分布式能源不僅包括風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能和冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)，還將包括氫燃料電池和鋰動(dòng)力電池等發(fā)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)，具有負(fù)荷微量化和碎片化的趨勢(shì)，在集成應(yīng)用于能源網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)點(diǎn)，即提高低碳或無碳能源的利用率，促進(jìn)能源生態(tài)的綠色化，同時(shí)大規(guī)模接入的間歇性和波動(dòng)性會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和電力交易造成直接的沖擊，影響電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性；另一方面，大量的分布式能源并網(wǎng)在不受精確控制的情況下，會(huì)造成能源系統(tǒng)不可控制、運(yùn)行效率低下，甚至危害能源網(wǎng)絡(luò)安全，因此，以微電網(wǎng)（Micro-Grid）的形式引導(dǎo)分布式能源在用戶側(cè)就地消納，實(shí)現(xiàn)智能化的實(shí)時(shí)管控，形成有助于高比例、高效能和高兼容的分布式能源應(yīng)用的智能微電網(wǎng)應(yīng)用，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)綠色能源需求的不斷增長(zhǎng)，且便于實(shí)現(xiàn)多種能源形式的互補(bǔ)而越來越受到重視。

隨著能源低碳化與供需一體化，加之能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)，分布式能源系統(tǒng)將漸趨成為未來主要的能源運(yùn)行方式。對(duì)于我國(guó)主要以傳統(tǒng)化石能源和集中式規(guī)模化新能源業(yè)務(wù)為主的能源企業(yè)來說，發(fā)展分布式能源是值得高度關(guān)注的重要戰(zhàn)略方向，應(yīng)積極開發(fā)面向基于分布式能源的智能微電網(wǎng)云平臺(tái)相關(guān)技術(shù)與商業(yè)解決方案，這對(duì)于大型能源企業(yè)自身的綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)以及應(yīng)對(duì)全球能源變革都具有重大意義。

智能微電網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

面向分布式能源的智能微電網(wǎng)旨在實(shí)現(xiàn)中低壓配電系統(tǒng)層面上分布式能源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式能源無縫接入和并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的主要問題，同時(shí)要具備實(shí)時(shí)高智能的能量管理功能，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行人員的調(diào)度難度，并提升可再生能源的接入能力。這就要求智能微電網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)，包括交互云、數(shù)據(jù)云等，能夠承載幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的連接設(shè)備數(shù)，具備高速多線程的大數(shù)據(jù)處理能力。隨著國(guó)內(nèi)外在智能微電網(wǎng)理論與實(shí)踐方面的研究不斷累積，基于云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)微電網(wǎng)云平臺(tái)的技術(shù)研究也在快速演進(jìn)。

國(guó)內(nèi)能源行業(yè)內(nèi)已經(jīng)提出了多種云平臺(tái)建設(shè)方案或類似計(jì)劃，包括國(guó)家電網(wǎng)公司的SG186與國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)資源計(jì)劃（SG-ERP）、南方電網(wǎng)公司的基于SOA的企業(yè)級(jí)信息系統(tǒng)等。在IT產(chǎn)業(yè)界，包括Goole、MicroSoft和IBM等在內(nèi)的許多大企業(yè)投身于云計(jì)算的研究與實(shí)踐，并推出了一系列的云計(jì)算平臺(tái)，包括AmazonElasticComputeCloud、GoogleAppEngine、SunGrid和Aneka等。在學(xué)術(shù)界，也有研究者開始探討云計(jì)算技術(shù)在能源中的應(yīng)用前景。

目前的云計(jì)算技術(shù)在智能微電網(wǎng)中的研究及應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源的集成與管理。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，存在熱/電/冷聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、小型水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和氫燃料電池等多種能源應(yīng)用系統(tǒng)與不同的應(yīng)用平臺(tái)，由于其應(yīng)用的不同以及軟硬件提供商、開發(fā)商不同，導(dǎo)致能源數(shù)據(jù)資源分散，并呈明顯的異構(gòu)性，很難實(shí)現(xiàn)共享。云平臺(tái)利用虛擬化技術(shù)使不同的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用等資源抽象成服務(wù)形式，清洗各自差異，統(tǒng)一對(duì)外提供服務(wù)。

2）海量數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)與管理。利用分布式存儲(chǔ)方式，采用BigTable等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算在智能微電網(wǎng)中對(duì)各類能源數(shù)據(jù)的海量級(jí)別可靠存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)分析處理以及高效管理。

