基于综合能源业务的电能质量服务体系研究

董中凯，吴兰旭

(远光软件股份有限公司，广东 珠海 519000)

0 引言

在能源互联网发展背景下，随着大规模光伏、风电、潮汐电站、各类储能系统(电化学储能)、电动汽车、大功率充放电设施的出现和应用，供用电各领域都面临能源互联网点对点服务带来电能质量扰动来源多样、关联复杂化等新问题[1]。同时，伴随电力体制改革的深入，国内出现了多家售电公司，国家电网、南方电网相继成立多家综合能源服务公司，直接改变了电力交易市场主体，过去供电公司与用户的传统单一供用关系彻底发生改变，灵活交易已经成为趋势[2-4]。

在能源互联网的新常态下，面临电能质量数据多元化、服务需求多样化等需求。建立一套数据采集设备灵活多样、边缘计算常规化、开放兼容的电能质量信息系统是未来的方向[5]。电能质量数据的深度挖掘、扩展应用、多系统兼容、开放共享及基于大数据和云计算的架构是未来电能质量系统和服务体系的发展趋势[6]。

本文提出一种基于综合能源业务的电能质量服务体系，详细描述服务体系架构及服务流程，并对服务体系进行详细介绍。整个体系基于综合能源业务开展，除满足传统电能质量信息系统功能外，还可快速处理多元化数据，同时可满足包括综合能源服务公司、售电公司、能源终端用户等不同用户的监测、分析、缺陷治理、节能建议、大数据报告及扩展增值服务等需要。

1 综合能源服务与电能质量

1.1 综合能源服务业务介绍

图1 综合能源服务整体架构Fig.1 Overall framework of integrated energy services

综合能源服务是指围绕国家节能减排等政策，以“节能、环保、科学、高效、经济用能”为宗旨，利用综合能源服务平台，从能源管理、能源技术、能源经济、能源市场多角度为能源用户、服务商、中间商、供应商提供综合性能源服务。综合能源服务平台基于在物联网、边缘计算、大数据、云计算、人工智能等技术。整体架构如图1所示，系统分为感知层、网络层、平台层、应用层，特点是综合、互联、共享、高效、友好。应用层包含能源交易、能源优化、能源运维、能源管理、需求响应、综合调度、保险金融、电能质量、合同管理等；平台层可实现大数据分析、模型建立与转换、文件分析等；网络层可通过虚拟私有专网(viritual private network，VPN)、Zigbee小无线和其他网络实现；感知层主要包含采集终端、物联终端、本地信息管理系统、边缘代理及边缘计算。整体上要求感知层实现各类终端和数据共享接入；网络层实现互联传输；平台层利用大数据建模深度挖掘、快速检索和关联分析；应用层提供各种服务功能，满足个人、企业、供应商和政府机构用户的需要。

1.2 电能质量监测分析

电能质量服务基于综合能源业务，利用综合能源服务过程的多渠道采集配电运行信息、电能质量信息、故障信息等。文献[7]提出一种省级电力公司基于IEC61850/61970标准的电能质量监测系统架构。文献[8]提出一种用于电能质量监测系统的智能信息查询系统和方法。文献[9]指出各地电能质量系统重复研发，各自面向服务对象单一，系统之间数据和分析结果没有实现共享，不同功能间未实现数据交互等现状，提出了一种基于云计算软件服务(software as a service,SaaS)模式的省级电力公司电能质量信息平台，采用面向服务的6层架构，将新老系统资源以组件的形式有效整合，组成基本服务，通过对服务的配置和编排实现了电能质量信息的管理业务。文献[10]提出了一种基于云计算和Hadoop结合的电能质量监测系统，从电能质量监测效果和数据处理速度方面都有较大提高和较好的改善。文献[11]提出基于Hdoop和HBase构建的数据云平台，并结合电能质量数据本身特性，按监测点将数据进行集中存储和列簇组合存储，有效提高了电能质量数据的检索效率。文献[12]提出了一种运用Naive Bayes分类和基于大数据的暂态电能质量评估方法,将电能质量数据与配电运行数据、用户公共数据等进行汇总和融合,并将评估结果按严重程度分为暂态正常、短时电压暂降、短时深度电压暂降、短时电压失压等多种状态，提出的基于大数据分析的暂态电能质量评估方法,提高了评估准确率和分析查询速度。

