智能配用电信息及通信支撑技术研究与开发.docx
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智能配用电信息及通信支撑技术研究与开发
一、研究目标
本课题以大幅度提高配用电通信性能和海量信息处理能力目标导向，研究分析BPLC、XPON和TD-LTE核心技术，提出适用于智能配用电的“最后一公里”通信的完整解决方案；建立统一、便捷的网管系统，实现全生命周期的可视化运维、远程调测/升级、远程故障定位和诊断技术；建立智能配用电系统通信业务深度识别、控制与抗攻击技术体系，构建信息安全的防护体系；建立基于IEC61968的智能配用电信息和业务标准模型以及图模互操作技术；建立基于IEC61968与IEC61850协作的数据采集无缝通信体系；通过引入电信实时计费中的海量信息处理技术，建立智能配用电的海量数据处理平台；建立基于多源信息模型的配电网高级辅助决策支撑技术建设智能配用电系统的通信与信息处理示范工程，以广东金融高新区为试点，验证智能配用电系统广域、分散特点，支持多样化和互动业务需求。
同时，依托南方电网技术研究中心建设配用电信息与通信标准化检测中心，建立智能配用电软件系统、智能终端设备和通信设备的检测标准体系和规范，致力于国内外的相关标准的制定。
二、国内外研究现状
欧美等发达国家的电力公司已对配用电信息系统进行了部分基础研究，其应用范围覆盖各个方面，如配电管理系统（DMS）、自动作图（AM）/设备管理（FM）/地理信息系统（GIS）、停电管理系统（OMS）、工作票/操作票管理系统（WOM）、线路和状态管理系统、表计和负荷管理系统、电话投诉管理和处理系统（TroubleCall）等。
随着智能电网研究和建设工作的推进，对配电网的信息化支撑技术提出了更高的要求。
在智能配用电领域，国外研究机构和电力公司开展了大量的智能化实践，包括智能表计、用户电压控制、动态储能等。
例如：
意大利电力公司和法国电力公司（EDF）通过安装“智能电表”，使用户跟踪自己用电情况，并能进行远程控制；在信息通信方面，2004年美国电科院EPRI完成了综合能源及通信系统体系结构（IECSA）研究；美国XcelEnergy公司从2008年起在科罗拉多州的一个9万人的小镇波尔得（BoulderCity）建设全美第一个“智能电网”城市。
其主要技术路线是：
构建配电网实时高速双向通信网络；建设能够远程监控、准实时数据采集和通信，以及优化性能的“智能”变电站；安装可编程居家控制装置和全面自动化居家能源使用所必需的系统；并整合基础设施，支持小型风电和太阳能发电、混合电力汽车、电池系统等分布式发电储能技术。
这是当前国际上最为系统的“智能配用电”实践。
我国在配电信息系统方面的研究和应用虽然起步较晚，但发展较快，国内相关企业无论在信息系统规模上还是在功能深度上也均具备了相当的研发实力和经验。
同时，随着近年来电力企业信息化建设力度的加强，不仅配电GIS、SCADA/DMS、负控、客服、营销等服务于日常工作的信息系统陆续在各级电力公司投入运行，而且电网评估与规划、市场开发辅助决策等高级决策支持系统日益受到关注。
清华大学于1990年率先展开配电自动化方面的理论研究，并于2001年在绍兴投运了配电运行调度辅助决策系统（DMS）。
在智能配网建设方面，南方电网于2007年7月确定在广州供电局、深圳供电局开展配网自动化试点建设工作。
广州供电局2008年全面实施营配一体化系统把420万客户资料与配电CIM模型进行了统一，建立了配网GIS、配网规划、配网生产、配网工程和客户营销的一体化管理，已经实施了快速复电系统。
2009-2010年在广东电网全省21个地市局推广实施营配一体化工作以解决配网自动化、计量自动化以及SCADA系统的模型和图形的交互和共享工作。
配电网的通信技术现状还比较落后。
目前采用的主要接入技术有如下几种：
230M数传电台、GPRS技术、电话线、专线方式、电力线载波和光纤。
