虚拟电厂技术基础

虚拟电厂技术基础虚拟电厂技术支持平台上接电网调度和交易中心,对下接入各类可调节资源的工业控制系统。平台需满足异构资源系统对电网调节秒级甚至毫秒级的响应要求,同时确保通过公网与电网内部系统的通信安全。基于"云-管-边-端"灵活的物联网体系架构,持续优化系统通信承载技术,提升虚拟电厂的性能参数,以获得更高的响应收益和系统安全防护能力。虚拟电厂平台架构01数据平台层采用高可靠、弹性扩展的云计算和边云协同的分布式计算技术02网络传输层通过微服务架构、边缘计算架构实现弹性扩展和动态调整03应用支撑层支持智慧应用在线扩展,对集采终端及优化策略进行在线升级04业务应用层实现虚拟电厂运营管理和可调节资源运行调控的双重应用虚拟电厂管控平台在架构上分为4层,各层之间具备一定的独立性,配合共同组成运营管控技术架构,支持海量分布式资源的泛在接入,应对多市场主体的建设运营需求。电力通信网络特点网络构成我国电力通信网以光纤、微波及卫星电路构成主干线,各支路充分利用电力线载波、特种光缆等电力系统特有的通信方式,并采用明线、电缆、无线等多种通信手段组成综合通信网。核心优势较高的可靠性和灵活性传输信息量少但种类复杂实时性强具有很大的耐冲击性电力通信系统的独特挑战复杂的网络结构电力系统通信网中有着种类繁多的通信手段和各种不同性质的设备、机型,通过不同的接口方式和转接方式构成复杂的通信网络结构。广泛的通信范围通信范围点多面广,除发电厂、供电局等通信集中的地方,供电区内所有的变电站、电管所都是电力通信服务的对象。很多变电站地处偏远,通信设备的维护半径通常达上百千米。无人值守机房通信点的分散性、业务量少等特点决定了电力通信各站点不可能都设通信值班。除中心枢纽通信站,大多数站点都无人值守,给设备的维护维修带来诸多不便。智能电网通信系统要求利用先进的通信、信息和控制技术,构建以信息化、自动化、互动化为特征的智能电网,是我国电力行业未来的发展方向。建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。数据量要求每个先进变电站需0.2-1.0Mbit/s带宽,连续抄表每百万先进电能表需1.85-2.0Mbit/s带宽,每万个智能传感器需0.5-0.75Gbit/s带宽。实时性要求变电站内部通信延迟小于1ms,其他小于500ms;同步时间偏差小于1ms,确保电网安全稳定运行。环境适应性通信设备必须能够抵御高温、低温、日晒、雨淋、风雪、冰雹和雷电等自然环境的侵袭,避免电磁干扰。网络安全性涉及攻击、防范、检测、控制、管理、评估等多方面的基础理论和实施技术,确保信息传递的完整性和机密性。虚拟电厂通信技术应用主要技术类型基于互联网的技术虚拟专用网络电力线路载波技术GSM/GPRS无线技术3G/4G移动通信技术Wi-Fi、蓝牙、ZigBee应用场景虚拟电厂采用双向通信技术,不仅能够接收各个单元的当前状态信息,而且能够向控制目标发送控制信号。对于大型机组,可使用基于IEC60870-5-101/104协议的遥测系统。随着小型分散电力机组数量增加,昂贵的遥测技术可能被基于简单TCP/IP适配器或电力线路载波的技术所取代。虚拟电厂通信的特殊要求高综合性融合计算机网络技术、控制技术、传感与计量技术,实现从发电到用电各个环节的无缝连接,满足"即插即用"要求。高可靠性当虚拟电厂出现故障时,能够迅速切除故障并将负荷切换到可靠电源上,及时提供核心数据,减少恢复时间。公认标准基于公开、公认的通信技术标准,为传感器、高级电子设备、应用软件之间高速、准确的通信提供支持。高经济性通过预测、阻止对电网可靠性产生消极影响的事件,避免电能质量问题造成的成本追加,减少监控和维护成本。虚拟电厂通信设计原则1规划设计的统一性虚拟电厂通信的规划设计需要与其业务配合进行统一,满足公认的通信标准、可扩展的网络架构及安全可靠的开放性原则。2安全可靠的开放性通信系统的设计既要满足开放性原则,同时又要保证虚拟电厂关键设备及用户隐私数据的安全性。