丁騰波，劉宏波，吳聘

智慧能源體系信息通信技術(shù)構(gòu)架及實施方案

丁騰波，劉宏波，吳聘

（中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江省 杭州市 310012）

基于社會經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護需求、產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)等多方因素，智慧能源將為傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)帶來新一輪的巨變。現(xiàn)代信息通信技術(shù)(information communications technology，ICT)的飛速發(fā)展，為傳統(tǒng)能源向智慧能源轉(zhuǎn)型升級提供了強有力的技術(shù)支撐。整個智慧能源體系將以創(chuàng)新型的場景需求為導(dǎo)向，以跨界科技力量的深度加持為支撐，驅(qū)動整個能源及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)性升級。結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)、移動通信、人工智能、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)，賦能傳統(tǒng)能源體系，提出一種適用于智慧能源應(yīng)用場景下的能源體系ICT構(gòu)架，貫通能源體系的底層至頂層，實現(xiàn)智慧能源體系能量流、信息流和價值流的全面融合。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)；人工智能；智慧能源；區(qū)塊鏈; 信息通信技術(shù)(ICT)；云計算；大數(shù)據(jù)

0 引言

我國目前處于發(fā)展智慧能源的重要戰(zhàn)略機遇期，根本訴求是經(jīng)濟發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變迫切需要能源發(fā)展方式的升級，而后者的核心是將能源供給、儲運和消費作為一個雙向溝通的系統(tǒng)來看待，智慧能源則是推動能源體系優(yōu)化演進的核心手段[1-2]。

本文從智慧能源體系的發(fā)展訴求切入，分析現(xiàn)有能源體系信息通信技術(shù)(information communications technology，ICT)構(gòu)架的特點，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)，構(gòu)建智慧能源供能體系的框架模型，并依據(jù)新技術(shù)演進路徑，提出完整的智慧能源ICT系統(tǒng)構(gòu)架及實施方案，適應(yīng)當(dāng)下的業(yè)務(wù)發(fā)展訴求，并具備靈活的彈性系統(tǒng)架構(gòu)。

1 智慧能源體系現(xiàn)狀

1.1 變革的“驅(qū)動”

智慧能源體系將以創(chuàng)新型的場景需求為導(dǎo)向，以跨界科技力量的深度加持為支撐，驅(qū)動整個能源及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)性升級，即技術(shù)服務(wù)于場景，場景來源于需求。

伴隨著人工智能(artificial intelligence，AI)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科技的爆發(fā)式發(fā)展，未來能源將在技術(shù)和模式2個維度并行發(fā)展。技術(shù)層面更為注重傳統(tǒng)能源和現(xiàn)代ICT技術(shù)的跨界融合，模式層面更為注重體制內(nèi)資源和民間資本的深度合作，并以此衍生出新的業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用場景，催化新的能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)形成[3-4]。

以目前的技術(shù)手段而言，電力依舊是整個能源體系的核心，也是整個能源產(chǎn)業(yè)鏈的中心環(huán)節(jié)，但是隨著社會、經(jīng)濟、環(huán)境以及技術(shù)的不斷演進，能源網(wǎng)絡(luò)的功能發(fā)生了改變，不同于以往的輸配電物理可靠安全承載功能，智慧能源提出的要求是多種能源的資源優(yōu)化配置，整個能源系統(tǒng)的高效經(jīng)濟性運行以及構(gòu)建于網(wǎng)架之上的各類商業(yè)應(yīng)用，如多個經(jīng)濟主體下更為靈活有效的能源市場運營等。

1.2 驅(qū)動的“引擎”

智慧能源的發(fā)展得益于各類基礎(chǔ)和跨界技術(shù)的突破，諸如固態(tài)變壓器、能量路由器、微網(wǎng)、儲能之類的基礎(chǔ)技術(shù)，也有分布式能量管理、柔性能源協(xié)調(diào)控制之類的后臺應(yīng)用類技術(shù)，還有諸如云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)之類的跨界類技術(shù)。整個智慧能源體系的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸在于3個層面：底層是一二次設(shè)備的真正融合；中層是電力通信網(wǎng)絡(luò)的“價值開發(fā)”；頂層是后臺應(yīng)用的多元化、價值增值及變現(xiàn)。

1.3 技術(shù)的“選擇”

