李雪梅，金  燊，趙慶凱，于  蒙，寇曉溪，趙子蘭，魏文亮

　　（國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司 北京 100053）

　　摘  要： 智能電網(wǎng)是將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)，通過統(tǒng)一信息平臺，實(shí)現(xiàn)廣域、全局的信息實(shí)時(shí)共享。分析了智能電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)的來源和主要特點(diǎn)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要組成部分，以及數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸面臨的信息安全問題和要求。

　　關(guān)鍵詞： 智能電網(wǎng)；數(shù)據(jù)管理；信息安全

0 引言

　　伴隨著人口的不斷增長、能源消耗的不斷增加、全球氣候變暖、化石燃料的不斷減少等問題與電能生產(chǎn)能力的有限性之間矛盾的不斷激化，因此，未來的電力來源將多樣化，未來的電網(wǎng)必須適應(yīng)多種能源類型的發(fā)電方式?，F(xiàn)有的電網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)維持將近百年，具有信息可見度低、開關(guān)操作機(jī)械式、響應(yīng)時(shí)間長、自動(dòng)化分析和測控感知能力差等缺陷，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化用電的新需求。為適應(yīng)高度市場化的電力交易的需要，減少電網(wǎng)損耗，提高電網(wǎng)利用率，迫切地需要設(shè)計(jì)一種新的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

　　智能電網(wǎng)（Smart Power Grid)就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”。它是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，在高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上，將傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息化技術(shù)、控制技術(shù)等幾乎是設(shè)備互動(dòng)技術(shù)、決策支持系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和物理電網(wǎng)高度集成而形成的智能網(wǎng)絡(luò)。它通過信息化手段，使資源開發(fā)、轉(zhuǎn)化（發(fā)電）、輸電、配電、供電、售電及用電的電網(wǎng)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行智能交流，發(fā)揮了中央電力體系的集成作用，實(shí)現(xiàn)精確供電、互補(bǔ)供電、各種電源和客戶終端與電網(wǎng)的無縫互連，提高了整個(gè)電網(wǎng)的可靠性、可用性和綜合效率。

　　美國是最早從事智能電網(wǎng)研究的國家，美國電力科學(xué)研究院（EPRI）在1998年就開始了“復(fù)雜交互式網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”研究，2001年開展了“Intelligird（智能電網(wǎng)）”系統(tǒng)研究；在2003年7月美國能源部輸配電辦公室發(fā)布了《2030電網(wǎng)》的遠(yuǎn)景規(guī)劃。2010年1月美國NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù))發(fā)布了智能電網(wǎng)互操作性標(biāo)準(zhǔn)框架，其中包括相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、需求以及指導(dǎo)性說明文件共75項(xiàng)，并提出了智能電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)階段需求的15項(xiàng)工程，基本上涵蓋了智能電網(wǎng)的各個(gè)方面。歐洲委員會(huì)(European Commission)2005年發(fā)布了歐洲智能電網(wǎng)技術(shù)平臺以及其他相關(guān)文件，2009年10月公布了戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃（SET-Plan）路線圖，其中將智能電網(wǎng)作為第一批啟動(dòng)的6個(gè)重點(diǎn)研發(fā)投資方向之一。2008年國家電網(wǎng)公司開始推行電力用戶用電信息采集系統(tǒng)，規(guī)劃用3～5年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的電能信息采集，實(shí)現(xiàn)“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費(fèi)”的目標(biāo)。2009年5月，在北京召開的“2009特高壓輸電技術(shù)國際會(huì)議”上，國家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略。在2010年3月召開的全國“兩會(huì)”上，溫家寶總理在《政府工作報(bào)告》中強(qiáng)調(diào)：“大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推廣高效節(jié)能技術(shù)，積極發(fā)展新能源和可再生能源，加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)”。這標(biāo)志著智能電網(wǎng)建設(shè)已成為國家的基本發(fā)展戰(zhàn)略。

1 智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)

　　隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，電力系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化和智能化的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)來源、種類、規(guī)模等都有了極大的擴(kuò)充和豐富。根據(jù)數(shù)據(jù)來源不同，智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)可以分為以下幾種類型。

　?。?）基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)，主要是電力企業(yè)內(nèi)部的設(shè)備固有的數(shù)據(jù)及相關(guān)的參數(shù)，此類數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中變化較小或基本不變。

　?。?）電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括從廣域量測系統(tǒng)(Wide Area Measurement System，WAMS)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)和高級測量體系（Advanced Metering Infrastructure，AMI）系統(tǒng)以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)、客戶服務(wù)系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等獲得的數(shù)據(jù)。

　?。?）外部環(huán)境數(shù)據(jù)，包括氣候氣象、地理地貌、國民經(jīng)濟(jì)、人口風(fēng)俗、用地類型等方面的數(shù)據(jù)信息。基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)管理主要存放在設(shè)備數(shù)據(jù)庫中，隨著電網(wǎng)規(guī)模的增長，數(shù)據(jù)量也在規(guī)模上漲。電網(wǎng)狀體監(jiān)測數(shù)據(jù)是電網(wǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，除了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還包含大量的半機(jī)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)的采樣頻率和生命周期也各不相同，對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和處理帶來了挑戰(zhàn)。

