李雪梅，金  燊，赵庆凯，于  蒙，寇晓溪，赵子兰，魏文亮

　　（国网冀北电力有限公司信息通信分公司 北京 100053）

　　摘  要： 智能电网是将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网，通过统一信息平台，实现广域、全局的信息实时共享。分析了智能电网中大数据的来源和主要特点，数据管理系统主要组成部分，以及数据在通信网络中传输面临的信息安全问题和要求。

　　关键词： 智能电网；数据管理；信息安全

0 引言

　　伴随着人口的不断增长、能源消耗的不断增加、全球气候变暖、化石燃料的不断减少等问题与电能生产能力的有限性之间矛盾的不断激化，因此，未来的电力来源将多样化，未来的电网必须适应多种能源类型的发电方式。现有的电网基础结构维持将近百年，具有信息可见度低、开关操作机械式、响应时间长、自动化分析和测控感知能力差等缺陷，已经很难满足现代化用电的新需求。为适应高度市场化的电力交易的需要，减少电网损耗，提高电网利用率，迫切地需要设计一种新的电网结构。

　　智能电网（Smart Power Grid)就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”。它是以物理电网为基础，在高速双向通信网络和先进数字技术的基础上，将传感测量技术、通信技术、信息化技术、控制技术等几乎是设备互动技术、决策支持系统技术、计算机技术和物理电网高度集成而形成的智能网络。它通过信息化手段，使资源开发、转化（发电）、输电、配电、供电、售电及用电的电网系统的各个环节进行智能交流，发挥了中央电力体系的集成作用，实现精确供电、互补供电、各种电源和客户终端与电网的无缝互连，提高了整个电网的可靠性、可用性和综合效率。

　　美国是最早从事智能电网研究的国家，美国电力科学研究院（EPRI）在1998年就开始了“复杂交互式网络和系统”研究，2001年开展了“Intelligird（智能电网）”系统研究；在2003年7月美国能源部输配电办公室发布了《2030电网》的远景规划。2010年1月美国NIST(美国国家标准与技术)发布了智能电网互操作性标准框架，其中包括相关标准、需求以及指导性说明文件共75项，并提出了智能电网建设现阶段需求的15项工程，基本上涵盖了智能电网的各个方面。欧洲委员会(European Commission)2005年发布了欧洲智能电网技术平台以及其他相关文件，2009年10月公布了战略能源技术计划（SET-Plan）路线图，其中将智能电网作为第一批启动的6个重点研发投资方向之一。2008年国家电网公司开始推行电力用户用电信息采集系统，规划用3～5年的时间实现全网的电能信息采集，实现“全覆盖、全采集、全预付费”的目标。2009年5月，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式发布了“坚强智能电网”发展战略。在2010年3月召开的全国“两会”上，温家宝总理在《政府工作报告》中强调：“大力发展低碳经济，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”。这标志着智能电网建设已成为国家的基本发展战略。

1 智能电网数据特点

　　随着智能电网的建设，电力系统的数字化、信息化和智能化的不断发展，数据来源、种类、规模等都有了极大的扩充和丰富。根据数据来源不同，智能电网数据可以分为以下几种类型。

　　（1）基础设备数据，主要是电力企业内部的设备固有的数据及相关的参数，此类数据在系统运行过程中变化较小或基本不变。

　　（2）电网状态监测数据，包括从广域量测系统(Wide Area Measurement System，WAMS)、数据采集与监控系统(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)和高级测量体系（Advanced Metering Infrastructure，AMI）系统以及生产管理系统、能量管理系统、配电管理系统、客户服务系统、财务管理系统等获得的数据。

　　（3）外部环境数据，包括气候气象、地理地貌、国民经济、人口风俗、用地类型等方面的数据信息。基础设备数据管理主要存放在设备数据库中，随着电网规模的增长，数据量也在规模上涨。电网状体监测数据是电网数据的基础，数据量大、结构复杂、种类繁多，除了传统的结构化数据，还包含大量的半机构化、非结构化的数据，而且这些数据的采样频率和生命周期也各不相同，对传统的数据管理和处理带来了挑战。

