主动配电网背景下的边缘计算应用探讨

李星举，刘广学，韩亚轩，王秋漫，李春赫

（国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114000）

0 引言

以光伏、风力为代表的分布式能源发展和应用进入新阶段。基于“源-荷-储”架构的新型微电网对于有源配电网技术的需求日益凸显。主动配电网以灵活网络结构、精确管理模式和良好包容能力等特征迅速被提出并得到广泛研究讨论。主动配电网作为典型信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）在电力领域研究与实施的不断深化，用户依靠数据化、云化、智能化赋能，获得电力水平显著提升[1]。然而，目前配电网设备和系统的异构性、电力数据有限的存储能力和供用电设施的分散管理已经日渐成为制约主动发展的关键因素，这同样也是电网仍旧为自动化而非智能化的重要原因[2-3]。

目前已经开展的研究梳理如下：在电网数据融合方面，龚钢军等运用边缘计算技术设计了一种主动配电网信息物理系统方案，提出基于边缘计算的主动配电网的PTN物理架构模型；程浩原等从仿生学角度入手，提出以“细胞-组织”视角的能源互联网分布式自治系统，并着重总结了能源互联网关键技术和研究难点，并提出能源路由器等物理设备在SoS（system of systems）概念下的全新意义；徐彬泰等提出了基于协作智能与子梯度优化算法的电力业务差异化QoS路由策略，保证电力通信网对于未来承载大颗粒视频/图像、边缘计算、设备通信接口全IP化带来的业务差异化QoS的保障能力。

本文在简要回顾主动配电网基本原理的基础上，首先搭建了基于边缘计算的主动配电网核心框架，并以此梳理主动配电网建设思路，重新评估主动配电网关键组件和支撑技术，验证了主动配电网建设架构的可行性和完备性，最终为探索建立综合能源服务市场进行了展望。

1 主动配电网

主动配电网是应用边缘计算技术等新型ICT技术对传统配电网架构——配电主站层、配电子站层和配电终端层进行架构融合，改变传统配电网单向管控模式，改进为更加符合实际情况的有源配电网。

目前，主动配电网的技术研究主要集中在配网设备链接入云和云端管控调度策略下发，传统配电网与ICT技术融合方兴未艾。由于筹建云计算、云存储等云服务需要投入大量人力、财力、物力进行研发和运维，因此目前的主流方式为合作或购买的方式，使用诸如阿里云、华为云、AWS（亚马逊云）等大型公司的云服务。然而，由于受贸易保护、经贸摩擦等反全球化因素影响，作为关系国计民生的重点能源企业，部署更加靠近用户侧、减轻网络流量符合、降低云端依赖的边缘计算技术显得尤为重要。

2 边缘计算核心设计

2.1 边缘安全架构

云服务的核心价值在于降低企业运营成本，边缘服务的核心价值在于同步实现物理安全、运行安全、数据安全和网络安全。针对边缘安全性，高洁等人研究通过搭建基于区块链技术的DAG（Directed acyclic graph）双链式存储结构，实现边缘计算的服务化封装，进而提高数据冗余性和安全性、增强用户数据异步并发备份存储获得可靠路径[7]。可以预见，伴随配电物联网的全面展开，边缘侧安全管理水平会不断增强。

面对复杂应用场景，一些列解决方案被研发并提出：在物理实体方面，作为主动配电网的关键设施，边缘侧设备安全将上升至与配电设施、用户设施同等重要的地位，其中物理不可克隆函数（PUF）作为物理硬件安全设计方案，可有效抵御功耗分析技术、电磁分析技术、时间分析技术等形式的攻击。在工程实践中，往往诸如DAG采用随机数生成器、加解密计算和密钥存储与区块链技术融合的方式进行安全保障，确保电能的发、输、变、配、用、储始终运营在可靠安全框架内。

2.2 边缘计算架构

主动配电网的边缘主要是相对于云数据中心的逻辑层面的边缘，是一种在4G向5G发展过渡期间的云边缘化解决方案。如同5G通信技术研发落地的时间周期，配电网、微电网以及种类繁多的用户设备的广泛联网同样需要分步走的实施计划，综合用户需求和电网实际，重新梳理边缘计算架构的三项关键部分——服务器、异构计算、虚拟机和容器，可以清晰的确定实现配电网物联网化的有效路径[8]。