智能配用电的通信网络技术最大的困难在于“最后一公里”，未来智能配用电中最具应用潜力的“最后一公里”通信技术包括：
（1）以太无源光网络（XPON）。
这是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。
它综合了PON技术和以太网技术的优点：
低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等等。
（2）无线宽带通信的LTE技术。
LTE是3G到4G的演变技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达100km。
LTE的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，LTE结合了这些先进的技术，因此非常适合电力网覆盖范围广、接入节点量大、安全可靠性要求高等行业特点。
（3）宽带电力线上网技术（BPLC）。
BPLC利用现有的利用电力线传输数据和话音信号，传输速率可达10M。
将该技术应用于配网自动化系统进行数据传输具有非常好的应用前景，具有投资少见效快、与电网建设同步等优点。
该技术还存在一些工程技术难题需攻关，例如如何解决当负载波动时保证数据传输的稳定性等。
三、研究内容
1、主要研究要点
本课题从通信与信息安全、信息模型构建、智能配用电海量信息分布式处理、智能配用电信息集成与互动决策技术、信息和通信的标准化与检测、智能配用电信息与通信技术集成与应用示范等几个方面进行研究，划分为6个任务，分别为：
智能配用电高性能通信网技术及其信息安全、智能配用电CIM共源建模技术、智能配用电系统海量信息处理技术、标准化与分布式智能配用电信息集成与互动决策平台、智能配用电信息与通信标准化与检测技术、智能配用电信息及通信技术集成与应用示范。
（一）智能配用电高性能通信网技术及通信网络安全
（1）智能配用电通信架构研究。
针对智能配用电网的大范围，分散的特点，互动、业务多样化趋势，考虑业务分区和对已有通信网络的影响，对电网通信网络整体结构进行研究，建立适应智能配用电未来发展需要的高效通信架构。
（2）智能配用电各层面通信技术。
分析其中最具应用潜力的各种通信技术如工业以太网交换机、中压PLC、TD-LTE、XPON、宽带PLC和光纤复合低压电缆等在智能电网通信中的应用特点，研究适合智能电网应用的通信技术总体解决方案。
（3）智能配用电通信网与物联网互联性研究。
研究物联网在智能配用电系统中信息感知、可靠数据传输、网络架构及信息智能管理和多级数据处理等方面的应用。
（4）通信网络安全性研究。
研究不同分区的业务在同一平台传送过程中基于物理层面的隔离技术，以及基于MPLS，虚拟局域网（VLAN），QinQ（双层VLAN标签）等技术的通信业务逻辑隔离研究，保证保障不同业务通过端到端独立传输，从而保障所传输信息的安全。
研究三重搅动加密算法、AES加密算法等加密短发的业务安全研究；研究满足配用电通信全路径业务流量深度识别及网络分析（基于IEC61968/61850）、控制及抗攻击技术与产品，识别并阻断各种非正常的业务流量。
（5）智能配用电通信网络智能运维技术研究。
研究比较各种通信技术的维护成本，网络全领域设备统一管理，网络全领域业务的智能快速发放，远程运维和快速故障诊断与定位技术。
（二）智能配用电CIM共源建模技术
（1）分布式电源建模。
根据分布式电源、储能装置和电动汽车等分布式电源和储能的机理和对电网的接口特性，建立其数字信息模型。
（2）配电网/微网整体建模。
微网将是配电网组织结构的重要组成部分，不同于主网针对多种微电源形式还没有合适的通用模型。
因此，需要针对不同的研究问题，对微电源中各单元的动态环节采用不同的简化方法，从而得到不同的模型。
（3）主配网互动模型。
在CIM统一信息模型框架基础上，进一步研究面向配网、主配网统一的静态模型、运行数据和图形数据规范。