3）快速的微電網(wǎng)系統(tǒng)并行計(jì)算與分析。利用云計(jì)算平臺(tái)高性能的并行處理及運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)智能微電網(wǎng)中多能互補(bǔ)及供需匹配策略的高效計(jì)算與分析。國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)微電網(wǎng)示范工程，建設(shè)了基于云計(jì)算技術(shù)的智能管控平臺(tái)，根據(jù)任務(wù)的信息采用適當(dāng)?shù)牟呗园巡煌娜蝿?wù)分配到不同的資源節(jié)點(diǎn)上去運(yùn)行。由于云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施具有異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，這就對(duì)網(wǎng)格的任務(wù)分配策略提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，低效的任務(wù)分配策略勢(shì)必會(huì)增加任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，降低整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)的吞吐量。針對(duì)智能電網(wǎng)中不同類別的任務(wù)調(diào)度，如何高效地分配利用分布式資源，尚需要一些有效的調(diào)度算法。

國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)微電網(wǎng)示范工程，建設(shè)了基于云計(jì)算技術(shù)的智能管控平臺(tái)，根據(jù)任務(wù)的信息采用適當(dāng)?shù)牟呗园巡煌娜蝿?wù)分配到不同的資源節(jié)點(diǎn)上去運(yùn)行。由于云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施具有異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，這就對(duì)網(wǎng)格的任務(wù)分配策略提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，低效的任務(wù)分配策略勢(shì)必會(huì)增加任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，降低整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)的吞吐量。針對(duì)智能電網(wǎng)中不同類別的任務(wù)調(diào)度，如何高效地分配利用分布式資源，尚需要一些有效的調(diào)度算法。

近年來，啟發(fā)式智能算法成為任務(wù)調(diào)度問題的一個(gè)主要研究方向，經(jīng)典啟發(fā)式算法主要包括Sufferage算法、Min-min算法、遺傳算法（GeneticAlgorithm，GA）和模擬退火（Simu-latedAnnealing，SA）算法。同時(shí)，用經(jīng)濟(jì)模型來刻畫能源資源的供求關(guān)系也逐漸得到廣泛的利用。澳大利亞的Buyya在計(jì)算經(jīng)濟(jì)體系結(jié)構(gòu)（GridArchitectureofComputationalEconomy）下提出了一種DBC（DeadlineandBudgetConstrained）調(diào)度算法。與傳統(tǒng)的啟發(fā)式算法不同，在該算法中，任務(wù)的計(jì)算費(fèi)用也作為一個(gè)重要參數(shù)被考慮進(jìn)來，并根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)分為時(shí)間最優(yōu)化、費(fèi)用最優(yōu)化和保守時(shí)間最優(yōu)化等，分別以任務(wù)的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算費(fèi)用作為主要目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

除了云計(jì)算平臺(tái)中需要解決的多源能源資源集成優(yōu)化、資源虛擬化和云計(jì)算服務(wù)架構(gòu)選擇等基本關(guān)鍵問題之外，對(duì)于智能微電網(wǎng)的特定要求與特點(diǎn)亦不容忽視，同時(shí)對(duì)智能微電網(wǎng)云平臺(tái)的高效調(diào)度和自愈性問題也是當(dāng)前應(yīng)用研究的關(guān)鍵所在。

智能微電網(wǎng)的智能化關(guān)鍵就在于系統(tǒng)多任務(wù)的協(xié)同高效調(diào)度，對(duì)實(shí)時(shí)計(jì)算資源的要求與依賴日益提高。在面向分布式能源的智能微電網(wǎng)云平臺(tái)中，云端所要調(diào)度的任務(wù)環(huán)境是面向各類分布式能源及其相關(guān)應(yīng)用。因此，為適應(yīng)智能微電網(wǎng)云平臺(tái)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性以及安全性要求，需要結(jié)合已有的各種研究成果，分析各種調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn)與不足，研究動(dòng)態(tài)的、面向分布式能源的任務(wù)調(diào)度算法。綜合來看，云平臺(tái)技術(shù)在智能微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究仍尚處于探索階段。

面向分布式能源的智能微電網(wǎng)平臺(tái)特性與關(guān)鍵技術(shù)

面向分布式能源的智能微電網(wǎng)的主要特質(zhì)可以歸納為：

①支持多種新能源分布式發(fā)電；

②快速隔離響應(yīng)，對(duì)大電網(wǎng)無影響；

③可并網(wǎng)或孤網(wǎng)運(yùn)行，即插即用，無縫切換；

④具有儲(chǔ)能系統(tǒng)，支持削峰填谷；

⑤高可靠性供電，安全、穩(wěn)定運(yùn)行；

⑥具有智能、高效的能源管理功能，提高能源利用率；

⑦支持多級(jí)微電網(wǎng)；

⑧適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)有的電力管理體制。

智能微電網(wǎng)云平臺(tái)就是通過云計(jì)算技術(shù)，針對(duì)分布式能源應(yīng)用特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能微電網(wǎng)上述八個(gè)主要特質(zhì)而設(shè)計(jì)開發(fā)的云平臺(tái)。所謂云平臺(tái)，是指提供基于“云”的服務(wù)，供智能微電網(wǎng)管控系統(tǒng)開發(fā)者創(chuàng)建應(yīng)用時(shí)采用；開發(fā)人員不必重新構(gòu)建開發(fā)基礎(chǔ)，可以依靠云平臺(tái)來快速高效地創(chuàng)建多種新的SaaS應(yīng)用。云平臺(tái)的直接用戶是智能微電網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)者，而不是微電網(wǎng)終端用戶。