以區(qū)塊鏈、信息物理系統(tǒng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為基礎(chǔ)所衍生出的智慧能源解決方案，應(yīng)用場景類似，但側(cè)重點和解決問題的方式存在差異，可根據(jù)技術(shù)的成熟度組合實施。單一的新技術(shù)都不是實現(xiàn)智慧能源的充分必要條件，但代表了目前技術(shù)可及的發(fā)展方向，也是該類項目落地的關(guān)鍵支撐[5]。

2 智慧能源體系核心訴求

基于全球能源轉(zhuǎn)型的大背景，智慧能源、智能電網(wǎng)、智慧電力等概念層出不窮，定義雖有不同，但其轉(zhuǎn)變是容易達成共識的。傳統(tǒng)的火電作為電源基荷的比例逐步下降，取而代之的是持續(xù)增長的可再生能源供能比例；諸如風(fēng)能、太陽能等可再生能源的接入改變以往集中式的能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，取而代之的是更為靈活的分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲，側(cè)重區(qū)域性的能源優(yōu)化及分布式能源的協(xié)調(diào)控制；基于能源供給及傳輸側(cè)的能源發(fā)展思路將逐步轉(zhuǎn)變，取而代之的是基于負荷側(cè)、用戶側(cè)的需求響應(yīng)能力建設(shè)，依靠供求雙方的有效互動提高廣義范疇內(nèi)能源的優(yōu)化配給。

上述轉(zhuǎn)變中的重要基礎(chǔ)是能量流、信息流以及價值流在物理網(wǎng)架和通信網(wǎng)架中的高度融合，信息通信、自動化技術(shù)不僅提供了能量信息流構(gòu)架的基礎(chǔ)性保障，也提供了基于該類構(gòu)架開發(fā)并實現(xiàn)最終價值應(yīng)用的技術(shù)途徑?，F(xiàn)代通信信息技術(shù)的發(fā)展，更是將信息、通信和技術(shù)相互融合成一個新的專業(yè)，即ICT。ICT水平直接決定了智慧能源項目的高度和實際效益。鑒于智慧能源的概念定義、功能訴求和技術(shù)特性，其在實踐過程中對傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)通信、信息、自動化等相關(guān)技術(shù)提出了不同的需求，如圖1所示。

圖1 智慧能源中的ICT訴求

1）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)采用集中式的專用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)全網(wǎng)調(diào)控數(shù)據(jù)的集中式管理、存儲和決策，高額成本、高度冗余、專網(wǎng)分層的網(wǎng)絡(luò)可以有效保障能源系統(tǒng)的安全可靠運行，但其側(cè)重點在能源的生產(chǎn)、儲運和調(diào)控環(huán)節(jié)；智慧能源基于分布式能源的接入，更加側(cè)重在區(qū)域范圍的多種能源有效互補、資源優(yōu)化配置，重點是用戶側(cè)的響應(yīng)和控制，更加貼近用戶側(cè)，強調(diào)效率和效益并兼顧安全，導(dǎo)致智慧能源在進行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計時，采用的是分布式、經(jīng)濟性、混合型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

2）終端節(jié)點。

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)在設(shè)計和建設(shè)電網(wǎng)節(jié)點時，主要側(cè)重于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的骨干節(jié)點，如大中型電廠、骨干樞紐變電站、市級以上調(diào)度機構(gòu)，一是出于保供給思路，二是基于成本考慮。而智慧能源強調(diào)需求側(cè)管理，依靠靈活可控的變配電設(shè)備和線路拓撲來保障供電，依靠精準(zhǔn)的用戶負荷預(yù)測和用能習(xí)慣大數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化運營，更加強調(diào)對大量終端設(shè)備、線路、用戶節(jié)點的測控，同時由于節(jié)點數(shù)量巨大、負荷特性多樣，往往依靠多種技術(shù)手段在經(jīng)濟性和可靠性之間尋求平衡[6]。

3）后臺應(yīng)用。

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)依靠高度集中的分層分區(qū)調(diào)控機制來維持電網(wǎng)的正常運行，信息高度集中于各級調(diào)控后臺，基于后臺的高級應(yīng)用主要服務(wù)于電網(wǎng)各級管理部門，重點是保障安全穩(wěn)定；而智慧能源的應(yīng)用場景一般是區(qū)域性的小型網(wǎng)絡(luò)，可以靈活采用分布式和集中式的混合管理模式，基于后臺的高級應(yīng)用更加注重統(tǒng)一平臺上的多業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)共享。應(yīng)用上更加偏向于用戶側(cè)，尤其是用戶負荷特性分析和預(yù)測，基于故障快速定位和修復(fù)以提高供電質(zhì)量，基于精準(zhǔn)的用戶負荷預(yù)測來獲取電力市場交易中的主動權(quán)[7]。

