董中凱，吳蘭旭

(遠光軟件股份有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景下，隨著大規(guī)模光伏、風電、潮汐電站、各類儲能系統(tǒng)(電化學儲能)、電動汽車、大功率充放電設(shè)施的出現(xiàn)和應用，供用電各領(lǐng)域都面臨能源互聯(lián)網(wǎng)點對點服務(wù)帶來電能質(zhì)量擾動來源多樣、關(guān)聯(lián)復雜化等新問題[1]。同時，伴隨電力體制改革的深入，國內(nèi)出現(xiàn)了多家售電公司，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)相繼成立多家綜合能源服務(wù)公司，直接改變了電力交易市場主體，過去供電公司與用戶的傳統(tǒng)單一供用關(guān)系徹底發(fā)生改變，靈活交易已經(jīng)成為趨勢[2-4]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)的新常態(tài)下，面臨電能質(zhì)量數(shù)據(jù)多元化、服務(wù)需求多樣化等需求。建立一套數(shù)據(jù)采集設(shè)備靈活多樣、邊緣計算常規(guī)化、開放兼容的電能質(zhì)量信息系統(tǒng)是未來的方向[5]。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的深度挖掘、擴展應用、多系統(tǒng)兼容、開放共享及基于大數(shù)據(jù)和云計算的架構(gòu)是未來電能質(zhì)量系統(tǒng)和服務(wù)體系的發(fā)展趨勢[6]。

本文提出一種基于綜合能源業(yè)務(wù)的電能質(zhì)量服務(wù)體系，詳細描述服務(wù)體系架構(gòu)及服務(wù)流程，并對服務(wù)體系進行詳細介紹。整個體系基于綜合能源業(yè)務(wù)開展，除滿足傳統(tǒng)電能質(zhì)量信息系統(tǒng)功能外，還可快速處理多元化數(shù)據(jù)，同時可滿足包括綜合能源服務(wù)公司、售電公司、能源終端用戶等不同用戶的監(jiān)測、分析、缺陷治理、節(jié)能建議、大數(shù)據(jù)報告及擴展增值服務(wù)等需要。

1 綜合能源服務(wù)與電能質(zhì)量

1.1 綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)介紹

圖1 綜合能源服務(wù)整體架構(gòu)Fig.1 Overall framework of integrated energy services

綜合能源服務(wù)是指圍繞國家節(jié)能減排等政策，以“節(jié)能、環(huán)保、科學、高效、經(jīng)濟用能”為宗旨，利用綜合能源服務(wù)平臺，從能源管理、能源技術(shù)、能源經(jīng)濟、能源市場多角度為能源用戶、服務(wù)商、中間商、供應商提供綜合性能源服務(wù)。綜合能源服務(wù)平臺基于在物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)。整體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應用層，特點是綜合、互聯(lián)、共享、高效、友好。應用層包含能源交易、能源優(yōu)化、能源運維、能源管理、需求響應、綜合調(diào)度、保險金融、電能質(zhì)量、合同管理等；平臺層可實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析、模型建立與轉(zhuǎn)換、文件分析等；網(wǎng)絡(luò)層可通過虛擬私有專網(wǎng)(viritual private network，VPN)、Zigbee小無線和其他網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)；感知層主要包含采集終端、物聯(lián)終端、本地信息管理系統(tǒng)、邊緣代理及邊緣計算。整體上要求感知層實現(xiàn)各類終端和數(shù)據(jù)共享接入；網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)互聯(lián)傳輸；平臺層利用大數(shù)據(jù)建模深度挖掘、快速檢索和關(guān)聯(lián)分析；應用層提供各種服務(wù)功能，滿足個人、企業(yè)、供應商和政府機構(gòu)用戶的需要。