智能微電網(wǎng)云平臺(tái)的功能特性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）寬幅兼容。接入分布式能源，自適應(yīng)處理技術(shù)。

2）智能監(jiān)測(cè)。采用先進(jìn)的智能化量測(cè)、傳感技術(shù)。

3）實(shí)時(shí)分析。數(shù)據(jù)到信息的高效提升，優(yōu)化運(yùn)行方式。

4）精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。通過模型仿真和潮流分析，合理預(yù)測(cè)和分配電力。

5）敏捷控制。對(duì)監(jiān)測(cè)狀態(tài)進(jìn)行有效控制。

實(shí)現(xiàn)上述云平臺(tái)的功能特性，要求在智能微電網(wǎng)開發(fā)初期就需要做好關(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)備。主要的關(guān)鍵技術(shù)分為私有云服務(wù)：提供計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等；SaaS云服務(wù)，比如視頻分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析、人工智能和區(qū)塊鏈等；TOB定制云業(yè)務(wù)；平臺(tái)工具類。

（1）多源數(shù)據(jù)采集清洗技術(shù)

通過大量傳感器和智能表計(jì)以固定頻率周期性的集微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各類分布式能源的生產(chǎn)與消費(fèi)數(shù)據(jù)，形成一個(gè)覆蓋微電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)(控制中心、變電站、分段開關(guān)和用戶端口等)的IP通信網(wǎng)，采用光纖、無線與載波等組網(wǎng)技術(shù)，支持各種配電終端與系統(tǒng)“上網(wǎng)”。該技術(shù)融合了基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)清洗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多源數(shù)據(jù)采集過程中的錯(cuò)誤、遺漏以及格式差異，進(jìn)行規(guī)制、補(bǔ)采與清洗。

（2）先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)

光學(xué)或電子互感器、架空線路與電纜溫度測(cè)量、電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和電能質(zhì)量測(cè)量等技術(shù)，只對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感與量測(cè)，不做數(shù)據(jù)可靠性辨識(shí)。融合了云計(jì)算能力的先進(jìn)傳感量測(cè)是以數(shù)據(jù)比對(duì)、數(shù)據(jù)測(cè)試，實(shí)時(shí)分析判斷數(shù)據(jù)量測(cè)準(zhǔn)確性與可靠性，保障微電網(wǎng)智能管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

（3）基于網(wǎng)格文件的多維索引技術(shù)

在微電網(wǎng)的系統(tǒng)保護(hù)、離并網(wǎng)高效切換、產(chǎn)需匹配尋優(yōu)和碳足跡跟蹤等各業(yè)務(wù)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)瞬時(shí)調(diào)用與分析中，常用的是基于Google公司的Hadoop平臺(tái)開發(fā)的Hive數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)。但是Hive對(duì)于索引的支持較弱，難以實(shí)現(xiàn)多緯度數(shù)據(jù)索引。目前正在設(shè)計(jì)基于網(wǎng)格文件（Grid-File）的分布式多維索引DGFIndex（DistributedGridFileIndex），用于提高多維區(qū)間查詢性能。

（4）高級(jí)配電自動(dòng)化技術(shù)

目前的配電自動(dòng)化技術(shù)包括配電運(yùn)行自動(dòng)化(安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、綜合自動(dòng)化和饋線自動(dòng)化)、配電管理自動(dòng)化(配電地理信息系統(tǒng)、設(shè)備管理和檢修管理等)以及需求側(cè)響應(yīng)自動(dòng)化這三個(gè)方面的內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上的微電網(wǎng)云平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)的是高級(jí)配電自動(dòng)化(Advanced Distribution Automation，ADA)，支持DER的“即插即用”，采用IP技術(shù)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)模型與通信服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化與開放性。

（5）高級(jí)量測(cè)技術(shù)(Advanced Metering Architecture，AMA)

高級(jí)量測(cè)技術(shù)是一個(gè)使用智能電能表通過多種通信介質(zhì)，配合ETL技術(shù)，發(fā)揮云端計(jì)算能力，按需或以設(shè)定的方式測(cè)量、收集并分析用戶側(cè)的能源使用和消費(fèi)數(shù)據(jù)的技術(shù)體系。AMA是支持用戶互動(dòng)并實(shí)現(xiàn)需求側(cè)快速實(shí)時(shí)響應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。