綜上所述，整個智慧能源體系構(gòu)架的核心在于基礎(chǔ)物理架構(gòu)的搭建，智能終端的部署以及系統(tǒng)后臺的開發(fā)，而系統(tǒng)的ICT構(gòu)架則是為了以更低的成本來高效、快速、彈性地部署相應(yīng)的業(yè)務(wù)。

3 構(gòu)架方案

3.1 設(shè)計目標(biāo)

智慧能源體系的ICT構(gòu)架是為滿足整個供能區(qū)域的綜合運維管理而服務(wù)的，需要綜合應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)能源”技術(shù)，打通綜合能源服務(wù)體系底層至頂層，實現(xiàn)智慧能源體系中能量流、信息流和價值流的全面融合。構(gòu)架服務(wù)于9個能力的體系建設(shè)：針對不同物理網(wǎng)架的“靈活適應(yīng)”能力；針對復(fù)雜多能網(wǎng)絡(luò)的“全景感知”能力；針對分布式能源產(chǎn)銷的“即插即用”能力；針對“源、網(wǎng)、荷、儲”構(gòu)架的“協(xié)調(diào)控制”能力；針對新型場景業(yè)務(wù)的快速“靈活部署”能力；針對算力、存儲等資源的“彈性擴展”能力；針對多方參與的“低成本共識”能力；針對復(fù)雜能源市場環(huán)境下的“跨區(qū)交易結(jié)算”能力；針對高度信息化構(gòu)架的“安全防護”能力。

3.2 建模原則

智慧能源的總體構(gòu)架模型遵循一定的約束前提，即模型構(gòu)架原則。作為智慧能源服務(wù)的底層支撐，采用模塊化、平臺化建設(shè)思路，利用標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)約、接口，實現(xiàn)高級應(yīng)用及業(yè)務(wù)的“即插即用”[8-9]，基于云計算平臺的綜合能源ICT構(gòu)架模型如圖2所示。

主要建模原則如下：

1）應(yīng)用場景貼近用戶側(cè)的終端能源網(wǎng)絡(luò)層面，包含存量和增量。

2）場景不受地域限制，依托互聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代ICT技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，支持分階段、跨區(qū)域建設(shè)。

3）作為綜合能源服務(wù)的底層和應(yīng)用技術(shù)支撐，服務(wù)于風(fēng)、光、柴、氣、油、儲、煤等多種能源形式。

4）構(gòu)架按通用性模塊化設(shè)計，具備良好的分布實施能力和按需靈活擴展能力，即系統(tǒng)構(gòu)架具備良好的彈性。

5）構(gòu)架分為供能基礎(chǔ)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集、云計算平臺、云端功能、業(yè)務(wù)應(yīng)用。

6）通信網(wǎng)絡(luò)基于配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，具備靈活可靠的物聯(lián)網(wǎng)接入能力。

7）數(shù)據(jù)采集的建設(shè)重點是布點采集范圍、數(shù)據(jù)類型品控、應(yīng)用接口等。

8）云平臺為智慧能源服務(wù)的系統(tǒng)平臺，根據(jù)業(yè)務(wù)特性和場景需求構(gòu)建私有+公有的混合云結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)架具備彈性擴展能力。

9）云平臺具備用戶側(cè)的接入和服務(wù)能力，針對不同類型用戶提供按需定制服務(wù)和資源租賃服務(wù)。

10）能源調(diào)控、網(wǎng)架運維、資產(chǎn)管理、營銷服務(wù)等功能分別以PaaS、SaaS的形式遷入云端。

11）區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術(shù)是實現(xiàn)綜合能源的充分但不是必要條件，按模塊化設(shè)計和實施，具備靈活“加減法”能力。

圖2 基于云計算平臺的綜合能源ICT構(gòu)架模型

12）大數(shù)據(jù)應(yīng)用基于云平臺搭建。

智慧能源區(qū)塊鏈的建設(shè)與云平臺的建設(shè)不存在必然關(guān)聯(lián)，適用于區(qū)域內(nèi)的能源、信息、數(shù)字資產(chǎn)的價值轉(zhuǎn)移，其設(shè)計建模原則[8]如下：

