李雪梅，金  燊，趙慶凱，于  蒙，寇曉溪，趙子蘭，魏文亮

　　（國網冀北電力有限公司信息通信分公司 北京 100053）

　　摘  要： 智能電網是將現代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成而形成的新型電網，通過統一信息平臺，實現廣域、全局的信息實時共享。分析了智能電網中大數據的來源和主要特點，數據管理系統主要組成部分，以及數據在通信網絡中傳輸面臨的信息安全問題和要求。

　　關鍵詞： 智能電網；數據管理；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，未來的電網必須適應多種能源類型的發電方式。現有的電網基礎結構維持將近百年，具有信息可見度低、開關操作機械式、響應時間長、自動化分析和測控感知能力差等缺陷，已經很難滿足現代化用電的新需求。為適應高度市場化的電力交易的需要，減少電網損耗，提高電網利用率，迫切地需要設計一種新的電網結構。

　　智能電網（Smart Power Grid)就是電網的智能化，也被稱為“電網2.0”。它是以物理電網為基礎，在高速雙向通信網絡和先進數字技術的基礎上，將傳感測量技術、通信技術、信息化技術、控制技術等幾乎是設備互動技術、決策支持系統技術、計算機技術和物理電網高度集成而形成的智能網絡。它通過信息化手段，使資源開發、轉化（發電）、輸電、配電、供電、售電及用電的電網系統的各個環節進行智能交流，發揮了中央電力體系的集成作用，實現精確供電、互補供電、各種電源和客戶終端與電網的無縫互連，提高了整個電網的可靠性、可用性和綜合效率。

　　美國是最早從事智能電網研究的國家，美國電力科學研究院（EPRI）在1998年就開始了“復雜交互式網絡和系統”研究，2001年開展了“Intelligird（智能電網）”系統研究；在2003年7月美國能源部輸配電辦公室發布了《2030電網》的遠景規劃。2010年1月美國NIST(美國國家標準與技術)發布了智能電網互操作性標準框架，其中包括相關標準、需求以及指導性說明文件共75項，并提出了智能電網建設現階段需求的15項工程，基本上涵蓋了智能電網的各個方面。歐洲委員會(European Commission)2005年發布了歐洲智能電網技術平臺以及其他相關文件，2009年10月公布了戰略能源技術計劃（SET-Plan）路線圖，其中將智能電網作為第一批啟動的6個重點研發投資方向之一。2008年國家電網公司開始推行電力用戶用電信息采集系統，規劃用3～5年的時間實現全網的電能信息采集，實現“全覆蓋、全采集、全預付費”的目標。2009年5月，在北京召開的“2009特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網公司正式發布了“堅強智能電網”發展戰略。在2010年3月召開的全國“兩會”上，溫家寶總理在《政府工作報告》中強調：“大力發展低碳經濟，推廣高效節能技術，積極發展新能源和可再生能源，加強智能電網建設”。這標志著智能電網建設已成為國家的基本發展戰略。

1 智能電網數據特點

　　隨著智能電網的建設，電力系統的數字化、信息化和智能化的不斷發展，數據來源、種類、規模等都有了極大的擴充和豐富。根據數據來源不同，智能電網數據可以分為以下幾種類型。

　　（1）基礎設備數據，主要是電力企業內部的設備固有的數據及相關的參數，此類數據在系統運行過程中變化較小或基本不變。

　　（2）電網狀態監測數據，包括從廣域量測系統(Wide Area Measurement System，WAMS)、數據采集與監控系統(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)和高級測量體系（Advanced Metering Infrastructure，AMI）系統以及生產管理系統、能量管理系統、配電管理系統、客戶服務系統、財務管理系統等獲得的數據。

　　（3）外部環境數據，包括氣候氣象、地理地貌、國民經濟、人口風俗、用地類型等方面的數據信息。基礎設備數據管理主要存放在設備數據庫中，隨著電網規模的增長，數據量也在規模上漲。電網狀體監測數據是電網數據的基礎，數據量大、結構復雜、種類繁多，除了傳統的結構化數據，還包含大量的半機構化、非結構化的數據，而且這些數據的采樣頻率和生命周期也各不相同，對傳統的數據管理和處理帶來了挑戰。

　　智能電網的建設會帶來數據量的巨大增長，這些數據必須科學地管理，并用于電力公司不斷增加的應用中。隨著智能電網的發展，在傳配電系統中將促進傳感器的大量部署應用如IEDs（Intelligent Electronic Devices）、PMUs（Phasor Measurement Units）和智能電表，以及從傳感器收集到的數據量的增長。這種附加數據擴展了電網從變電站和電力公司數據控制中心（Data and Control Centers，DCCs）到傳輸饋線、分布式發電和消費地點的傳統通信邊界的可視度。這些數據在傳統和新的電力公司電網中的高可用性使得它可以定義新的商業和運營應用，這些應用通過容量規劃和設定額定峰值功率來大大提高智能電網的運營，此外，新的應用將有利于部署新能源服務，如能源審計技術、需求響應計劃和電動汽車充電。為了從這些數據中取得最大的價值，電力公司發展數據管理策略是必不可少的，包括數據收集、數據相關性和完全不同數據源得到數據量的分析，并把這些數據轉化成電網管理和業務功能可操作的有用信息。

2 智能電網數據管理系統

　　智能電網中的數據管理所面臨的主要技術挑戰是通信和數據管理標準的多變性，數據會根據不同的協議編碼成不同的格式。通常，數據格式是專有的，這就要求數據分析系統包含數據格式轉換和標準化功能來收集和分析不同的數據，同時數據管理系統要考慮安全性和隱私性。