　　智能电网的建设会带来数据量的巨大增长，这些数据必须科学地管理，并用于电力公司不断增加的应用中。随着智能电网的发展，在传配电系统中将促进传感器的大量部署应用如IEDs（Intelligent Electronic Devices）、PMUs（Phasor Measurement Units）和智能电表，以及从传感器收集到的数据量的增长。这种附加数据扩展了电网从变电站和电力公司数据控制中心（Data and Control Centers，DCCs）到传输馈线、分布式发电和消费地点的传统通信边界的可视度。这些数据在传统和新的电力公司电网中的高可用性使得它可以定义新的商业和运营应用，这些应用通过容量规划和设定额定峰值功率来大大提高智能电网的运营，此外，新的应用将有利于部署新能源服务，如能源审计技术、需求响应计划和电动汽车充电。为了从这些数据中取得最大的价值，电力公司发展数据管理策略是必不可少的，包括数据收集、数据相关性和完全不同数据源得到数据量的分析，并把这些数据转化成电网管理和业务功能可操作的有用信息。

2 智能电网数据管理系统

　　智能电网中的数据管理所面临的主要技术挑战是通信和数据管理标准的多变性，数据会根据不同的协议编码成不同的格式。通常，数据格式是专有的，这就要求数据分析系统包含数据格式转换和标准化功能来收集和分析不同的数据，同时数据管理系统要考虑安全性和隐私性。

　　一个典型的智能电网数据管理系统包括以下几个组成部分。

　　（1）数据存储系统。智能电网数据管理系统的核心是能够处理大容量数据并支持快速数据查询反馈的数据库（DataBase，DB）。例如，一个大型分布式的AMI网络可能具有数十万个电表，每个电表每15分钟会上报一次，数据分析系统需要快速获取这些数据。虽然传统的数据库系统（如Oracle、DB2或者MySQL）能够处理如此大容量，但是需要更加开放。分布式应用构建在开源软件架构的基础上，比如Hadoop 分布式文件系统，这种新的数据密集型分布式应用发展框架允许数据存储在分布式服务器中，因此具有更好的可扩展性和健壮性。Hadoop系统也支持结构化数据（如电表和传感器数据）和非结构化数据（如天气数据），并能长时间保持数据一致性。然后这些分布式数据存储系统从安全角度考虑可是有限制的，它们受限于所支持的相关数据库访问，如某些仅支持细颗粒度访问控制和数据完整性检查、处理实体操作数据等重要的功能。

　　（2）数据类型和处理。智能电网的数据类型从结构化到半结构化和非结构化，结构化数据具有特殊的格式，是典型的智能电表数据。非结构化数据类似于手动输入事件数据，比如邮件信息等。从数据处理角度，系统必须同时支持同步和非同步数据，通常事件数据都是非同步的，同步数据的支持需要确定检索文件的最近刷新频率。对于非同步数据的处理，必须开发一个基于Publisher-Subscriber的中间件系统，其能够跨越企业网络的场域网络，一旦数据被安全地输入网络，复合事件处理引擎（Complex Event Processing(CEP) engines）能够以有效的方式提取并提取执行信息进行数据处理。当处理的数据不是直接来源于电力公司控制的网络系统（比如公共记录或者人口统计数据），对数据管理系统的自动化方面会带来新的挑战，主要在于数据模式的先验知识的缺乏，因为这些数据源的关联必须以事件为基础来进行处理。

　　（3）数据质量。高质量数据的主要特征有准确性、及时性和执行具体任务的相关性。高质量的需求来源于应用的类型，比如针对计费应用，每小时更新或者更大颗粒度的周期性数据输入是能够满足的，然后，对于功率流状态的估计需要每秒50或者60个样本分辨率的细颗粒度数据。为保持已收集数据的准确性和简化数据收集过程，大部分的数据管理系统采用验证、估计和修正(Validating Estimating and Editing，VEE)流程，典型的VEE流程基本上是每天运行一次，然后对于状态估计和电压控制的操作，需要具有几秒钟到几分钟时间内的高质量数据，因为实时计算需要使用更细的细粒度的数据。