1）區(qū)域內(nèi)的能源交互依靠區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)價值轉(zhuǎn)移，遵循扁平化、離散化、分布式的設(shè)計原則，跨區(qū)能源服務(wù)場景部署能源區(qū)塊鏈主鏈，單個區(qū)域部署能源區(qū)塊鏈子鏈。不同區(qū)域間的能源區(qū)塊鏈子鏈根據(jù)通道狀況及功能需求實現(xiàn)與主鏈的靈活互聯(lián)和解列。

2）能源區(qū)塊鏈作為重要的公用服務(wù)基礎(chǔ)資源，將安全性作為首要考慮目標(biāo)，同時考慮智慧能源應(yīng)用場景下的多方主體訴求，以聯(lián)盟鏈形式構(gòu)建，并遵循嚴格的用戶準(zhǔn)入認證機制。

3）鑒于能源網(wǎng)絡(luò)的重資產(chǎn)屬性、能源安全需求以及國家政策要求，單個區(qū)域內(nèi)的能源運營只存在單個服務(wù)運營商。

4）單個區(qū)域內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)支撐體系應(yīng)以自建網(wǎng)絡(luò)為主、公共網(wǎng)絡(luò)為輔，并確保各類數(shù)據(jù)的接入管控安全性，重點確保能源網(wǎng)內(nèi)調(diào)控數(shù)據(jù)的安全存儲及可靠通信。

5）跨區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)支撐體系以公共網(wǎng)絡(luò)為主、自建網(wǎng)絡(luò)為輔，優(yōu)先采用獨立的運營商通道資源租賃。

6）鑒于分布式調(diào)控技術(shù)的成熟程度，暫不考慮跨區(qū)域的分布式調(diào)控，主要應(yīng)用以跨區(qū)能源交易及結(jié)算為主。在單個區(qū)域內(nèi)嘗試驗證分布式調(diào)控技術(shù)及策略。

7）單個區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)包括維持配網(wǎng)運行的調(diào)控實時數(shù)據(jù)和管理非實時數(shù)據(jù)、能源交易數(shù)據(jù)，以及其他區(qū)塊鏈+行業(yè)應(yīng)用的交互數(shù)據(jù)。

8）跨區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)包括跨區(qū)能源交易數(shù)據(jù)以及其他區(qū)塊鏈+行業(yè)應(yīng)用的交互數(shù)據(jù)。

能源區(qū)塊鏈由跨區(qū)域的主鏈和單個區(qū)域內(nèi)的子鏈構(gòu)成。主鏈和子鏈均是由多個參與實體所構(gòu)成的聯(lián)盟鏈，它們是技術(shù)上可完全獨立的側(cè)鏈關(guān)系。主鏈服務(wù)于跨區(qū)身份認證、資產(chǎn)轉(zhuǎn)移、能源交易、數(shù)據(jù)交互，子鏈服務(wù)于單個區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用服務(wù)。完整的能源區(qū)塊鏈主鏈下可以存在多個區(qū)域的不同子鏈，子鏈間數(shù)據(jù)交互經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安防(如防火墻)接入主鏈，由主鏈完成數(shù)據(jù)交互。同時，子鏈和子鏈之間、子鏈和主鏈之間的運行安全性不相互影響，具備靈活的接入和解列功能。能源區(qū)塊鏈與其他行業(yè)區(qū)塊鏈?zhǔn)腔ヂ?lián)鏈的關(guān)系。

綜上所述，智慧能源ICT構(gòu)架平臺依托云計算作為算力支撐搭建，以大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等技術(shù)加以技術(shù)賦能，以能源區(qū)塊鏈技術(shù)為核心完成價值重構(gòu)和轉(zhuǎn)移，能源區(qū)塊鏈的總體設(shè)計模型如圖3所示。