3充分考虑的扩展性随着接入分布式电源和用电设备的增加,以及快速增加的采集数据量,为网络扩展和维护更新做好冗余配置。虚拟电厂要求建设高速、双向通信、宽带、自治的信息通信系统,支持多业务的灵活接入,提供"即插即用"的虚拟电厂信息通信保障。虚拟电厂通信体系结构生产监控通信网解决电力调度、设备在线实时监测、现场作业视频管理、户外设施防盗等问题。采用电力线载波、无线扩频、微波通信、光纤通信、GPRS、3G/4G等技术。配用电通信网用于用户电能信息采集、智能家居、无线传感安防、社区服务管理等。通过低压电力线载波通信、OPLC、无线宽带通信等方式实现。调控中心通信网参照智能电网配电网的通信网络架构构建,将虚拟电厂作为一个有源可控客户端来处理。虚拟电厂通信流程结构虚拟电厂通信系统负责监控、用户等多类型数据信息的双向、及时、可靠传输,是一个集通信、信息、控制等技术为一体的综合系统平台。控制信息传输发、输、变、配、调过程的控制信息由调度数据网承载,保护、安全等对时延要求严格的控制信息采用专用线承载。用户信息传输用户信息采用先进的、适用于电力系统用户网接入特点的、满足互动要求的通信承载技术。管理、运行维护、营销等业务由综合数据网承载。"网络到能源"项目通信设计该项目是欧盟第7框架计划下于2010-2015年完成的虚拟电厂研究与试点项目,实施和验证智能配电的智能计量、智能能量管理和智能配电自动化三大支柱技术。01用户侧通信住宅负荷处的智能电能表通过全球移动通信无线技术将用户消费信息传送给自动计量系统,传送周期为15分钟。02发电侧通信发电资源侧的智能电能表通过RS485串行接口和Modbus协议将测量信息传送给远程终端单元RTU。03中心通信虚拟电厂控制中心和电网调度中心基于IEC61850的CIM数据库,通过CIM-61850转换器模块实现不同通信协议之间的信息转换。物联网技术基础物联网是在互联网的基础上,通过RFID、红外感应器、GPS、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何需要的物品与互联网连接起来,实现信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等,主要用于识别物体、采集信息。网络层包括与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等,用于信息的处理和传输。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合,与行业需求结合,实现行业智能化和广泛智能化应用。物联网信息感知技术数据收集感知数据从感知节点汇集到汇聚节点的过程,关注数据的可靠传输,要求数据在传输过程中没有损失。数据清洗对获取的感知数据进行清洗和离群值判断,去除"脏数据",得到一致有效的感知信息。数据压缩利用数据的时空相关性,采用数据压缩方法有效减少数据量,节省传输成本。数据聚集通过聚集函数对感知数据进行处理,减少传输数据和信息流量。常见的聚集函数包括COUNT、SUM、AVG、MAX、MIN、MEDIAN等。数据融合对多源异构数据进行综合处理获取确定信息的过程,可消除冗余信息,并去除噪声和异常值。数据收集的关键考量可靠性采用多路径传输和数据重传等冗余传输方法保证数据的可靠传输,在全局时间同步基础上实现能量有效的可靠传输。高效性能耗约束和能量均衡是数据收集需要重点考虑和解决的问题,需要在能耗和传输效率之间取得平衡。网络延迟通过流水线传输方式使数据在路径上像波浪一样向前推进,减少等待延迟,满足实时性要求高的应用。网络吞吐量通过阻塞控制和信道公平的传输方法,按照子树规模分配信道资源,实现网络负载均衡,解决"漏斗效应"。物联网信息交互物联网信息交互是一个基于网络系统,有众多异质网络节点参与的信息传输、信息共享和信息交换的过程。通过信息交互,物联网各个节点可智能自主地获取环境和其他节点的信息。