淺談城市能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

引言

近年來,人們越來越重視環(huán)境保護以及能源的合理利用問題。在城市中,電、氣、熱等能源都擁有各自的運營系統(tǒng),這些系統(tǒng)相互獨立,如此的能源使用方式非常不利于城市能源系統(tǒng)的發(fā)展,其面臨著能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)不合理、能源綜合利用效率低、可再生能源消納能力不足等問題。由此看來,一次能源改革勢在必行。

"能源互聯(lián)網(wǎng)"(EnergyInternet,簡稱E-Internet)的概念于2011年由美國學(xué)者杰里米·里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中率先提出。能源互聯(lián)網(wǎng)可理解為綜合運用先進的電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù),將大量由分布式能量采集裝置、分布式能量儲存裝置和各種類型負載構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)、石油網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等能源節(jié)點互聯(lián)起來,以實現(xiàn)能量雙向流動的能量對等交換與共享網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)的提出在很大程度上加速了電網(wǎng)對新型能源利用的步伐,也是電網(wǎng)發(fā)展的一種延伸,它的目標在于分布式能源的利用和發(fā)展。城市能源互聯(lián)網(wǎng),顧名思義,就是應(yīng)用于城市的能源互聯(lián)網(wǎng)。

城市能源互聯(lián)網(wǎng)(UrbanEnergyInternet,簡稱UEI)具有多能互聯(lián)、廣泛應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和以電能為核心的特征。城市地區(qū)作為區(qū)域的用能中心,在城市地區(qū)構(gòu)建城市能源互聯(lián)網(wǎng)對于推動城市、國家乃至整個社會的能源發(fā)展都具有積極的意義。

大數(shù)據(jù)處理技術(shù)是城市能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵之一。在可再生能源預(yù)測、儲能系統(tǒng)的智能控制、自然災(zāi)害的區(qū)域預(yù)警、狀態(tài)檢修管理中,大數(shù)據(jù)技術(shù)起到了關(guān)鍵性作用。面對城市能源互聯(lián)網(wǎng)隨時產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù),一個實用的大數(shù)據(jù)處理框架至關(guān)重要。文獻分析了幾種大數(shù)據(jù)處理框架的特點,為探究何種大數(shù)據(jù)處理框架最適合城市能源互聯(lián)網(wǎng)提供了參考。文獻介紹了改進自適應(yīng)遺傳算法在能源預(yù)測方面的應(yīng)用。

在國家政策的大力支持下,UEI的發(fā)展前景非常良好。目前,國網(wǎng)廈門供電公司在廈門市能源網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)完成技術(shù)實踐,北京延慶能源互聯(lián)網(wǎng)示范也已經(jīng)建成,銀川供電公司也正積極推進城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范工程建設(shè),為國家電網(wǎng)公司能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略目標在城市的落地實踐提供了典型范例。新型城市能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

本文寫作的目的在于,分析城市能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)況,了解城市能源互聯(lián)網(wǎng)的框架與技術(shù)難點,選擇適合城市能源互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)處理框架,為將來城市能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供一個參考。

1UE1的特點與難點

城市能源互聯(lián)網(wǎng)是未來滿足城市各類能源使用需求的能源系統(tǒng),是全球能源互聯(lián)網(wǎng)、中國能源互聯(lián)網(wǎng)在城市地區(qū)的承接節(jié)點和重要支撐,是城市各類能源互聯(lián)互通、綜合利用、優(yōu)化共享的平臺,具有跨域平衡、低碳化的核心思想以及網(wǎng)絡(luò)化、清潔化、電氣化、智能化的特征。其核心思想是以電為中心,構(gòu)建廣泛互聯(lián)、開放共享、再電氣化、低碳環(huán)保的城市綜合能源系統(tǒng),其主要特征為網(wǎng)絡(luò)化、清潔化、電氣化和智能化。