1.2 電能質(zhì)量監(jiān)測分析

電能質(zhì)量服務(wù)基于綜合能源業(yè)務(wù)，利用綜合能源服務(wù)過程的多渠道采集配電運行信息、電能質(zhì)量信息、故障信息等。文獻[7]提出一種省級電力公司基于IEC61850/61970標準的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)。文獻[8]提出一種用于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的智能信息查詢系統(tǒng)和方法。文獻[9]指出各地電能質(zhì)量系統(tǒng)重復研發(fā)，各自面向服務(wù)對象單一，系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和分析結(jié)果沒有實現(xiàn)共享，不同功能間未實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互等現(xiàn)狀，提出了一種基于云計算軟件服務(wù)(software as a service,SaaS)模式的省級電力公司電能質(zhì)量信息平臺，采用面向服務(wù)的6層架構(gòu)，將新老系統(tǒng)資源以組件的形式有效整合，組成基本服務(wù)，通過對服務(wù)的配置和編排實現(xiàn)了電能質(zhì)量信息的管理業(yè)務(wù)。文獻[10]提出了一種基于云計算和Hadoop結(jié)合的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，從電能質(zhì)量監(jiān)測效果和數(shù)據(jù)處理速度方面都有較大提高和較好的改善。文獻[11]提出基于Hdoop和HBase構(gòu)建的數(shù)據(jù)云平臺，并結(jié)合電能質(zhì)量數(shù)據(jù)本身特性，按監(jiān)測點將數(shù)據(jù)進行集中存儲和列簇組合存儲，有效提高了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的檢索效率。文獻[12]提出了一種運用Naive Bayes分類和基于大數(shù)據(jù)的暫態(tài)電能質(zhì)量評估方法,將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)與配電運行數(shù)據(jù)、用戶公共數(shù)據(jù)等進行匯總和融合,并將評估結(jié)果按嚴重程度分為暫態(tài)正常、短時電壓暫降、短時深度電壓暫降、短時電壓失壓等多種狀態(tài)，提出的基于大數(shù)據(jù)分析的暫態(tài)電能質(zhì)量評估方法,提高了評估準確率和分析查詢速度。

1.3 傳統(tǒng)電能質(zhì)量研究的局限性

傳統(tǒng)電能質(zhì)量服務(wù)體系存在以下誤區(qū)：

1) 封閉型，現(xiàn)有電能質(zhì)量監(jiān)測大多由電力系統(tǒng)主導，信息無法與用戶共享。

2) 系統(tǒng)建設(shè)成本高，電能質(zhì)量監(jiān)測信息來源主要依賴于電能質(zhì)量監(jiān)測儀、電壓監(jiān)測儀、故障錄波儀等價格昂貴設(shè)備。

3) 缺少增值服務(wù)，基于高精度數(shù)據(jù)分析，缺乏數(shù)據(jù)多維度應用，缺乏對常規(guī)用戶電能質(zhì)量服務(wù)研究。

4) 針對對象單一，電能質(zhì)量系統(tǒng)主要用于電力系統(tǒng)內(nèi)部，社會公眾和被監(jiān)測對象均無法獲取電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，事故鑒定時，需要在責任分界點兩側(cè)加裝電能質(zhì)量設(shè)備。

1.4 能源互聯(lián)網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求

考慮能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，電力交易主體被改變，傳統(tǒng)的供用戶單一關(guān)系變?yōu)辄c對點多面交易，電能質(zhì)量服務(wù)多元化發(fā)展，電能質(zhì)量分析有如下幾個難點：

1) 數(shù)據(jù)異構(gòu)嚴重。在服務(wù)體系中，除傳統(tǒng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)外，應考慮配電運行、事件數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)等給電能質(zhì)量帶來的影響。

2) 擾動復雜。傳統(tǒng)電網(wǎng)單一的供用電關(guān)系下，大電網(wǎng)具備一定的自愈、凈化能力，在新形勢下，分布式能源、儲能系統(tǒng)、電動汽車的大量接入，以及點對點直接交易和服務(wù)，使得擾動必將更加復雜。

3) 品質(zhì)精細。能源互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)，對電力依賴進一步加大，自動化生產(chǎn)線依賴于數(shù)字信息，數(shù)字信息對電磁干擾極為敏感。例如，電壓波動對傳統(tǒng)的電動化負載沒有影響，但是可能會影響電子控制系統(tǒng)的正常工作，導致掉電或跳閘，從而造成經(jīng)濟損失。

2 綜合能源業(yè)務(wù)的電能質(zhì)量服務(wù)體系設(shè)計

2.1 電能質(zhì)量服務(wù)體系架構(gòu)