　　一個典型的智能電網數據管理系統包括以下幾個組成部分。

　　（1）數據存儲系統。智能電網數據管理系統的核心是能夠處理大容量數據并支持快速數據查詢反饋的數據庫（DataBase，DB）。例如，一個大型分布式的AMI網絡可能具有數十萬個電表，每個電表每15分鐘會上報一次，數據分析系統需要快速獲取這些數據。雖然傳統的數據庫系統（如Oracle、DB2或者MySQL）能夠處理如此大容量，但是需要更加開放。分布式應用構建在開源軟件架構的基礎上，比如Hadoop 分布式文件系統，這種新的數據密集型分布式應用發展框架允許數據存儲在分布式服務器中，因此具有更好的可擴展性和健壯性。Hadoop系統也支持結構化數據（如電表和傳感器數據）和非結構化數據（如天氣數據），并能長時間保持數據一致性。然后這些分布式數據存儲系統從安全角度考慮可是有限制的，它們受限于所支持的相關數據庫訪問，如某些僅支持細顆粒度訪問控制和數據完整性檢查、處理實體操作數據等重要的功能。

　　（2）數據類型和處理。智能電網的數據類型從結構化到半結構化和非結構化，結構化數據具有特殊的格式，是典型的智能電表數據。非結構化數據類似于手動輸入事件數據，比如郵件信息等。從數據處理角度，系統必須同時支持同步和非同步數據，通常事件數據都是非同步的，同步數據的支持需要確定檢索文件的最近刷新頻率。對于非同步數據的處理，必須開發一個基于Publisher-Subscriber的中間件系統，其能夠跨越企業網絡的場域網絡，一旦數據被安全地輸入網絡，復合事件處理引擎（Complex Event Processing(CEP) engines）能夠以有效的方式提取并提取執行信息進行數據處理。當處理的數據不是直接來源于電力公司控制的網絡系統（比如公共記錄或者人口統計數據），對數據管理系統的自動化方面會帶來新的挑戰，主要在于數據模式的先驗知識的缺乏，因為這些數據源的關聯必須以事件為基礎來進行處理。

　　（3）數據質量。高質量數據的主要特征有準確性、及時性和執行具體任務的相關性。高質量的需求來源于應用的類型，比如針對計費應用，每小時更新或者更大顆粒度的周期性數據輸入是能夠滿足的，然后，對于功率流狀態的估計需要每秒50或者60個樣本分辨率的細顆粒度數據。為保持已收集數據的準確性和簡化數據收集過程，大部分的數據管理系統采用驗證、估計和修正(Validating Estimating and Editing，VEE)流程，典型的VEE流程基本上是每天運行一次，然后對于狀態估計和電壓控制的操作，需要具有幾秒鐘到幾分鐘時間內的高質量數據，因為實時計算需要使用更細的細粒度的數據。

3 智能電網的信息安全要求

　　通常，為了有效地、可擴展地引入新的電網操作，電力公司需要整合智能電網的通信網絡。智能電網的數據管理系統是構建在整合的通信網絡基礎上，并對通信網絡提出了要求。

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

　　當IP用于網絡層協議時，電網的大部分數據需要持續從大量的傳感器中在相對大的時間間隔內收集，TCP是通用性的、多用途的并具有數據傳輸保證性的機制。因此，對于諸如傳感器數據收集來說，TCP是一個相對重量級的協議。當TCP不提供數據傳輸的可靠性的時候，就無法滿足智能電網應用相關的限時事件的性能要求，及時數據傳輸也是一個重要的要求，這使得對于傳感器數據采集來說TCP是一個繁瑣的協議。TCP的大部分性能著重于大數據量傳輸和流控制，不被利用的數據監測和其他電網數據收集。采用TCP作為所有數據采集的默認協議時需要消耗計算資源，比如內存、CPU和帶寬，因而會增加端到端的時延和傳感器的額外計算開銷。

　　（2）通信安全必須是端到端的、輕量級的和可擴展的。許多已知的端到端安全協議，如IPSec、Transport Layer Security(TLS)、Datagram Transport Layer Security(DTLS)和Secure Real-Time Transport Protocol（SRTP），都是基于IP運行以保證端到端的安全。但是許多設備可能不基于IP尋址（如專有AMI解決方案中的電表）。即使所有網格設備都基于IP尋址，上述協議也不能廣泛應用于所有設備，因為需要集中的資源（如計算、內存和帶寬）。此外服務器需要維護每個協議客戶端的安全狀態，這樣電動汽車（EV）在服務器產生故障、重啟或者移動性問題時可能會造成了家庭充電無法及時有效地解決等問題。

　　（3）底層網絡協議需要對電網應用隱藏。

　　為了加快智能電網應用部署和容易地解決互操作性問題，底層網絡應該能夠提供應用開發的中間件平臺，并對電網應用設計和開發人員應該是透明的。雖然許多商業中間件平臺已經存在，大多數受限于智能電網的安全性、可擴展性或彈性問題。大多數中間件平臺的設計主要針對企業網絡，其中每個網絡從物理上和邏輯上都是受到保護，網絡節點的數目相對較小（不是互聯網規模）。

4 結論

　　電網大數據貫穿發動、輸電、變電、配電和用電等電力生產和管理的各個環節，掌握電力大數據的管理和分析，保證電網信息的安全對電力行業可持續發展和堅強智能電網的建設具有重要意義。本文分析電力大數據的特點，管理系統設計和信息安全的要求，希望對數據技術在智能電網建設中的應用提供有益的參考。

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