3.3 技術(shù)框架

智慧能源系統(tǒng)具有能源網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的雙層構(gòu)架，前者提供基礎(chǔ)的供能支撐服務(wù)，后者依托現(xiàn)代ICT技術(shù)進行服務(wù)價值的二次發(fā)掘。智慧能源的整體技術(shù)構(gòu)架由4部分組成，分別是物理構(gòu)架層、網(wǎng)絡(luò)信息層、服務(wù)應(yīng)用層和價值效益層。溝通物理構(gòu)架層和網(wǎng)絡(luò)信息層的技術(shù)橋梁是ICT技術(shù)和IoT技術(shù)，溝通網(wǎng)絡(luò)信息層和服務(wù)應(yīng)用層的技術(shù)橋梁是現(xiàn)代調(diào)控自動化技術(shù)以及區(qū)塊鏈之類的新興技術(shù)。整個架構(gòu)自底層向上完成能量、數(shù)據(jù)、價值的聯(lián)動，如圖4所示。

圖3 能源區(qū)塊鏈的總體設(shè)計模型

圖4 綜合能源體系構(gòu)架

1）物理構(gòu)架層。

物理構(gòu)架層由電源、熱源點、變配電設(shè)施、輸電線路、熱力管網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)等組成。物理層能量傳輸網(wǎng)架的規(guī)劃設(shè)計尤為重要。必須根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的實際情況、負荷密度、路徑條件以及政策處理因素等合理規(guī)劃，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上充分考慮事故情況下的故障隔離、負荷轉(zhuǎn)供需求，支持靈活的運行方式切換。

2）網(wǎng)絡(luò)信息層。

網(wǎng)絡(luò)信息層的建設(shè)包含基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和信息支持系統(tǒng)的建設(shè)。對于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)而言，需結(jié)合供能區(qū)域的物理狀況靈活采用星型、樹型、網(wǎng)狀的混合型拓撲結(jié)構(gòu)，按需選擇專線、運營商租賃和公用無線網(wǎng)絡(luò)等多種建設(shè)模式，根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實際數(shù)據(jù)傳輸需求來完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型。

對于信息支持系統(tǒng)而言，重點是物理節(jié)點的智能終端建設(shè)。以電力網(wǎng)絡(luò)為例，建設(shè)內(nèi)容不僅僅包括傳統(tǒng)維持電網(wǎng)運行的二次設(shè)備，如數(shù)據(jù)傳輸裝置、配電開關(guān)監(jiān)控終端以及保護測控裝置，還包含了布置于饋線、終端配變上的各類測控裝置、狀態(tài)傳感器，以及用戶側(cè)的精準(zhǔn)計量裝置。

3）服務(wù)應(yīng)用層。

服務(wù)應(yīng)用層的建設(shè)包括2層含義：“服務(wù)”是實現(xiàn)目標(biāo)，“應(yīng)用”是支撐手段。應(yīng)用層面的建設(shè)并不局限于區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度控制、事故處理、日常運維，重點是對供區(qū)內(nèi)設(shè)備的靈活控制以調(diào)整故障檢修情況下的運行方式，對供區(qū)內(nèi)的負荷精準(zhǔn)預(yù)測以贏得在能源市場(期貨、日前、現(xiàn)貨)交易過程中的先機，對供區(qū)內(nèi)的大數(shù)據(jù)分析以實現(xiàn)供需資源的優(yōu)化配置和能效的最大化，運用基于能源區(qū)塊鏈的新技術(shù)來撮合高效低成本的區(qū)域內(nèi)及跨區(qū)能源交易；服務(wù)層面的建設(shè)則是進一步發(fā)掘用戶終端側(cè)的金融屬性和金融價值，提供更為豐富甚至定制化的服務(wù)，提高多金融主體和參與方的投資收益率，提供更為多樣化的項目融資方案等。

4）價值效益層。

建立智慧能源的最終目的是為智慧城市、園區(qū)產(chǎn)業(yè)及其所衍生包含的配套體系而服務(wù)?；谏鐣б娴慕嵌龋糜谥沃腔鄢鞘兴仨毜闹腔壅?wù)、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧安防、智慧環(huán)保等基礎(chǔ)設(shè)施?；谀茉窗l(fā)展的角度，用于完善能源+互聯(lián)網(wǎng)的雙層構(gòu)架，通過能源供給和需求的深入融合，催化新型的商業(yè)模式，從而帶動整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展。