圖2 電能質(zhì)量服務(wù)體系架構(gòu)Fig.2 Power quality service architecture

結(jié)合邊緣計算、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，基于綜合能源業(yè)務(wù)電能質(zhì)量服務(wù)體系架構(gòu)如圖2所示?；A(chǔ)設(shè)施服務(wù)(infrastructure as a service,IaaS)層主要功能包含所有數(shù)據(jù)采集、咨詢服務(wù)、管理服務(wù)、運維服務(wù)等，數(shù)據(jù)采集包括借助用電信息采集渠道實現(xiàn)基本電能質(zhì)量信息采集，借助專業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測儀完成全指標電能質(zhì)量信息采集，采集過程中通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(data transfer unit，DTU)完成邊緣代理和計算，同時通過軟件集成IEC61850、IEC103、modbus以及第三方電能質(zhì)量系統(tǒng)規(guī)約等，實現(xiàn)電能質(zhì)量信息采集和接入。平臺服務(wù)(plat-form as a service,PaaS)層主要通過大數(shù)據(jù)存儲、處理、分析和深度挖掘，實現(xiàn)常規(guī)電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)指標的多維關(guān)聯(lián)分析、暫態(tài)事件的擾動識別、背景諧波分析、故障告警統(tǒng)計、事件順序記錄(sequence of event，SOE)分析等。為治理決策和綜合解決方案提供全方位數(shù)據(jù)服務(wù)和支撐。SaaS層面向綜合能源服務(wù)目標提供多方位的電能質(zhì)量服務(wù)，如電能質(zhì)量設(shè)備交易、電能質(zhì)量治理設(shè)備及核心技術(shù)融資研發(fā)、設(shè)備運維參保、電能質(zhì)量治理決策支撐、基于電能質(zhì)量技術(shù)的節(jié)能改造和優(yōu)化運行方案等。

2.2 電能質(zhì)量服務(wù)數(shù)據(jù)中臺設(shè)計

通過全域電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、配電信息采集、分布式能源信息采集及氣象、地理數(shù)據(jù)的采集等，建立內(nèi)部電能質(zhì)量標準規(guī)范和架構(gòu)，將原始電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行深度連接和萃取，統(tǒng)一對數(shù)據(jù)進行管理。如圖3所示，以綜合能源服務(wù)的企業(yè)用戶、能源公司、能源用戶、售電公司、其他用戶等為業(yè)務(wù)對象，通過建立電能質(zhì)量服務(wù)元數(shù)據(jù)中心和大數(shù)據(jù)服務(wù)策略，面向綜合能源電能質(zhì)量業(yè)務(wù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口與數(shù)據(jù)檢索邏輯，向前臺用戶隱藏各種不同數(shù)據(jù)來源和實際的物理數(shù)據(jù)表，以黑盒子方式靈活推出滿足前臺不同業(yè)務(wù)需求的衍生產(chǎn)品，從而達到構(gòu)建電能質(zhì)量數(shù)據(jù)中臺的目的。

圖3 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)中臺Fig.3 Power quality data station

從分析決策的需求出發(fā)，采用星形維度建模構(gòu)建微網(wǎng)、虛擬電廠(virtual power plants，VPP)、儲能、園區(qū)、指標、事件等模型，結(jié)合維度表和事實表，快速完成用戶的靈活需求分析和大規(guī)模復雜查詢。如某年某月某日，系統(tǒng)監(jiān)測到某園區(qū)發(fā)生一起短時電壓中斷事件，可通過提取地點維度(園區(qū))、時間維度(日期、短時)、事件維度(電壓中斷)，結(jié)合事實表(短時、電壓終端、具體時間)和運行策略以及儲能、微網(wǎng)等模型進行復雜查詢和關(guān)聯(lián)性分析，能快速得出電能質(zhì)量結(jié)論：用戶選擇了儲能優(yōu)先出力帶非敏感負荷策略，功率不足時進行電源切換，采用的是非零秒切換方案，導致短時電壓中斷，非敏感負荷可接受短時停電，未造成其他經(jīng)濟損失。

結(jié)合綜合能源實際業(yè)務(wù)，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)中臺融合新能源發(fā)電、儲能控制和充電站(樁)等可控負荷接入，為后續(xù)VPP運行和能源路由的實現(xiàn)提供了理論支撐和數(shù)據(jù)分析保障。

2.3 電能質(zhì)量服務(wù)流程

電能質(zhì)量服務(wù)體系貫穿于整個綜合能源業(yè)務(wù)，是一個連續(xù)性、多角度、多維度閉環(huán)的服務(wù)體系，如圖4所示?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)指標異常和電能質(zhì)量癥狀，然后進行指標分析和大數(shù)據(jù)挖掘，形成解決方案和治理決策支持，通過設(shè)備保險和金融融資完成設(shè)備研發(fā)、選型，并實現(xiàn)在線交易；最后進行現(xiàn)場的安裝、調(diào)試、運維服務(wù)，通過設(shè)備運維和客戶關(guān)系維持能夠繼續(xù)監(jiān)測指標異常，從而實現(xiàn)閉環(huán)的電能質(zhì)量服務(wù)體系。