　　智能電網(wǎng)的建設(shè)會(huì)帶來數(shù)據(jù)量的巨大增長，這些數(shù)據(jù)必須科學(xué)地管理，并用于電力公司不斷增加的應(yīng)用中。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，在傳配電系統(tǒng)中將促進(jìn)傳感器的大量部署應(yīng)用如IEDs（Intelligent Electronic Devices）、PMUs（Phasor Measurement Units）和智能電表，以及從傳感器收集到的數(shù)據(jù)量的增長。這種附加數(shù)據(jù)擴(kuò)展了電網(wǎng)從變電站和電力公司數(shù)據(jù)控制中心（Data and Control Centers，DCCs）到傳輸饋線、分布式發(fā)電和消費(fèi)地點(diǎn)的傳統(tǒng)通信邊界的可視度。這些數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)和新的電力公司電網(wǎng)中的高可用性使得它可以定義新的商業(yè)和運(yùn)營應(yīng)用，這些應(yīng)用通過容量規(guī)劃和設(shè)定額定峰值功率來大大提高智能電網(wǎng)的運(yùn)營，此外，新的應(yīng)用將有利于部署新能源服務(wù)，如能源審計(jì)技術(shù)、需求響應(yīng)計(jì)劃和電動(dòng)汽車充電。為了從這些數(shù)據(jù)中取得最大的價(jià)值，電力公司發(fā)展數(shù)據(jù)管理策略是必不可少的，包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)相關(guān)性和完全不同數(shù)據(jù)源得到數(shù)據(jù)量的分析，并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電網(wǎng)管理和業(yè)務(wù)功能可操作的有用信息。

2 智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

　　智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是通信和數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)的多變性，數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)不同的協(xié)議編碼成不同的格式。通常，數(shù)據(jù)格式是專有的，這就要求數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化功能來收集和分析不同的數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)要考慮安全性和隱私性。

　　一個(gè)典型的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括以下幾個(gè)組成部分。

　　（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心是能夠處理大容量數(shù)據(jù)并支持快速數(shù)據(jù)查詢反饋的數(shù)據(jù)庫（DataBase，DB）。例如，一個(gè)大型分布式的AMI網(wǎng)絡(luò)可能具有數(shù)十萬個(gè)電表，每個(gè)電表每15分鐘會(huì)上報(bào)一次，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)需要快速獲取這些數(shù)據(jù)。雖然傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如Oracle、DB2或者M(jìn)ySQL）能夠處理如此大容量，但是需要更加開放。分布式應(yīng)用構(gòu)建在開源軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，比如Hadoop 分布式文件系統(tǒng)，這種新的數(shù)據(jù)密集型分布式應(yīng)用發(fā)展框架允許數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分布式服務(wù)器中，因此具有更好的可擴(kuò)展性和健壯性。Hadoop系統(tǒng)也支持結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如電表和傳感器數(shù)據(jù)）和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如天氣數(shù)據(jù)），并能長時(shí)間保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性。然后這些分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)從安全角度考慮可是有限制的，它們受限于所支持的相關(guān)數(shù)據(jù)庫訪問，如某些僅支持細(xì)顆粒度訪問控制和數(shù)據(jù)完整性檢查、處理實(shí)體操作數(shù)據(jù)等重要的功能。

　　（2）數(shù)據(jù)類型和處理。智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)類型從結(jié)構(gòu)化到半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)具有特殊的格式，是典型的智能電表數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類似于手動(dòng)輸入事件數(shù)據(jù)，比如郵件信息等。從數(shù)據(jù)處理角度，系統(tǒng)必須同時(shí)支持同步和非同步數(shù)據(jù)，通常事件數(shù)據(jù)都是非同步的，同步數(shù)據(jù)的支持需要確定檢索文件的最近刷新頻率。對于非同步數(shù)據(jù)的處理，必須開發(fā)一個(gè)基于Publisher-Subscriber的中間件系統(tǒng)，其能夠跨越企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的場域網(wǎng)絡(luò)，一旦數(shù)據(jù)被安全地輸入網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合事件處理引擎（Complex Event Processing(CEP) engines）能夠以有效的方式提取并提取執(zhí)行信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)處理的數(shù)據(jù)不是直接來源于電力公司控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（比如公共記錄或者人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的自動(dòng)化方面會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)，主要在于數(shù)據(jù)模式的先驗(yàn)知識的缺乏，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)源的關(guān)聯(lián)必須以事件為基礎(chǔ)來進(jìn)行處理。

