)域的風(fēng)資源做長(zhǎng)期、全面、精細(xì)的分析，從而導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)選址和布局不合理，最終使得風(fēng)機(jī)出力時(shí)間減少、維修維護(hù)成本增加、發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益降低。

面對(duì)風(fēng)電企業(yè)在風(fēng)電微觀選址方面所面臨的困難，IBM提出了一套風(fēng)電場(chǎng)智能微觀選址解決方案，如圖13所示。

圖13 風(fēng)電場(chǎng)微觀選址解決方案

該解決方案在高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)上，綜合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和地形地貌，對(duì)所構(gòu)建模型的參數(shù)給出最優(yōu)化設(shè)定，將風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備區(qū)域和整個(gè)大氣耦合在一起，提高了模型的精確度和可靠性，從而解決了風(fēng)機(jī)維護(hù)成本最小化和風(fēng)資源捕捉利用最大化的問題。

5 結(jié)束語

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為智能電網(wǎng)中的核心資源，大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)于建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有著重要的戰(zhàn)略意義。本文嘗試性地提出了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架及其應(yīng)用演進(jìn)路徑，同時(shí)闡述了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)核心技術(shù)的內(nèi)容以及具體的應(yīng)用場(chǎng)景，希望能夠在理論上豐富和拓展智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)理論，為我國(guó)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)、自愈的智能電網(wǎng)提供必要的實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)于大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，尚處于摸索階段，需要繼續(xù)進(jìn)行更加深入的探索和研究，同時(shí)也希望各領(lǐng)域的研究者能夠達(dá)成共識(shí)、共同努力，從而推動(dòng)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速、健康發(fā)展。

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[16]王利賽，楊明玉，孫月琴,等.電力云研究綜述[J].電力信息化，2011,9(5):20-23.

[17]楊旭昕，劉俊勇，季宏亮,等.電力系統(tǒng)云計(jì)算初探[J].四川電力技術(shù)，2010，33(3):71-76.

[18]王先兵，張學(xué)東，何濤等.三維虛擬變電站數(shù)字可視化管理與監(jiān)控系統(tǒng)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44(6):786-791.

[19]IBM.IBM智慧電力解決方案(電網(wǎng)部分)[EB/OL].(2014-09-20).http://www.ibm.com/samarterplanet/cn/zh/smart_grid/ideas/index.html.

(責(zé)任編輯：楊秋霞)

Research on Big Data Analysis Platform for Smart Grid and Its Application Evolution

SUN Hongfei1,2, GONG Lidong1, ZHANG Haitao2, WU Huijuan1

(1.School of Economics and Management, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China;2.School of Management,Jilin University, Changchun 130022, China)

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步提升，掌握大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)建設(shè)智能電網(wǎng)具有重要意義。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)及大數(shù)據(jù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，闡述了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特征，并且結(jié)合國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的研究成果，提出了具有通用性的智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析框架，并且分別從智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)展現(xiàn)技術(shù)4個(gè)方面深入探討了其核心技術(shù)的內(nèi)容。最后，本文提出了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用演進(jìn)路徑，并且通過三個(gè)具體應(yīng)用場(chǎng)景，闡述了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

智能電網(wǎng)；電力大數(shù)據(jù)；分析框架；核心技術(shù)；應(yīng)用演進(jìn)

With the rapid development of smart grid, big data techniques in the smart grid has been further improved, whose application will contribute to the establishment of smart grid. Based on the domestic and foreign research status of big data in smart grid, its characteristics is introduced in this paper, and a universal analysis framework is proposed by combining with the research results of smart grid. Then core content of big data in smart grid are discussed in such four aspects as analyzing techniques, management techniques, processing techniques and visualization techniques of big data. In the end, the roadmap of application evolution for big data in smart grid is presented, and the application of big data in smart grid is demonstrated from three specific application scenarios.

smart grid; power big data; analysis platform; core technique; application evolution

1007-2322(2016)06-0064-10

A

TM76

教育部人文社科規(guī)劃項(xiàng)目(15YJC870024)；東北電力大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BSJXM-201420)；東北電力大學(xué)“十二五”科研提升工程資助計(jì)劃項(xiàng)目——軟科學(xué)及人文社會(huì)科學(xué)專項(xiàng)資助計(jì)劃項(xiàng)目(TSSK-201405)

2015-12-01

孫鴻飛(1974—)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔①Y源管理、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析,E-mail:sunny_bird@126.com;

弓麗棟(1991—)，男，碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏夹g(shù)經(jīng)濟(jì)與管理、智能電網(wǎng);

張海濤(1966—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔①Y源管理;

武慧娟(1979—)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔①Y源管理、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析。