2.3 边缘存储架构

边缘存储是保证用户数据安全以及清晰界定数据资产权利的重要部分。从电网企业、用户方、监管方的存储场景来看，边缘存储分为对象存储、文件存储和块存储；从数据存储的逻辑层面来看，边缘存储分为集中式存储和分布式存储（HDFS）；从用户角度来看，存储结构的可视化与资源管理的便捷性必须优先保证，同时，边缘存储数据利用区块链技术可以清晰记录数据的流向和复制的次数，进而保证用户数据在匿名后被数据公司使用、持续创造更大价值。

基于逻辑上更靠近用户的边缘存储服务可以更加有效可靠地建立数据分发、转发网络，并将用户的数据访问需求从云端转移到边缘侧，将有效降低网络带宽资源占用。

3 配电网技术应用

长期以来，配电网自动化被确定为坚强智能电网的重要特征，通过PMS系统、现场作业系统、安监一体化系统、“一分双无”、各项营销服务APP平台上线运行等营配调贯通手段，基本实现了66kV及以下电网、县区级电网的配网自动化升级改造。然而，随着“三供一业”供电分离移交、新能源并网发电、优质服务细粒度升级、大规模电动汽车作为分布式储用单元参与电网削峰填谷等工作推进，用户对于配电网进一步实现态势全面感知、信息高效共享、应用便捷灵活的需求日益迫切。

图1 智能配电变压器终端

图2 配网震动传感器

智能配电变压器终端、智能电表、无线传感网络（WSN）是主动配电网端侧的三大核心要素，目标是完成数据有效采集、电能准确计量、信息可靠传输，用能低碳经济、能源互联。目前，配电网集中在台变、线路以及用户端部署、改造和升级对应一次设备、二次设备智能采集端口，需解决新增端口多、设备数量大、安装范围广、施工难度高等问题，增加地理信息系统（GIS）、气象信息系统、灾备报警系统、能源互联接口、低功耗广域网（LPWAN）、故障自处理以及无人巡检系统等，最终实现配电网运行状态、位置信息、环境状况、视频数据、专家诊断等功能。

图3 智能电表继电器接口电路

图4 杆塔式气象传感器

智能配电变压器终端需要成为主动配电网端侧的信息中心。用户用电设备全寿命周期管理、多任务协同监测、用户信息个性化定制等综合能源生态构建，支撑边端智能协同、业务融合、自主决策、资源互通等新兴业务落地，努力保持电能商品属性和生产要素属性，最大限度满足用户市场预期。

智能电表需要成为主动配电网端侧的能源路由器。符合3GPP统一标准和IR16国际建议、应用IPv6网络技术、满足NB-IoT、CoAP、HPLC等面向物联网的通信协议等，具备即插即用、通信可靠、共融、多芯模组化的物联网级智能电表的地位越来越重要。目前，各省市供电公司都在加紧部署终端层、网络侧物联网设备。

无线传感网络需要成为主动配电网端侧的基础网架。配电网由于布设在城区、城郊、乡村、山地、田野等各类地域，同时需满足无人工抄表、继电保护、故障定位、自动化恢复等功能，除在线监测配用电设备电压、电流、电量、线损等信息外，还需要不间断感知配用电设备所处空气质量、污秽等级、风力风速等环境信息，进而确保主动配电网整体的数据准确录入、安全可靠运行、调控智能自主。

4 结语

主动配电网正处于初步建设阶段，数据业务化和业务数据化的双向推动，让基于用户实际需求和合理预期，进行配电网建设、运行、维护、升级成为可能。得益于能源服务形式和渠道日新月异，供电公司的售电量和利润呈现逐年攀升趋势。然而，从国内三大运行商的发展经验可以得知：按照流量收费的模式，无法保持公司永续发展，更无法满足广大用户的需求。基于此，本文对主动配电网在配网市场发展的进行了预测，并据此提出以边缘计算为分布式感知、决策核心，云端为人工智能模型训练、分发核心，区块链为保障用户数据资产安全核心的配电物联网架构。可以预见的是，面对有效消纳可再生能源的电力现货、期货市场建立和能源交易平台框架设计，进而重新定义电力市场格局的研究亟需加快，这些领域需要在今后的研究中逐一解决。