提出面向配网、包含主网的统一的静态模型、运行数据和图形数据规范。
并在此基础上研究有源配用电系统的整体行为特性，建立微网－配电网－输电网三级电网的互动模型用于决策分析。
（4）配用电运行管理业务统一建模技术。
研究国际标准的数据模型（IEC61968、IEC61970、OAGIS、ORM），按南方电网公司的业务组织形式，对国际标准数据模型进行重新组织，从而形成南方电网公司配用电数据模型的基础。
梳理、分析全网共享交换数据需求，对国际标准的研究成果进行扩展及优化，扩展IEC公共信息模型（CIM）在配用电系统中的应用，建立面向配电网生产、营销、调度、建设、物资等业务所需要的配用电网CIM模型标准。
该统一信息模型将指导后续的模型数据规范研究、数据交换和信息服务规范的研究。
（三）智能配用电系统海量数据分布式处理技术
（1）研究IEC61968/61970与IEC61850标准的协作问题，及其数据通信规约和采集规范。
研究各配用电自动化和管理系统的数据源与CIM模型之间的映射，实现已有应用系统数据到CIM数据中心的自动转换。
（2）海量数据分类与重组技术。
智能配用电信息支撑平台需要采集大量不同类型的数据，对于运行数据根据数据来源大致可以分成三种类型的数据对象:
实时采集数据对象、历史数据对象和分析数据对象。
对于运行数据分为以下三种类型数据对象：
数字量，模拟量，累加量。
系统要与多个业务系统进行数据交换与整合，数据来源复杂多样，需要针对不同的应用数据进行分类，海量数据信息分布式处理技术将按照业务特点进行梳理处理确保应用数据满足业务应用。
（3）海量时间序列数据快速存储、检索、处理技术。
配用电信息绝大多数是时间序列数据而且规模庞大，例如一个典型中型城市的一年用电信息数据量可以达5TB以上，因此需要研究实现海量时间序列数据快速存储、检索、处理技术。
研究云计算技术在海量数据处理中的应用，开发时间序列数据库技术，重点研究该类数据库的数据库模式、时序数据的压缩技术、高效的高效检索机制和系统故障恢复技术。
研发适合电力行业的数据库技术，满足分布式数据存储和交互,避免海量数据遭遇的硬件瓶颈，并能够提供基于CIM模型的外部访问接口。
（4）模型信息xn式的辨识及弥补技术。
参数模型数据存在缺失、错误，需要采用基于网络拓扑，综合数据应用验证等技术对参数模型进行审核和校验。
并在此基础上研制适用于智能配用电系统的参数辨识算法。
系统运行数据存在缺失、噪声和错误，因此需要采用ETL（抽取、转换、装载）技术进行数据抽取、清洗、整合、管理，解决数据的基本问题。
并在此基础上提出配用电系统数据校验与修复方法以及关键数据抽取校验方法，在此基础上开发算法程序。
（四）标准化、分布式智能配用电信息集成与互动、决策平台
（1）基于数据网格的CIM数据中心与CIM模型验证技术。
研究数据网格技术，建立智能配用电分布式CIM数据中心，包括配用电网、配用电业务在内所有基础数据和实时数据，通过数据网格实现数据同步和透明访问。
本体网络语言OWL（WebOntologyLanguage）实现较完备的CIM语义信息模型，研究对各个配用电网业务系统进行CIM/OWL的CIM语义和语法进行验证和对CIM的相关业务逻辑的验证方法。
（2）基于模型驱动的CIM平滑升级与智能处理技术
由于配用电业务升级的需要和新设备加入，在基于的信息集成实践中，IEC61970/61968CIM一直在发展、演进。
CIM模型版本升级会导致需要重新开发大量的代码以适应新集成环境CIM模型的需求。
研究基于CIM的模型驱动架构（ModelDrivenArchitecture）技术，自动更新数据库结构、自动生成新CIM模型与已有应用系统数据映射进行代码和CIS接口，快速实现满足新需求的系统开发，使得新应用的模型和数据纳入统一CIM框架。
（3）信息交换总线与互操作技术
研究面向智能配用电的基于IEC61968框架的数据服务平台技术，采用SOA技术，建立开放的、具有良好可扩充性的数据服务平台，使配网各应用系统能够方便规范的使用集成在总线上的数据。