圖4 電能質(zhì)量服務(wù)流程Fig.4 Power quality service flow

服務(wù)過程中，大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)會自動識別不同類型用戶，提取用戶針對電能質(zhì)量指標分析偏向，判斷是深度優(yōu)先還是服務(wù)優(yōu)先，如：敏感負荷類型企業(yè)，對暫態(tài)、瞬態(tài)有要求，會自動啟動暫態(tài)錄波并進行擾動識別分析；對于普通居民用戶，自動統(tǒng)計停電時長、停電次數(shù)、跳閘次數(shù)并進行統(tǒng)計分析，給出用電改善建議和節(jié)能服務(wù)策略服務(wù)。

在提供設(shè)備運維和監(jiān)測服務(wù)過程中，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)維度和異常電能質(zhì)量指標統(tǒng)計結(jié)果，不定期為客戶提供預警增值服務(wù)(包括APP推送和短信通知)，提示用戶即時調(diào)整用電方式或主動消除電能質(zhì)量缺陷，避免給用戶造成實在的停機故障或經(jīng)濟損失。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 基于VPP的電能質(zhì)量服務(wù)

綜合能源服務(wù)貫穿于能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)-荷-源-儲整個互動體系，VPP是實現(xiàn)綜合能源服務(wù)和能源互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一。如圖5所示，基于VPP的電能質(zhì)量模型是指將配電網(wǎng)中各種儲能、光伏、風電、可調(diào)負荷、充電站等通過微電網(wǎng)控制、保護控制及VPP技術(shù)融合，組成一個特別跨地域和類型的虛擬機構(gòu)參與的大電網(wǎng)運行，能大幅度提高智能電網(wǎng)對分布式能源消納能力，并緩解分布式能源單獨組成微電網(wǎng)并網(wǎng)造成的沖擊和干擾,充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的雙邊效益[13]。

圖5 基于VPP的電能質(zhì)量模型 Fig.5 Power quality model based on VPP

VPP區(qū)別于微電網(wǎng)的“自治”，強調(diào)于“參與”，參與的分散安裝的清潔能源、可控負荷及既是電源也是負荷的儲能系統(tǒng)，都對電能質(zhì)量有著自身要求，比如：負荷對供電電壓的連續(xù)性、穩(wěn)定性和頻率偏差都有要求；儲能系統(tǒng)對頻率、電壓、電流都有要求；清潔能源的出力必須要對頻率、相位、相角、電壓加以嚴格限制，否則也會出現(xiàn)內(nèi)部電能質(zhì)量事故。

電能質(zhì)量是側(cè)面反應VPP價值和作用的指標，同時也是VPP參與調(diào)度與交易的基礎(chǔ)保證。基于VPP的電能質(zhì)量服務(wù)模型，將光伏、風電、車充、可控容性負荷(容性、感性)等分別建模，結(jié)合大數(shù)據(jù)、高級智能儀表、能量管理技術(shù)，實現(xiàn)電壓、電流、功率等實時信息在發(fā)電端和用戶之間快速傳遞，為電網(wǎng)運行、調(diào)度和規(guī)劃提供大量準確信息和決策支持，主要體現(xiàn)為以下幾點：

1) 數(shù)據(jù)服務(wù)。實時采集電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行邊緣計算流程，為不同用戶提供電能質(zhì)量數(shù)據(jù)服務(wù)。

2) 決策服務(wù)。實時監(jiān)控VPP范圍內(nèi)所有節(jié)點、線路、設(shè)備上的所有電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合先進的實時大數(shù)據(jù)優(yōu)化和云計算服務(wù)，提供運行決策支持輔助服務(wù)。

3) 預測服務(wù)。結(jié)合VPP模型和實時數(shù)據(jù)進行多維電能質(zhì)量分析，快速仿真，實現(xiàn)安全風險評估、自愈能力評估及故障預測、故障定位、擾動識別等。

3.2 基于能源路由的電能質(zhì)量服務(wù)

能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)體系中實現(xiàn)多能源路由的關(guān)鍵部分，主要承擔能源的輸入、輸出、轉(zhuǎn)換、存儲載體功能，實現(xiàn)不同形式能源的生產(chǎn)與消費環(huán)節(jié)的貫通和融合，同時承擔著能源質(zhì)量的監(jiān)控和調(diào)節(jié)[13-15]。由圖6所示基于能源路由的電能質(zhì)量模型可見，電力能源路由器系統(tǒng)主要由控制模塊、聯(lián)動逆變、雙向逆變、通訊模塊、儲能模塊構(gòu)成，主要有如下幾項電能質(zhì)量服務(wù)功能[16-17]：

