李雪梅,，金  燊，趙慶凱,，于  蒙,，寇曉溪，趙子蘭,，魏文亮

　?。▏?guó)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(cè)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(guò)統(tǒng)一信息平臺(tái)，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(lái)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(wèn)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(zhǎng),、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(wèn)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(lái)的電力來(lái)源將多樣化,，未來(lái)的電網(wǎng)必須適應(yīng)多種能源類(lèi)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(jiàn)度低,、開(kāi)關(guān)操作機(jī)械式,、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化分析和測(cè)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(chǎng)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(chēng)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(cè)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(guò)信息化手段,，使資源開(kāi)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(hù)終端與電網(wǎng)的無(wú)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(guó)是最早從事智能電網(wǎng)研究的國(guó)家，美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）在1998年就開(kāi)始了“復(fù)雜交互式網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”研究,，2001年開(kāi)展了“Intelligird（智能電網(wǎng)）”系統(tǒng)研究,；在2003年7月美國(guó)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(guó)NIST(美國(guó)國(guó)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(shuō)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(tái)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(guó)家電網(wǎng)公司開(kāi)始推行電力用戶(hù)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(kāi)的“2009特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議”上，國(guó)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(kāi)的全國(guó)“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(guó)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(lái)源,、種類(lèi),、規(guī)模等都有了極大的擴(kuò)充和豐富。根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源不同,，智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)可以分為以下幾種類(lèi)型,。

　　（1）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(lèi)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中變化較小或基本不變。

　?。?）電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),，包括從廣域量測(cè)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(jí)測(cè)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(hù)服務(wù)系統(tǒng),、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等獲得的數(shù)據(jù),。

　　（3）外部環(huán)境數(shù)據(jù),，包括氣候氣象,、地理地貌、國(guó)民經(jīng)濟(jì),、人口風(fēng)俗,、用地類(lèi)型等方面的數(shù)據(jù)信息?；A(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)管理主要存放在設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中,，隨著電網(wǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量也在規(guī)模上漲,。電網(wǎng)狀體監(jiān)測(cè)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(lèi)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(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和處理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

　　智能電網(wǎng)的建設(shè)會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)量的巨大增長(zhǎng),，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(zhǎng),。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(yíng)應(yīng)用,，這些應(yīng)用通過(guò)容量規(guī)劃和設(shè)定額定峰值功率來(lái)大大提高智能電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)，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(chē)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(zhuān)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(lái)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(xún)反饋的數(shù)據(jù)庫(kù)（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(wàn)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(kù)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(kāi)放。分布式應(yīng)用構(gòu)建在開(kāi)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(zhǎng)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(kù)訪問(wèn),，如某些僅支持細(xì)顆粒度訪問(wèn)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,。

　?。?）數(shù)據(jù)類(lèi)型和處理。智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)類(lèi)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(lèi)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(duì)于非同步數(shù)據(jù)的處理,，必須開(kāi)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(chǎng)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(lái)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(duì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的自動(dòng)化方面會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn),，主要在于數(shù)據(jù)模式的先驗(yàn)知識(shí)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(lái)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(lái)源于應(yīng)用的類(lèi)型,，比如針對(duì)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(duì)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(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集過(guò)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(duì)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(duì)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(jí)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(wú)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(duì)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(duì)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(duì)于諸如傳感器數(shù)據(jù)收集來(lái)說(shuō),，TCP是一個(gè)相對(duì)重量級(jí)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(wú)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(duì)于傳感器數(shù)據(jù)采集來(lái)說(shuō)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(cè)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(kāi)銷(xiāo)。

　?。?）通信安全必須是端到端的,、輕量級(jí)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(zhuān)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(hù)端的安全狀態(tài),，這樣電動(dòng)汽車(chē)（EV）在服務(wù)器產(chǎn)生故障、重啟或者移動(dòng)性問(wèn)題時(shí)可能會(huì)造成了家庭充電無(wú)法及時(shí)有效地解決等問(wèn)題,。

　?。?）底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要對(duì)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(wèn)題,，底層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)的中間件平臺(tái),，并對(duì)電網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該是透明的。雖然許多商業(yè)中間件平臺(tái)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(wèn)題。大多數(shù)中間件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)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(duì)較小（不是互聯(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(duì)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(duì)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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