用户与网络的信息交互用户通过网络提供的接口、命令和功能执行网络任务,如时钟同步、拓扑控制、系统配置、路由构建、状态监测等。网络与内容的信息交互以网络基础设施为载体的内容生成和呈现,包括感知数据的组织和存储及面向高层语义信息的数据聚集与融合。用户与内容的信息交互用户通过信息查询、模式匹配及数据挖掘等方法,从网络获取用户感兴趣的信息和高层语义信息。云计算技术概述云计算是一种可以调用的虚拟化资源池,这些资源池可以根据负载动态重新配置,以达到最优化使用的目的。用户和服务提供商事先约定服务等级协议,用户以用时付费模式使用服务。资源池化采用虚拟化的分布式计算和存储系统实现数据云计算调度和云计算存储,数据处理采用交互信息网络结构模式。可扩展性通过虚拟化将物理机的资源进行切割,实现资源的随需分配和自动增长,支持弹性扩展和动态调整。宽带网络调用通过宽带网络提供高速、可靠的数据传输服务,支持大规模分布式数据处理和存储。可靠性通过分布式架构和冗余设计,确保系统的高可用性和容错能力,保障业务连续性。云计算服务形式软件即服务(SaaS)通过浏览器把程序传给用户,省去服务器和软件授权开支,减少供应商维护程序的成本。实用计算创造虚拟的数据中心,把内存、I/O设备、存储和计算能力集中起来组成虚拟资源池为整个网络提供服务。网络服务提供应用程序编程接口API,让开发者能够开发更多基于互联网的应用,而不是提供单机程序。平台即服务开发环境被作为一种服务来提供,用户可以通过中间商提供的设备来开发自己的程序。管理服务提供商(MSP)面向IT行业而非终端用户,常用于邮件病毒扫描、程序监控等应用场景。云计算资源管理资源监控云计算环境多采用非实时被动监控方式,各个节点每过一个时间间隔向中心节点发送消息汇报相关系统参数。数据采集监视系统是典型的系统资源监控解决方案,用于监控大型分布式系统的数据收集系统。智能体将采集到的数据通过HTTP发送给群的采集器。资源调度资源调度是对以分布式方式存在的各种不同资源进行组合以满足不同资源使用者需求的过程。调度策略分为性能优先和经济优先两类。性能优先包括先到先服务、负载均衡、提高可靠性等策略。经济优先包括基于智能优化算法、经济学定价、博弈论等策略。云计算任务管理1公平性2同步3本地性任务管理的一个重要功能是有效管理节点资源,尽量保证负载平衡,将阻塞减小到最低限度。编程模型是一种典型的任务管理模型,通过提供简便的编程接口在集群环境中分发调度数据密集型任务。本地性数据输入节点与任务分配节点之间的距离,高本地性可以保证任务的吞吐量,通过把任务分配给邻近的计算节点以节省网络成本。同步把Map处理过程产生的中间数据转换为Reduce处理过程的输入数据,必须等所有Map处理结束后才能产生中间数据的输出。公平性任务调度系统必须在公平性、本地性与同步原则之间做出平衡,以保障任务能够分配到足够的需求响应时间。主要云计算平台1Google云计算平台包括GoogleFileSystem文件系统、BigTable大规模分布式数据库管理系统,以及编程模型编程模式。通过Map和Reduce两个简单概念进行大规模分布式数据处理。2IBM"蓝云"计算平台企业级云计算解决方案,将互联网上使用的技术扩展到企业平台上。通过虚拟化技术和自动化技术,构建企业自己的云计算中心,实现资源的统一管理和分配。3亚马逊弹性计算云平台满足小规模软件开发人员对集群系统的需求,用户通过网络界面操作云平台上运行的各个实例,只需为使用的计算平台实例付费。云计算与其他技术的区别云计算与网格计算作业调度:网格将任务分解成相互独立的子任务交给各个节点完成计算。云计算根据通用应用设计,用户向资源池中申请一定量的资源来完成其任务。资源分配:网格通过调度系统将任务分解到空闲节点上执行。云计算通过虚拟化将物理机的资源进行切割,实现资源的随需分配和自动增长。云计算与超级计算机云计算是一种新型的超级计算方式,以数据为中心,是一种数据密集型的超级计算。