圖6 基于能源路由的電能質(zhì)量模型 Fig.6 Power quality model based on energy routing

1) 輸入監(jiān)控與電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。通過實時監(jiān)視各輸入的電壓、頻率波形及諧波和諧波總畸變率，滿足要求的通過路由器直接路由至下一級，否則通過儲能系統(tǒng)或通過過脈沖信號和通訊通知上一級進行調(diào)節(jié)。

2) 輸出路由與電能質(zhì)量控制服務(wù)。實時分析輸出波形、頻率、電壓，結(jié)合外部多級電能質(zhì)量需求，實時調(diào)節(jié)輸出，提高和保證供電和用電的電能質(zhì)量可靠性，從而實現(xiàn)各系統(tǒng)的廣域互聯(lián)和優(yōu)化調(diào)度。

3.3 基于能源金融的電能質(zhì)量服務(wù)

能源金融是指將金融資源介入到能源的生產(chǎn)、傳輸、銷售、使用等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)能源產(chǎn)業(yè)鏈與金融產(chǎn)業(yè)鏈深度融合和良性互動，促進能源產(chǎn)業(yè)和金融產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展與雙邊共贏?；谀茉唇鹑诘碾娔苜|(zhì)量服務(wù)如圖7所示，利用綜合能源服務(wù)平臺，集合電能質(zhì)量設(shè)備商、軟件開發(fā)商、其他設(shè)備商、保險公司、第三方金融公司、工程服務(wù)公司、用能用戶等，結(jié)合電能質(zhì)量服務(wù)流程，全方位構(gòu)建電能質(zhì)量服務(wù)體系，通過服務(wù)體系實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、技術(shù)咨詢、解決方案、決策支持、設(shè)備選型、軟件選型、保險服務(wù)、金融服務(wù)、預約安裝等在線操作，全方位提供基于能源金融的電能質(zhì)量服務(wù)。

圖7 基于能源金融的電能質(zhì)量模型Fig.7 Power quality model based on energy finance

4 實際的綜合能源服務(wù)平臺電能質(zhì)量服務(wù)

結(jié)合上文的設(shè)計思路，遠光軟件股份有限公司已經(jīng)完成綜合能源服務(wù)平臺的電能質(zhì)量服務(wù)體系規(guī)劃，如圖8所示。完成了多渠道電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、邊緣計算、大數(shù)據(jù)存儲和深度挖掘，實現(xiàn)了電能質(zhì)量服務(wù)模型建立和高級應用。目前，通過企業(yè)、園區(qū)、家庭等多用戶的綜合能源試用接入，為用戶提供了多角度的電能質(zhì)量服務(wù)，例如：不增加投資的情況下為用戶提供基礎(chǔ)電能質(zhì)量分析報告；為企業(yè)用戶自用的儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)提供運行控制電能質(zhì)量分析報告等[18-21]。

圖8 綜合能源服務(wù)平臺的電能質(zhì)量服務(wù)中心Fig.8 Integrated energy service platform-power quality service

5 結(jié)語

1) 基于綜合能源業(yè)務(wù)的電能質(zhì)量服務(wù)體系構(gòu)建，改變傳統(tǒng)電能質(zhì)量服務(wù)于單一主體的局面，能面向所有能源用戶和能源服務(wù)商，從不同角度和不同層面提供各種電能質(zhì)量服務(wù)和產(chǎn)品，實現(xiàn)電能質(zhì)量的信息共享和點對點服務(wù)，符合能源互聯(lián)網(wǎng)和智慧能源發(fā)展規(guī)律。

2) 結(jié)合綜合能源服務(wù)，廣泛借用用電信息采集渠道和其他信息采集渠道，實現(xiàn)了基礎(chǔ)電能質(zhì)量信息的收集，從成本上保證了方案的可實施性，提高了用戶的接受程度。

3) 與綜合能源服務(wù)平臺融合，將傳統(tǒng)單一電能質(zhì)量監(jiān)測-分析-治理概念提升為綜合能源服務(wù)產(chǎn)品，提高了不同用戶和公眾對電能質(zhì)量的關(guān)注度，對電能質(zhì)量本身起到了一定的推廣和普及作用。