3.4 技術(shù)路徑

智慧能源ICT構(gòu)架的具象形態(tài)是綜合能源協(xié)控管理平臺，構(gòu)架是平臺的核心，平臺是構(gòu)架的表現(xiàn)形式。不論是構(gòu)架還是平臺，都是伴隨著技術(shù)的發(fā)展成熟度以及業(yè)務(wù)訴求的變化而靈活調(diào)整的?，F(xiàn)代ICT技術(shù)之間存在較強的耦合關(guān)聯(lián)度，互為支撐。云計算和邊緣計算是相輔相成的，邊緣計算是云計算的演進方向；大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、NB-IoT是密切關(guān)聯(lián)的，大數(shù)據(jù)是應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)據(jù)支撐，5G和NB-IoT是通信保障，缺一不可。區(qū)塊鏈和人工智能相對而言比較獨立，可單獨部署。

系統(tǒng)性的構(gòu)架依賴于新興技術(shù)的成熟度，既要考慮遠景業(yè)務(wù)的擴展需求，又要兼顧當(dāng)下項目落地的可操作性，因此構(gòu)架的建設(shè)是一個漫長且不斷演進的過程。根據(jù)綜合能源體系的發(fā)展訴求，提出系統(tǒng)構(gòu)架的整體演進策略，具體如下：

1）基于人工智能的成熟度，運維模式由少人化向無人化演進；

2）基于柔性直流技術(shù)的成熟度，能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由交流為主向交直流混聯(lián)的結(jié)構(gòu)發(fā)展；

3）基于云計算和邊緣計算的成熟度，系統(tǒng)建設(shè)模式由中心化向云端化演進，最終向分布式 演進；

4）基于物聯(lián)網(wǎng)和下一代移動通信技術(shù)的成熟度，調(diào)控模式由專線向?qū)?無線演進，最終向無線演進；

5）基于大數(shù)據(jù)的成熟度，應(yīng)用模式由單一化向多元化演進；

6）基于BaaS的成熟度，交易模式由依托高成本的第三方共識到低成本的多方共識機制演進；

7）基于上述技術(shù)的成熟度，服務(wù)模式由供能服務(wù)為主向數(shù)據(jù)服務(wù)商演進，最終向智慧城市綜合服務(wù)商演進。

3.5 業(yè)務(wù)模型

智慧能源需要考慮能源技術(shù)創(chuàng)新、系統(tǒng)形態(tài)升級、能源體制變革的多重影響。智慧能源的服務(wù)定義為面向能源系統(tǒng)終端，以滿足客戶需求為導(dǎo)向，通過多種能源品種組合和系統(tǒng)集成、能源技術(shù)和商業(yè)模式創(chuàng)新等方式，使客戶收益或滿足感得到提升。

體系目標(biāo)立足于智慧能源服務(wù)的提供商，首先是區(qū)域內(nèi)智慧能源體系的規(guī)劃搭建、能源網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度運維、智慧能源的服務(wù)供給、供能優(yōu)化的整體方案提供商等，其次是區(qū)域內(nèi)IT資源、網(wǎng)絡(luò)資源、數(shù)據(jù)資源、計算資源等上層應(yīng)用的運營商，最后是區(qū)域內(nèi)能源類相關(guān)金融方案和產(chǎn)品的服務(wù)商。因此，在進行企業(yè)級ICT構(gòu)架時，充分考慮遠景服務(wù)需求，要求系統(tǒng)具備良好的擴展性和延伸性。針對具體項目進行規(guī)劃時，首先確定其角色定位，根據(jù)其服務(wù)或開展業(yè)務(wù)的需求，來定制企業(yè)的ICT構(gòu)架。立足智慧能源服務(wù)的供應(yīng)商，要開展輻射區(qū)域內(nèi)的多種屬性衍生服務(wù)[10-12]。綜合能源業(yè)務(wù)需求模塊如圖5所示。

圖5 綜合能源業(yè)務(wù)需求板塊

4 構(gòu)架實施

4.1 后臺方案

現(xiàn)階段將所有業(yè)務(wù)部署在“云端”尚存在一定的技術(shù)性風(fēng)險，基于安全性考量，先將綜合能源協(xié)控業(yè)務(wù)中的實時核心業(yè)務(wù)部署在獨立主站系統(tǒng)，待“綜合能源云”部署完畢后，逐步將主站端業(yè)務(wù)遷移到“云端”，并將現(xiàn)有主站作為協(xié)控平臺的本地?zé)醾湎到y(tǒng)運行。系統(tǒng)主站僅服務(wù)于供能區(qū)域的控制區(qū)業(yè)務(wù)(實時性核心業(yè)務(wù))，非實時的生產(chǎn)管理類等業(yè)務(wù)直接上云，因此主站系統(tǒng)分為控制區(qū)、非控制區(qū)和管理區(qū)3部分[13]。