研究和建立企业服务总线（EnterpriseServiceBus），基于WebService标准，通过事件驱动和基于XML消息引擎，为数据服务平台提供底层服务支撑。
企业服务总线提供可靠消息传输、服务接入、协议转换、数据格式转换、基于内容的路由等功能，屏蔽了服务的物理位置、协议和数据格式。
研究跨安全区应用无缝集成技术，建立跨安全区的信息交换总线，为各安全区服务接入提供统一的接入规范，实现跨安全区服务的透明接入和访问。
研究基于消息的信息交互和传输技术，实现实时信息、准实时信息和非实时信息的交换，支持多系统间的业务流转和功能集成，完成配电相关应用系统之间的信息共享。
基于IEC61968Part3（配网运行）、Part4（台帐与资产管理）、Part5（运行计划与优化）、Part6（维修与建设）、Part7（配网扩展规划）、Part8（客户支持）、Part9（抄表与控制）、Part10（外部系统）相关国际标准，制订智能配用电各个业务功能间的消息交互标准，该标准将用于通过企业服务总线和数据服务平台实现各个现有信息和自动化系统的数据交换和流程贯通。
研究具有标准的构建框架，实现数据资源和计算资源透明管理，为前端应用提供单一的系统访问接口的电信息支撑。
研究智能配用电信息通过政府公共信息平台进行发布的方式和方法，加强与政府在执行相关配用电环节政策、计划上的配合。
（4）智能配用电全息分析与辅助决策技术
研究与开发信息服务层，以面向服务的架构、基于企业服务总线，实现电网资源、资产、量测和业务模型结构化管理服务，实现电网图形化展现服务，为智能配用电各类业务应用提供电网模型、图形、实时历史数据服务支撑。
研究与开发高级决策服务层，包括配网拓扑分析服务、潮流计算服务；输、配电网解耦互动的配网安全分析与风险评估服务，网络重构优化服务、负荷转供服务、故障恢复决策服务。
基于信息服务和高级决策服务，研究智能配用电全息分析与辅助决策技术。
采用实时GIS的可视化服务，实现电网运行方式监视、计划执行监视、停电区域监视、停电用户与损失电量在线统计、保电计划/执行情况监视、工地施工道路开挖监视、设备缺陷/故障监视、车辆/班组位置路线监视和调度、故障恢复决策、应急电源车调度、风险评估、可靠性预估和实时统计。
（五）智能配用电信息与通信标准化及其检测技术
（1）配用电信息标准检测技术。
研究和开发配电网CIM验证工具和互操作检测软件。
在南方电网技术研究中心建立配用电领域统一CIM模型的验证检测平台，以支持配用电网各类自动化系统和信息管理系统的无缝集成,积极参与UCAIug等国际组织的配电网CIM互操作，提高配电网CIM标准在制定中的话语权。
（2）智能配用电通信技术标准与检测技术研究。
研究智能配用电生产需求的通信网络、系统和设备的性能要求、通信基本协议和相关测试方法等领域的自主技术标准和检测技术，适应智能配用电通信技术系统需要的高带宽、长距离、广分散和动态路由高可靠性通信的需求，解决智能电网复杂的电力环境中光纤传送的动态色散补偿、波长调节、带宽调整、增益谱型调整、自动增益（衰减）变化的应用和优化控制；解决智能电网对配用电高可靠性通信协议提出新的要求，包括系统设备高可靠性的性能监测控制和高精度的故障定位与隔离技术。
统一不同厂家通信设备采用标准化接口和通信协议标准，实现数据双向高可靠性通信，保证多系统数据可靠传送与统一接口共享，支持智能路由策略来灵活实现数据访问的分发、聚合，分层分布处理。
规范系统设备的通信接口、协议的统一；功能和性能的要求；以及操作维护及网络管理的方便性；同时结合智能配用电信息传输的特点，提出对系统设备的稳定性、可靠性、安全性、抗干扰、供电以及环境试验的检测技术和方法。
（六）智能配用电信息及通信技术示范工程建设与应用研究
（1）建设标准化、分布式配用电信息集成系统，整合各个配用电系统信息模型和服务，建立综合信息平台，实现配网生产运行信息全息分析和辅助决策、应急指挥信息全息分析和辅助决策、用电信息全息分析和辅助决策，全面提高配用电运行指挥和用电管理的自动化水平和信息化水平。