1.3 传统电能质量研究的局限性

传统电能质量服务体系存在以下误区：

1) 封闭型，现有电能质量监测大多由电力系统主导，信息无法与用户共享。

2) 系统建设成本高，电能质量监测信息来源主要依赖于电能质量监测仪、电压监测仪、故障录波仪等价格昂贵设备。

3) 缺少增值服务，基于高精度数据分析，缺乏数据多维度应用，缺乏对常规用户电能质量服务研究。

4) 针对对象单一，电能质量系统主要用于电力系统内部，社会公众和被监测对象均无法获取电能质量数据，事故鉴定时，需要在责任分界点两侧加装电能质量设备。

1.4 能源互联网对电能质量的要求

考虑能源互联网背景下，电力交易主体被改变，传统的供用户单一关系变为点对点多面交易，电能质量服务多元化发展，电能质量分析有如下几个难点：

1) 数据异构严重。在服务体系中，除传统电能质量数据外，应考虑配电运行、事件数据、图形数据、气象数据、地理信息数据等给电能质量带来的影响。

2) 扰动复杂。传统电网单一的供用电关系下，大电网具备一定的自愈、净化能力，在新形势下，分布式能源、储能系统、电动汽车的大量接入，以及点对点直接交易和服务，使得扰动必将更加复杂。

3) 品质精细。能源互联网的实现，对电力依赖进一步加大，自动化生产线依赖于数字信息，数字信息对电磁干扰极为敏感。例如，电压波动对传统的电动化负载没有影响，但是可能会影响电子控制系统的正常工作，导致掉电或跳闸，从而造成经济损失。

2 综合能源业务的电能质量服务体系设计

2.1 电能质量服务体系架构

图2 电能质量服务体系架构Fig.2 Power quality service architecture

结合边缘计算、大数据、云计算等技术，基于综合能源业务电能质量服务体系架构如图2所示。基础设施服务(infrastructure as a service,IaaS)层主要功能包含所有数据采集、咨询服务、管理服务、运维服务等，数据采集包括借助用电信息采集渠道实现基本电能质量信息采集，借助专业电能质量监测仪完成全指标电能质量信息采集，采集过程中通过数据传输设备(data transfer unit，DTU)完成边缘代理和计算，同时通过软件集成IEC61850、IEC103、modbus以及第三方电能质量系统规约等，实现电能质量信息采集和接入。平台服务(plat-form as a service,PaaS)层主要通过大数据存储、处理、分析和深度挖掘，实现常规电能质量稳态数据指标的多维关联分析、暂态事件的扰动识别、背景谐波分析、故障告警统计、事件顺序记录(sequence of event，SOE)分析等。为治理决策和综合解决方案提供全方位数据服务和支撑。SaaS层面向综合能源服务目标提供多方位的电能质量服务，如电能质量设备交易、电能质量治理设备及核心技术融资研发、设备运维参保、电能质量治理决策支撑、基于电能质量技术的节能改造和优化运行方案等。

2.2 电能质量服务数据中台设计

通过全域电能质量数据采集、配电信息采集、分布式能源信息采集及气象、地理数据的采集等，建立内部电能质量标准规范和架构，将原始电能质量数据进行深度连接和萃取，统一对数据进行管理。如图3所示，以综合能源服务的企业用户、能源公司、能源用户、售电公司、其他用户等为业务对象，通过建立电能质量服务元数据中心和大数据服务策略，面向综合能源电能质量业务的统一数据出口与数据检索逻辑，向前台用户隐藏各种不同数据来源和实际的物理数据表，以黑盒子方式灵活推出满足前台不同业务需求的衍生产品，从而达到构建电能质量数据中台的目的。