（6）ETL（Extract-Transform-Load）技術(shù)

ETL是構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫的重要一環(huán)，用戶從數(shù)據(jù)源中抽取出所需的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗，最終按照預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)倉庫模型將數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)倉庫中去。這是貫通基于多種分布式能源的各類數(shù)據(jù)源，包括Oracle、SQLServer、Sybase、DB2和MySQL等，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)一致性并與微電網(wǎng)多能源業(yè)務(wù)場(chǎng)景融會(huì)貫通的云平臺(tái)搭建的核心技術(shù)。

智能微電網(wǎng)云平臺(tái)架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）云平臺(tái)系統(tǒng)架

根據(jù)數(shù)據(jù)的流向，設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為四層架構(gòu)：

①數(shù)據(jù)采集層：主要通過傳感器（智能表計(jì)）等獲取各回路的電耗及其相關(guān)能源參數(shù)、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、制氫用氫和用電量等能源信息；

②數(shù)據(jù)傳輸層：主要把能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議格式上傳至節(jié)能管理監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；

③數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)層及顯示：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要負(fù)責(zé)對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)、分析、處理和存儲(chǔ)；

④數(shù)據(jù)展示層：主要對(duì)存儲(chǔ)層中的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和發(fā)布。

設(shè)計(jì)將采用基于Hadoop生態(tài)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和并行計(jì)算系統(tǒng)解決方案。

圖1面向分布式能源的智能微電網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）云平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該云平臺(tái)設(shè)計(jì)總的數(shù)據(jù)庫選型是從開放性、安全性和性能等角度綜合考量。同時(shí)，結(jié)合本項(xiàng)目中大數(shù)據(jù)的處理、分析和預(yù)測(cè)的要求，除了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫以外，還考慮選擇非關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有力地補(bǔ)充。提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性和安全性，提高數(shù)據(jù)處理和分析的效率。

數(shù)據(jù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)除了考慮數(shù)據(jù)庫的性能，更關(guān)注的是數(shù)據(jù)架構(gòu)與神華科技園各類分布式能源的業(yè)務(wù)融合，構(gòu)建的云平臺(tái)要支撐多源數(shù)據(jù)、多能互補(bǔ)的全類數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）的存儲(chǔ)管理和快速高效分析，能夠?qū)崿F(xiàn)在百TB至PB級(jí)數(shù)據(jù)規(guī)模下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢的秒級(jí)響應(yīng)；能夠?qū)Y(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理；能夠?qū)崿F(xiàn)千億級(jí)文本條目全文檢索的秒級(jí)響應(yīng)。平臺(tái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2平臺(tái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)架構(gòu)系統(tǒng)功能圖

該云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試，具有以下技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

1）實(shí)時(shí)增量數(shù)據(jù)處理：千萬級(jí)別以上的對(duì)象一次增量60萬，20min內(nèi)處理完成。

2）關(guān)鍵業(yè)務(wù)接口處理：8h以上的提高到25分鐘內(nèi)，4min以上的提高到15min內(nèi)，1h以上的提高到10min內(nèi)處理效率。

3）超高速大數(shù)據(jù)交換：在10個(gè)節(jié)點(diǎn)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)內(nèi)，4000萬記錄的數(shù)據(jù)交換不超過10min，3000萬記錄不超過6min。

4）高可靠性的大數(shù)據(jù)平臺(tái)：主控節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，HA節(jié)點(diǎn)2s內(nèi)完成漂移接管。

智能微電網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)的應(yīng)用前景

開發(fā)面向分布式能源的智能微電網(wǎng)云平臺(tái)，是一個(gè)具有容納海量數(shù)據(jù)、高并發(fā)、多進(jìn)程及擁有自主開發(fā)的核心算法的大數(shù)據(jù)平臺(tái)；利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，結(jié)合微電網(wǎng)特點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)際數(shù)據(jù)，搭建契合分布式能源利用特征和多能互補(bǔ)應(yīng)用需求的云平臺(tái)系統(tǒng)將具有廣闊的應(yīng)用空間。

智能微電網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)的建立和運(yùn)行可以有效挖掘大型商業(yè)樓宇、學(xué)校、醫(yī)院和科技園區(qū)等各應(yīng)用場(chǎng)景的用能異常、能耗漏洞，智能優(yōu)化調(diào)度用能方案，更加合理地分配和利用各類能源，從而更精準(zhǔn)地控制能源消耗。在保證提供舒適環(huán)境下，幫助建立起管理節(jié)能的模式，挖掘自身的節(jié)能潛力并結(jié)合技術(shù)節(jié)能措施，有效降低能源消耗和用能成本。該云平臺(tái)系統(tǒng)具有高效率、低成本、智能化和可復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)，是未來分布式能源管理的重要工具，適合廣泛推廣應(yīng)用和實(shí)施。