基于不同通信方式的智能終端、智能表計、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等設(shè)備均經(jīng)過前置安全隔離區(qū)域接入控制區(qū)。綜合能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)控及計量計費相關(guān)的應(yīng)用均部署在控制區(qū)，經(jīng)橫向隔離裝置從非控制區(qū)提取數(shù)據(jù)分析結(jié)果。綜合能源網(wǎng)絡(luò)運維、分析類的應(yīng)用均部署在非控制區(qū)，經(jīng)橫向隔離裝置從控制區(qū)調(diào)用供能網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。

控制區(qū)基于獨立建設(shè)一體化支撐平臺建設(shè)，非控制區(qū)基于“云平臺”建設(shè)，通過協(xié)同管控機制實現(xiàn)權(quán)限、責(zé)任區(qū)、告警定義等的分區(qū)維護、統(tǒng)一管理，并保證非控制區(qū)不向控制區(qū)發(fā)送權(quán)限修改、遙控等操作性指令。基于云+主站模式的協(xié)控系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 基于云+主站模式的協(xié)控系統(tǒng)

4.2 數(shù)據(jù)采集方案

綜合能源協(xié)控系統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)來源于能源網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點以及各種通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入的傳感器、智能終端和在線監(jiān)測裝置。建設(shè)初期對網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點進行全景數(shù)據(jù)采集，中后期結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和下一代通信技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)毛細血管級的綜合能源全感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[14-16]。

由于終端傳感器、智能終端和在線監(jiān)測裝置與配網(wǎng)網(wǎng)架和通道資源關(guān)系密切，因此該部分的設(shè)計將結(jié)合能源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃同步部署。將網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點按其在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的角色劃分為能源供給、能源配置和能源消費3類。

1）能源供給節(jié)點。

能源供給節(jié)點包含各類能源站、光伏電站、風(fēng)電場、電廠等。對于具備完整監(jiān)控系統(tǒng)的廠站，則利用原廠內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)完成廠內(nèi)數(shù)據(jù)采集，并通過原有通信網(wǎng)關(guān)機、二次安防及數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備上送至協(xié)控平臺。對于不具備完整監(jiān)控系統(tǒng)的廠站和新增廠站，部署終端采集設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。

2）能源配置節(jié)點。

能源配置節(jié)點包含各類變電站、主干線路、主干管線、配變終端等。對于具備完整監(jiān)控系統(tǒng)的變電站，則利用原站內(nèi)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成站內(nèi)數(shù)據(jù)采集，并通過原有通信網(wǎng)關(guān)機、二次安防及數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備上送至協(xié)控平臺。對于具備完整四遙功能的配變終端，則利用終端內(nèi)原有四遙裝置完成該節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，并通過配套的通信設(shè)備上送至協(xié)控平臺。對于具備完整在線監(jiān)測功能的線路、管道，則利用原在線監(jiān)測裝置完成數(shù)據(jù)采集，并通過配套的通信設(shè)備上送至協(xié)控平臺。

對于新增變電站、配電終端和線路/管道，分別部署終端采集設(shè)備、四遙裝置、在線監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。

3）能源消費節(jié)點。

能源消費節(jié)點包含各類工商民用負荷。對于所有工商業(yè)用戶負荷，部署終端智能表計。智能表計根據(jù)用戶負荷的分布情況酌情部署，并結(jié)合用戶側(cè)通道資源配置相應(yīng)的通信設(shè)備，如無線接入設(shè)備和專線接入設(shè)備。

對于普通的民用負荷，部署無線智能表計即可，也可利用公網(wǎng)上送負荷數(shù)據(jù)。

5 構(gòu)架特征

圍繞智慧能源及相關(guān)ICT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出適用于智慧能源體系的ICT技術(shù)構(gòu)架，并構(gòu)建圍繞智慧能源技術(shù)和商業(yè)模式的新興能源+產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈模式，在為用戶提供優(yōu)質(zhì)廉價清潔能源及供能衍生服務(wù)的同時，帶動產(chǎn)業(yè)上下游及相鄰相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提供智慧能源相關(guān)技術(shù)及項目的發(fā)展平臺，促成傳統(tǒng)能源的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和技術(shù)迭代。