　?。?）數(shù)據(jù)質(zhì)量。高質(zhì)量數(shù)據(jù)的主要特征有準(zhǔn)確性、及時(shí)性和執(zhí)行具體任務(wù)的相關(guān)性。高質(zhì)量的需求來源于應(yīng)用的類型，比如針對計(jì)費(fèi)應(yīng)用，每小時(shí)更新或者更大顆粒度的周期性數(shù)據(jù)輸入是能夠滿足的，然后，對于功率流狀態(tài)的估計(jì)需要每秒50或者60個(gè)樣本分辨率的細(xì)顆粒度數(shù)據(jù)。為保持已收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和簡化數(shù)據(jù)收集過程，大部分的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用驗(yàn)證、估計(jì)和修正(Validating Estimating and Editing，VEE)流程，典型的VEE流程基本上是每天運(yùn)行一次，然后對于狀態(tài)估計(jì)和電壓控制的操作，需要具有幾秒鐘到幾分鐘時(shí)間內(nèi)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，因?yàn)閷?shí)時(shí)計(jì)算需要使用更細(xì)的細(xì)粒度的數(shù)據(jù)。

3 智能電網(wǎng)的信息安全要求

　　通常，為了有效地、可擴(kuò)展地引入新的電網(wǎng)操作，電力公司需要整合智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)。智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是構(gòu)建在整合的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，并對通信網(wǎng)絡(luò)提出了要求。

　?。?）接入技術(shù)的抽象化和數(shù)據(jù)采集的及時(shí)收集需要端到端和輕量級的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。TCP/IP協(xié)議由于具有可擴(kuò)展性和靈活性，很直觀地被考慮作為候選的端到端的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但是其也具有不利的方面。首先，TCP不能用作無IP傳輸層協(xié)議，但是許多智能電網(wǎng)元件，包括傳感器可能不適用IP作為它們的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。對于快速和可擴(kuò)展性的部署，智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)需要支持傳統(tǒng)的協(xié)議，因此采用TCP作為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議是不可能的。

　　當(dāng)IP用于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議時(shí)，電網(wǎng)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)需要持續(xù)從大量的傳感器中在相對大的時(shí)間間隔內(nèi)收集，TCP是通用性的、多用途的并具有數(shù)據(jù)傳輸保證性的機(jī)制。因此，對于諸如傳感器數(shù)據(jù)收集來說，TCP是一個(gè)相對重量級的協(xié)議。當(dāng)TCP不提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘臅r(shí)候，就無法滿足智能電網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的限時(shí)事件的性能要求，及時(shí)數(shù)據(jù)傳輸也是一個(gè)重要的要求，這使得對于傳感器數(shù)據(jù)采集來說TCP是一個(gè)繁瑣的協(xié)議。TCP的大部分性能著重于大數(shù)據(jù)量傳輸和流控制，不被利用的數(shù)據(jù)監(jiān)測和其他電網(wǎng)數(shù)據(jù)收集。采用TCP作為所有數(shù)據(jù)采集的默認(rèn)協(xié)議時(shí)需要消耗計(jì)算資源，比如內(nèi)存、CPU和帶寬，因而會(huì)增加端到端的時(shí)延和傳感器的額外計(jì)算開銷。

　?。?）通信安全必須是端到端的、輕量級的和可擴(kuò)展的。許多已知的端到端安全協(xié)議，如IPSec、Transport Layer Security(TLS)、Datagram Transport Layer Security(DTLS)和Secure Real-Time Transport Protocol（SRTP），都是基于IP運(yùn)行以保證端到端的安全。但是許多設(shè)備可能不基于IP尋址（如專有AMI解決方案中的電表）。即使所有網(wǎng)格設(shè)備都基于IP尋址，上述協(xié)議也不能廣泛應(yīng)用于所有設(shè)備，因?yàn)樾枰械馁Y源（如計(jì)算、內(nèi)存和帶寬）。此外服務(wù)器需要維護(hù)每個(gè)協(xié)議客戶端的安全狀態(tài)，這樣電動(dòng)汽車（EV）在服務(wù)器產(chǎn)生故障、重啟或者移動(dòng)性問題時(shí)可能會(huì)造成了家庭充電無法及時(shí)有效地解決等問題。

　?。?）底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要對電網(wǎng)應(yīng)用隱藏。

　　為了加快智能電網(wǎng)應(yīng)用部署和容易地解決互操作性問題，底層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠提供應(yīng)用開發(fā)的中間件平臺，并對電網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和開發(fā)人員應(yīng)該是透明的。雖然許多商業(yè)中間件平臺已經(jīng)存在，大多數(shù)受限于智能電網(wǎng)的安全性、可擴(kuò)展性或彈性問題。大多數(shù)中間件平臺的設(shè)計(jì)主要針對企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)從物理上和邏輯上都是受到保護(hù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目相對較?。ú皇腔ヂ?lián)網(wǎng)規(guī)模）。

4 結(jié)論

　　電網(wǎng)大數(shù)據(jù)貫穿發(fā)動(dòng)、輸電、變電、配電和用電等電力生產(chǎn)和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，掌握電力大數(shù)據(jù)的管理和分析，保證電網(wǎng)信息的安全對電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重要意義。本文分析電力大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信息安全的要求，希望對數(shù)據(jù)技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用提供有益的參考。

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