图3 电能质量数据中台Fig.3 Power quality data station

从分析决策的需求出发，采用星形维度建模构建微网、虚拟电厂(virtual power plants，VPP)、储能、园区、指标、事件等模型，结合维度表和事实表，快速完成用户的灵活需求分析和大规模复杂查询。如某年某月某日，系统监测到某园区发生一起短时电压中断事件，可通过提取地点维度(园区)、时间维度(日期、短时)、事件维度(电压中断)，结合事实表(短时、电压终端、具体时间)和运行策略以及储能、微网等模型进行复杂查询和关联性分析，能快速得出电能质量结论：用户选择了储能优先出力带非敏感负荷策略，功率不足时进行电源切换，采用的是非零秒切换方案，导致短时电压中断，非敏感负荷可接受短时停电，未造成其他经济损失。

结合综合能源实际业务，电能质量数据中台融合新能源发电、储能控制和充电站(桩)等可控负荷接入，为后续VPP运行和能源路由的实现提供了理论支撑和数据分析保障。

2.3 电能质量服务流程

电能质量服务体系贯穿于整个综合能源业务，是一个连续性、多角度、多维度闭环的服务体系，如图4所示。现场发现指标异常和电能质量症状，然后进行指标分析和大数据挖掘，形成解决方案和治理决策支持，通过设备保险和金融融资完成设备研发、选型，并实现在线交易；最后进行现场的安装、调试、运维服务，通过设备运维和客户关系维持能够继续监测指标异常，从而实现闭环的电能质量服务体系。

图4 电能质量服务流程Fig.4 Power quality service flow

服务过程中，大数据分析系统会自动识别不同类型用户，提取用户针对电能质量指标分析偏向，判断是深度优先还是服务优先，如：敏感负荷类型企业，对暂态、瞬态有要求，会自动启动暂态录波并进行扰动识别分析；对于普通居民用户，自动统计停电时长、停电次数、跳闸次数并进行统计分析，给出用电改善建议和节能服务策略服务。

在提供设备运维和监测服务过程中，系统根据监测数据维度和异常电能质量指标统计结果，不定期为客户提供预警增值服务(包括APP推送和短信通知)，提示用户即时调整用电方式或主动消除电能质量缺陷，避免给用户造成实在的停机故障或经济损失。

3 关键技术研究

3.1 基于VPP的电能质量服务

综合能源服务贯穿于能源互联网的网-荷-源-储整个互动体系，VPP是实现综合能源服务和能源互联网的重要技术之一。如图5所示，基于VPP的电能质量模型是指将配电网中各种储能、光伏、风电、可调负荷、充电站等通过微电网控制、保护控制及VPP技术融合，组成一个特别跨地域和类型的虚拟机构参与的大电网运行，能大幅度提高智能电网对分布式能源消纳能力，并缓解分布式能源单独组成微电网并网造成的冲击和干扰,充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的双边效益[13]。

图5 基于VPP的电能质量模型 Fig.5 Power quality model based on VPP

VPP区别于微电网的“自治”，强调于“参与”，参与的分散安装的清洁能源、可控负荷及既是电源也是负荷的储能系统，都对电能质量有着自身要求，比如：负荷对供电电压的连续性、稳定性和频率偏差都有要求；储能系统对频率、电压、电流都有要求；清洁能源的出力必须要对频率、相位、相角、电压加以严格限制，否则也会出现内部电能质量事故。

电能质量是侧面反应VPP价值和作用的指标，同时也是VPP参与调度与交易的基础保证。基于VPP的电能质量服务模型，将光伏、风电、车充、可控容性负荷(容性、感性)等分别建模，结合大数据、高级智能仪表、能量管理技术，实现电压、电流、功率等实时信息在发电端和用户之间快速传递，为电网运行、调度和规划提供大量准确信息和决策支持，主要体现为以下几点：