3 智能电网的信息安全要求

　　通常，为了有效地、可扩展地引入新的电网操作，电力公司需要整合智能电网的通信网络。智能电网的数据管理系统是构建在整合的通信网络基础上，并对通信网络提出了要求。

　　（1）接入技术的抽象化和数据采集的及时收集需要端到端和轻量级的网络协议。TCP/IP协议由于具有可扩展性和灵活性，很直观地被考虑作为候选的端到端的网络协议，但是其也具有不利的方面。首先，TCP不能用作无IP传输层协议，但是许多智能电网元件，包括传感器可能不适用IP作为它们的网络协议。对于快速和可扩展性的部署，智能电网通信网络需要支持传统的协议，因此采用TCP作为传统网络的通信协议是不可能的。

　　当IP用于网络层协议时，电网的大部分数据需要持续从大量的传感器中在相对大的时间间隔内收集，TCP是通用性的、多用途的并具有数据传输保证性的机制。因此，对于诸如传感器数据收集来说，TCP是一个相对重量级的协议。当TCP不提供数据传输的可靠性的时候，就无法满足智能电网应用相关的限时事件的性能要求，及时数据传输也是一个重要的要求，这使得对于传感器数据采集来说TCP是一个繁琐的协议。TCP的大部分性能着重于大数据量传输和流控制，不被利用的数据监测和其他电网数据收集。采用TCP作为所有数据采集的默认协议时需要消耗计算资源，比如内存、CPU和带宽，因而会增加端到端的时延和传感器的额外计算开销。

　　（2）通信安全必须是端到端的、轻量级的和可扩展的。许多已知的端到端安全协议，如IPSec、Transport Layer Security(TLS)、Datagram Transport Layer Security(DTLS)和Secure Real-Time Transport Protocol（SRTP），都是基于IP运行以保证端到端的安全。但是许多设备可能不基于IP寻址（如专有AMI解决方案中的电表）。即使所有网格设备都基于IP寻址，上述协议也不能广泛应用于所有设备，因为需要集中的资源（如计算、内存和带宽）。此外服务器需要维护每个协议客户端的安全状态，这样电动汽车（EV）在服务器产生故障、重启或者移动性问题时可能会造成了家庭充电无法及时有效地解决等问题。

　　（3）底层网络协议需要对电网应用隐藏。

　　为了加快智能电网应用部署和容易地解决互操作性问题，底层网络应该能够提供应用开发的中间件平台，并对电网应用设计和开发人员应该是透明的。虽然许多商业中间件平台已经存在，大多数受限于智能电网的安全性、可扩展性或弹性问题。大多数中间件平台的设计主要针对企业网络，其中每个网络从物理上和逻辑上都是受到保护，网络节点的数目相对较小（不是互联网规模）。

4 结论

　　电网大数据贯穿发动、输电、变电、配电和用电等电力生产和管理的各个环节，掌握电力大数据的管理和分析，保证电网信息的安全对电力行业可持续发展和坚强智能电网的建设具有重要意义。本文分析电力大数据的特点，管理系统设计和信息安全的要求，希望对数据技术在智能电网建设中的应用提供有益的参考。

参考文献

　　[1]胡婧.统一坚强智能电网建设路线图——访国家电网公司智能电网部主任王益民[J].国家电网,2009,(08):30-32.

　　[2]刘振亚.智能电网知识读本[M].北京:中国电力出版社,2010.

　　[3]《2009美国复苏与再投资法案》能源部分节选[J].中国电力企业管理,2009(07):19.

　　[4]余贻鑫，栾文鹏. 智能电网的基本理念[J].天津大学学报，2011，44(5):377-384.

　　[5]陈树勇，宋书芳，李兰欣. 智能电网技术综述[J].电网技术，2009，33(8):1-7.

　　[6]辛培哲，李隽，王玉东. 智能配用电网通信技术及组网方案[J]. 电力建设，2011(1)：22-26.

　　[7]马亮．智能电网概述[J].新材料产业，2011（3）：39-45.

　　[8]张东霞，苗新，刘丽萍，等．智能电网大数据技术发展研究[J]．中国电机工程学报，2015，35(1)：2-12.

　　[9]李国杰，程学旗．大数据研究：未来科技及经济社会发展的重大战略领域——大数据的研究现状与科学思考[J]．中国科学院院刊，2012(6)：647-657.

　　[10]苏文博，林亮成，杨景龙．电网数据集成与管理系统研究[J]．中国电力教育，2008(S3)：369-370.