与超级计算机相比,云计算完成了从面向任务的、传统的单一计算模式向面向服务的专业化、规模化计算模式转变,能有效地适应业务创新和用户需求。云计算未来发展方向大数据分析随着电力系统中具有4V特征(海量、异构、实时、真实)的数据大量增长,云计算可以很好地与大数据分析结合。基于Hadoop平台开发电力用户侧大数据并行负荷预测原型系统,局部加权线性回归预测算法和云计算编程模型相结合,对电力短期负荷进行预测。混合云的发展混合云是公有云与私有云的组合,兼具二者的特点,既可以提供公有云的开放性,又能提供私有云的安全性。因此,混合云是未来云服务的主流模式,能够满足不同场景下的多样化需求。区块链技术基础区块链是由区块有序链接起来形成的一种数据结构,其中区块是指数据的集合,相关信息和记录都包括在里面,是形成区块链的基本单元。区块构成区块头:链接到前面的区块,为区块链提供完整性区块主体:记录网络中更新的数据信息网络特点区块链网络是一个点到点的网络,没有中心化的硬件和管理机构。每个节点地位对等,可作为客户端和服务器,保存了整个区块链中的全部数据信息。区块链加密系统原理区块链采用非对称加密算法解决网络之间用户的信任问题。非对称加密算法需要公开密钥和私有密钥两个密钥。如果用公开密钥对数据进行加密,只能用对应的私有密钥才能解密;如果用私有密钥对数据进行加密,只能用对应的公开密钥才能解密。密钥分配每个参与的用户都拥有专属的公开密钥和私有密钥,公开密钥公布给全网用户,私有密钥只有用户本人掌握。信息加密用户用私有密钥加密信息,其他用户用公开密钥解密信息,全网用户采用相同的加密和解密算法。数字签名用户可用私有密钥在数据尾部进行数字签名,其他用户通过公开密钥解密可验证数据来源的真实性。区块链基础模型合约层激励层共识层网络层数据层区块链基础模型从下到上分为数据层、网络层、共识层、激励层和合约层。数据层包括数据区块、链式结构、哈希算法、梅克尔树和时间戳技术。网络层包括组网方式、消息传播协议和数据验证机制。共识层包括PoW、PoS和DPoS等共识机制。激励层设计经济激励机制与共识过程相集成。合约层是建立在数据、网络和共识层之上的商业逻辑和算法。区块链在虚拟发电资源交易中的应用区块链能够为虚拟发电资源的交易提供成本低廉、公开透明的系统平台。基于区块链系统建立虚拟发电厂信息平台和虚拟发电资源市场交易平台,虚拟电厂与虚拟发电资源可以在信息平台上进行双向选择。智能合约当虚拟发电资源确定加入某虚拟电厂时,区块链系统将为两者之间达成的协议自动生成智能合约,一旦条件达成自动执行。工作量认证每个虚拟发电资源对整个能源系统的贡献率即工作量大小的认证是公开透明的,能够进行合理的计量和认证。交易平台虚拟电厂之间以及虚拟电厂和普通用户之间的交易,可以智能合约的形式达成长期购电协议,也可以在交易平台上进行实时买卖。区块链系统特点运行生态化分布式信息系统与虚拟电厂中的虚拟发电资源相匹配,用户自愿加入虚拟电厂系统平台的维护工作,权利与义务对等,保证了系统平台的去中心化属性。工作量认证公平化构成虚拟电厂的各种资源对能源系统的贡献大小即工作量能够根据既定规则进行公开公平的认证,保障各参与者利益的合理分配。智能合约化虚拟电厂与分布式能源签署有关利益分配的智能合约,一旦智能合约实现的条件达成,区块链系统将自动执行合约,降低了信用成本。信息透明化虚拟发电资源在信息平台上得到了公开市场信息,有利于分布式电源寻找条件最优的虚拟电厂加入,促进市场竞争。区块链存在的问题1安全问题基于PoW共识过程的区块链面临51%攻击问题,节点通过掌握全网超过51%的算力就有能力成功篡改和伪造区块链数据。基于PoS共识过程引入了区块分叉时的N@S攻击问题。非对称加密机制随着量子计算机等新计算技术的发展而变得越来越脆弱。2效率问题日益增长的海量数据存储是区块链将面临的问题。比特币区块链目前每秒仅能处理7笔交易,交易效率问题限制了区块链在大多数金融系统高频交易场景中的应用。3资源问题PoW共识过程高度依赖区块链网络节点贡献算力,这些算力仅用于解决SHA256哈希和随机数搜索,不产生