1) 数据服务。实时采集电能质量稳态数据、暂态数据、开关状态数据，并执行边缘计算流程，为不同用户提供电能质量数据服务。

2) 决策服务。实时监控VPP范围内所有节点、线路、设备上的所有电能质量数据，结合先进的实时大数据优化和云计算服务，提供运行决策支持辅助服务。

3) 预测服务。结合VPP模型和实时数据进行多维电能质量分析，快速仿真，实现安全风险评估、自愈能力评估及故障预测、故障定位、扰动识别等。

3.2 基于能源路由的电能质量服务

能源路由器是能源互联网体系中实现多能源路由的关键部分，主要承担能源的输入、输出、转换、存储载体功能，实现不同形式能源的生产与消费环节的贯通和融合，同时承担着能源质量的监控和调节[13-15]。由图6所示基于能源路由的电能质量模型可见，电力能源路由器系统主要由控制模块、联动逆变、双向逆变、通讯模块、储能模块构成，主要有如下几项电能质量服务功能[16-17]：

图6 基于能源路由的电能质量模型 Fig.6 Power quality model based on energy routing

1) 输入监控与电能质量调节。通过实时监视各输入的电压、频率波形及谐波和谐波总畸变率，满足要求的通过路由器直接路由至下一级，否则通过储能系统或通过过脉冲信号和通讯通知上一级进行调节。

2) 输出路由与电能质量控制服务。实时分析输出波形、频率、电压，结合外部多级电能质量需求，实时调节输出，提高和保证供电和用电的电能质量可靠性，从而实现各系统的广域互联和优化调度。

3.3 基于能源金融的电能质量服务

能源金融是指将金融资源介入到能源的生产、传输、销售、使用等环节，实现能源产业链与金融产业链深度融合和良性互动，促进能源产业和金融产业的协调发展与双边共赢。基于能源金融的电能质量服务如图7所示，利用综合能源服务平台，集合电能质量设备商、软件开发商、其他设备商、保险公司、第三方金融公司、工程服务公司、用能用户等，结合电能质量服务流程，全方位构建电能质量服务体系，通过服务体系实现数据采集、数据分析、技术咨询、解决方案、决策支持、设备选型、软件选型、保险服务、金融服务、预约安装等在线操作，全方位提供基于能源金融的电能质量服务。

图7 基于能源金融的电能质量模型Fig.7 Power quality model based on energy finance

4 实际的综合能源服务平台电能质量服务

结合上文的设计思路，远光软件股份有限公司已经完成综合能源服务平台的电能质量服务体系规划，如图8所示。完成了多渠道电能质量数据的采集、边缘计算、大数据存储和深度挖掘，实现了电能质量服务模型建立和高级应用。目前，通过企业、园区、家庭等多用户的综合能源试用接入，为用户提供了多角度的电能质量服务，例如：不增加投资的情况下为用户提供基础电能质量分析报告；为企业用户自用的储能系统、光伏系统提供运行控制电能质量分析报告等[18-21]。

图8 综合能源服务平台的电能质量服务中心Fig.8 Integrated energy service platform-power quality service

5 结语

1) 基于综合能源业务的电能质量服务体系构建，改变传统电能质量服务于单一主体的局面，能面向所有能源用户和能源服务商，从不同角度和不同层面提供各种电能质量服务和产品，实现电能质量的信息共享和点对点服务，符合能源互联网和智慧能源发展规律。

2) 结合综合能源服务，广泛借用用电信息采集渠道和其他信息采集渠道，实现了基础电能质量信息的收集，从成本上保证了方案的可实施性，提高了用户的接受程度。

3) 与综合能源服务平台融合，将传统单一电能质量监测-分析-治理概念提升为综合能源服务产品，提高了不同用户和公众对电能质量的关注度，对电能质量本身起到了一定的推广和普及作用。