（2）建设安全、可靠、经济的通信技术示范工程，构建包括宽带电力载波、TD-LTE、XPON和光纤复合低压电缆等网络技术，验证相关通信技术在智能配用电网络中的表现，为其他地区的通信和信息系统建设提供依据。
2、拟解决的主要技术难点
（一）智能配用电高性能通信网技术及通信网络安全
（1）智能配用电网络具有配电网一次网架复杂、网络变动频繁，覆盖范围广，分布环境复杂的特点。
需要适应这些特点的具有高质量、高安全性，可靠性，可扩展性，自适应的网络架构，以及硬件可靠性要求高的通信设备。
（2）宽带电力线载波技术方面，包括OFDM多用户通信网络规划与设计技术、宽带电力线载波OFDM多用户网络通信自组织组网技术和宽带电力线载波OFDM多用户网络通信收发器实现技术。
（3）配用电通信网需要保证信息被安全、及时、完整准确的送达，因此需要对配用电通信网络的业务流控与调度技术，网络可靠性保障，网络自愈，快速故障定位，网络自愈技术，隔离技术等进行研究。
分组通信技术本身只能实现逻辑隔离，实现物理隔离需引入其他通信技术，多种技术在同一设备上实现融合。
（4）配用电网络大规模建设后运维复杂。
配用电网络覆盖范围广，数量多，分布分散，运维人员到现场进行升级、故障隔离等处理的时间长，成本高，因此需要研究远程运维技术和快速故障定位技术。
智能配用电通信网络往往由多种不同的通信技术混合组网，且可能由多个厂家提供设备，往往需要多个网管系统进行管理，管理难度高，因此需要研究智能配用电网络的统一运维。
（二）智能配用电CIM共源建模技术
（1）配电SCADA、地理信息系统（GIS）、生产管理系统（PMS）、营销管理系统、配变监测系统、负荷控制系统（LCM）等系统缺乏统一的规划和设计规范，组成模式、边界划分等总体规范不明确，各个业务系统各自为政、应用范围和功能存在着一定的重叠、冲突或者遗漏，建立统一的信息模型和业务模型难度大。
（2）配用电系统是大电网的末端，配用电系统的运行特性很大程度上取决于输电网，因此必须实现与输电网网的信息互动，才能建立能真正表征配电网运行本质特征的信息与决策模型。
而配用电与输电网在信息和业务模型存在巨大差异，分属不同责任单位，建模难度大。
（3）分布式电源、储能和电动汽车对电网的接口特性缺乏足够的研究基础和实际验证，新型有源配电网的组成形式及其整体行为特征很难描述完备。
（4）IEC61968、61970，OAGOAGIS、OpenGISORM等国际标准在不断发展变化中、需要密切跟踪其最新发展趋势，并且其理论研究的内容覆盖范围和实用性深度与南方电网的各个业务系统现实模型和业务现实需求的还是有很大距离。
（三）智能配用电系统海量数据分布式处理技术
（1）IEC61970/61968与IEC61850标准目前不能协同工作，目前配用电系统不能直接采集采用IEC61850标准的设备数据，需要进行相关的标准开发工作以能够有效衔接。
（2）配用电侧的设备和用户数量都非常庞大，采集大量不同类型的数据，信息量十分巨大，需要针对不同的应用数据进行分类，海量数据信息处理将按照业务特点进行处理确保应用数据满足业务应用。
（3）配电网存在海量参数及运行数据，运行过程中存在参数模型不完整，实时信息缺失和错误，因此需要研究智能配电网环境下模型辨识，状态估计算法，以提高数据信息的可信度。
（四）标准化、分布式智能配用电信息集成与决策、互动平台
（1）随着电力业务需求和智能配用电的发展，电网模型和业务模型持续变化导致CIM模型不断升级，需要研究基于模型驱动的CIM平滑升级与智能处理技术。
（2）智能配电网业务数据量大，业务繁琐复杂，各个信息和自动化系统的信息交换和集成困难。
（3）智能配用电生产、运行和用电管理业务交叉、复杂，需要联动决策。
需要研究面向智能配用电的信息和知识决策服务，提高智能配用电管理的智能性。
（五）智能配用电信息与通信标准化及其检测技术