本文提出的ICT構(gòu)架主要特征如下：

1）基于“三流合一”的能源協(xié)控體系。

構(gòu)建適用于智慧能源近期和遠景服務(wù)的智慧協(xié)控體系，打通智慧能源服務(wù)體系全程，實現(xiàn)智慧能源體系能量流、信息流和價值流的全面融合。

2）基于“九項能力”的能源協(xié)控平臺。

協(xié)控平臺重點能力建設(shè)詳見本文3.1節(jié)。

3）基于“技術(shù)驅(qū)動”的能源體系轉(zhuǎn)型。

綜合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科技，提出在技術(shù)和模式2個維度并行發(fā)展。技術(shù)層面注重傳統(tǒng)能源行業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代ICT技術(shù)的跨界融合，模式層面注重傳統(tǒng)體制內(nèi)資產(chǎn)和民間資本的深度合作，衍生新的業(yè)務(wù)需求和能源應(yīng)用場景。

4）基于“4層構(gòu)架”的體系模型研究。

綜合能源系統(tǒng)具有能源網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的雙層構(gòu)架，前者提供基礎(chǔ)的供能支撐服務(wù)，后者依托現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行能源服務(wù)價值的二次發(fā)掘。提出綜合能源的4層模型體系構(gòu)架，自下向上完成能量、數(shù)據(jù)、價值的聯(lián)動。

5）基于“現(xiàn)實遠景”的技術(shù)演進路線。

綜合能源ICT構(gòu)架的具象形態(tài)是綜合能源協(xié)控管理平臺。分別提出云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G/NB-IoT、區(qū)塊鏈和邊緣計算在綜合能源發(fā)展路徑上的演進策略。

6）基于“算力價值”的雙重核心構(gòu)架。

提出智慧能源協(xié)控體系的雙構(gòu)架設(shè)計理念，算力構(gòu)架基于云計算平臺(私有云)實現(xiàn)資源彈性擴展部署能力，價值構(gòu)架基于區(qū)塊鏈技術(shù)(聯(lián)盟鏈)實現(xiàn)價值重構(gòu)和轉(zhuǎn)移。雙構(gòu)架設(shè)計共同支撐智慧能源近期和遠期的業(yè)務(wù)發(fā)展訴求。

6 結(jié)論

提出的智慧能源體系ICT構(gòu)架服務(wù)于時下熱門的智慧城市、智慧園區(qū)等場景，側(cè)重現(xiàn)代ICT技術(shù)和傳統(tǒng)能源技術(shù)的跨界融合?？傮w的技術(shù)思路遵循技術(shù)服務(wù)于場景、場景來源于需求的核心原則，系統(tǒng)總體構(gòu)架從整個能源體系切入，而非以往常見的產(chǎn)品級視角切入，追求技術(shù)和效益的平衡，確保實施方案和技術(shù)路線的現(xiàn)實操作性，避免單方面地追求技術(shù)高度。通過梳理、分析現(xiàn)有能源體系的特征、痛點，結(jié)合當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟度，挖掘出當(dāng)下智慧能源體系的演進方向、技術(shù)路線以及實施方案。

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Information Communications Technology Architecture and Implementation Scheme of Smart Energy System

DING Tengbo, LIU Hongbo, WU Pin

(CEEC Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, Zhejiang Province, China)

Based on social and economic development, environmental protection needs, industrial policy guidance and other factors, smart energy will bring a new round of tremendous changes to the traditional energy structure. The rapid development of modern information communications technology (ICT) provides strong technical support for the transformation and upgrading of traditional energy to smart energy. The whole smart energy system will be guided by innovative scenario demand, supported by the deep support of cross-border scientific and technological forces, and drive the structural upgrading of the whole energy and related industrial chain. An ICT framework of energy system suitable for smart energy application scenario was proposed, which combined cloud computing, big data, internet of things (IoT), mobile communication, artificial intelligence, blockchain and other emerging technologies to enable traditional energy system. It runs through the bottom to the top of energy system, and realizes the comprehensive integration of energy flow, information flow and value flow of intelligent energy system.

internet of things (IoT); artificial intelligence; smart energy; block chain; information communications technology (ICT)；cloud computing; big data

10.12096/j.2096-4528.pgt.19002

TK 01

2019-09-10。

(責(zé)任編輯 辛培裕)