（1）相关信息标准的关联研究、挖掘和分析现有标准之间关联性，在配用电信息标准集成平台进行统一。
建立配用电信息标准评价指标、需要给出配用电信息标准的准确性和冗余程度的评价方法，开发相应的测试工具。
（2）规范系统设备的通信接口、协议、功能和性能的要求；同时结合智能配用电信息传输的特点，提出对系统设备的稳定性、可靠性、安全性、抗干扰、供电以及环境试验的检测技术和方法。
（六）智能配用电信息及通信技术集成与应用示范
（1）配用电系统业务类型众多、信息量大、基础差，需要建设配电一体化信息平台，建立统一的数据模型、接口标准和共享机制，实现各类配电信息资源的无缝集成。
（2）智能终端设备的数量、分布、地形条件、气候环境和现有建设程度都不尽相同，还没有一种单一的通信技术可以适应所有配电自动化系统的要求。
四、技术路线、创新点与预期成果
1、技术路线
（1）面向智能配用电大规模分散接入、环境复杂的高可靠性通信需求的分层异构通信网络体系及其多种通信技术组合的实证研究
广泛调研国内外最新通信技术的发展趋势，通过理论分析和实证分析，最终建立符合配用电实际需求和未来发展的通信网络分层结构模型和体系架构。
重点研究适合智能配用电的各层面网络技术，包括工业以太网交换机，中压PLC，BPLC、电力专用XPON、TD-LTE、OPLC等多种通信技术，实现满足需求的配用电通信网性能及业务QoS保障，研究支持智能配电网““自愈控制”和“双向互动”的通信整体解决方案。
（2）开发组织知识产权的的可靠宽带电力载波技术
电力线载波OFDM通信网络技术：
采用以OFDM为核心的宽带电力线载波OFDM通信网络技术，实现智能配用电数据网关与配用电终端之间的自组织网络通信。
自组织组网构建技术：
提出采用自组织网络技术建立网络设备间的通信链路，每接入一个设备，该设备会自动与附近设备建立链接并形成新的网络拓扑。
信道资源的认知通信技术：
采用认知通信技术对信道资源情况进行实时动态监测，包括多用户信道的传输特性、噪声特性的监测与建模，通信信号的有无以及活动规律的监测与建模等，以保证网络通信的质量。
信道资源动态优化技术：
在多载波传输方式下，根据子载波的信噪比分配子载波的信号发射功率和传输速率。
采用速率自适应和功率自适应两种优化准则对多用户通信进行优化，实现QoS管理。
BPLC网络通信收发器实现技术:
本课题将信道资源动态感知与分配管理技术、自组织组网技术等特色技术和国际上的OFDM通用技术集成为一体，实现具有自主知识产权的电力线多用户网络通信收发器技术。
集中控制器和路由器之间、路由器与路由器之间提供最高100Mbps的传输速率，路由器与用户之间提供最高100kbps的传输速率。
（3）基于共源建模型理论的配用电系统的建模方法
跟踪国际上最新技术发展，采用共源建模型理论建立贯穿配电网自动化和各个管理专业的基础数据模型规范，为众多配用电信息系统互联互通打下标准语义基础，解决配用电系统的“信息孤岛”问题，实现微网－配电网－输电网三级电网的互动模型用于决策分析。
（4）开发适用于海量配用电信息处理的方法和技术
开发海量数据分类与重组技术、基于时间序列数据库技术的海量信息快速存储、检索和处理技术，不完备信息的弥补与模型估计和知识发现技术，解决海量信息存取、分类和智能处理的难题。
为实现配电网的“自愈控制”和业务“智能决策”提供统一模型信息和高效的信息服务机制。
（5）面向智能配用电系统的CIM模型国际标准，实现IEC61850与IEC61968的融合
研究IEC61968与IEC61850的融合技术，实现调度中心系统可以直接访问IEC61850标准的变电站或DER设备。
（6）开发完全自主知识产权的标准化、分布式云信息支撑平台
开发基于IEC61968的分布式对象中间件，实现数据访问的标准化、服务的透明化和软件的“即插即用”。
研究云数据管理技术
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