在UEI的運行層面上,主要難點為復(fù)雜不確定性因素建模、考慮多時間尺度特性的建模以及信息物理耦合交互影響。

復(fù)雜不確定性因素建模的難點是在各種能源的生產(chǎn)、運輸、轉(zhuǎn)化、消費過程中存在許多不確定性因素,這些不確定性因素之間又有復(fù)雜的聯(lián)系,所有這些誤差都會對建模造成極大的困難。

考慮多時間尺度特性的建模的難點在于各種能源一電、氣、熱各自的系統(tǒng)的暫態(tài)過程持續(xù)時間不同,應(yīng)利用氣、熱能源的慣性與利于存儲的特點平衡其他可再生能源的波動性特點,具體的實施仍然是一項難題。

信息物理耦合交互影響的難點在于能源互聯(lián)網(wǎng)中不同能源系統(tǒng)之間如何實現(xiàn)信息互聯(lián)、物理互聯(lián)以及信息物理交互影響。

2UE1的技術(shù)架構(gòu)

能源傳輸按照決策、調(diào)度和傳輸三個不同的邏輯層級,分為價格層、信息層和傳輸層。UEI的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

價格層的本質(zhì)是在開放競爭的市場環(huán)境下,通過價格、市場機制來實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置與管理。

傳輸層是城市能源輸送的物理途徑,對它的要求在于電網(wǎng)在電源側(cè)要實現(xiàn)對多種能源的開放接入,在負荷側(cè)電網(wǎng)要滿足用戶的多種用能需求及其互補轉(zhuǎn)換。重點過程在能源的轉(zhuǎn)換:電轉(zhuǎn)氣可以采用電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(電解水、儲存氫氣),熱能與電能可以用熱電聯(lián)產(chǎn)機組生產(chǎn)(高溫高壓蒸汽用于帶動汽輪發(fā)電機組發(fā)電,做功后低品位汽輪機抽汽或背壓排汽用于供熱),電網(wǎng)和電氣化交通網(wǎng)通過充電樁連接。

在傳輸層之上的信息層,相比于傳統(tǒng)的電網(wǎng)自動化,需要更加實時快速的信息傳遞、更加開放的通信協(xié)議、更加準確和智能的邏輯控制程序以及更加安全的信息防護系統(tǒng)。依靠城市互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的采集和傳輸裝置,采集基于同步時標,包括能量信息(電壓、電流、氣壓、溫度等)、設(shè)備信息、各能源主體信息(儲能、充電站、分布式電源、電網(wǎng)等)等在內(nèi)的信息,具備全狀態(tài)觀測能源系統(tǒng)運行狀態(tài)、設(shè)備運行工況等的物理量信息,最大程度上降低系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)的不可觀性和隨機性,為能源控制系統(tǒng)內(nèi)多能源協(xié)同控制、智能車聯(lián)網(wǎng)和資源計劃等平臺提供決策支撐,從而引導(dǎo)傳輸層的能量流動和價格層的資金流動,實現(xiàn)城市能源互聯(lián)網(wǎng)高效、安全和經(jīng)濟的運行目標。在信息層工作過程中,大數(shù)據(jù)技術(shù)起到了非常重要的作用。

3大數(shù)據(jù)技術(shù)在城市能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)在一定時間內(nèi)無法用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具對其內(nèi)容進行提取、管理和處理。從大數(shù)據(jù)的處理過程來看,大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)包括大數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)預(yù)處理、大數(shù)據(jù)存儲及管理、大數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)展現(xiàn)和應(yīng)用(大數(shù)據(jù)檢索、大數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)安全等)。

在城市能源互聯(lián)網(wǎng)中,包含有大量分布式電源、微型網(wǎng)、儲能儲熱設(shè)備,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以快速分析、決策,實現(xiàn)多種能源的智能生產(chǎn),減少能源的過度開發(fā),降低消耗,提高負荷側(cè)與電源側(cè)的協(xié)同。

利用大數(shù)據(jù)的挖掘技術(shù),能夠找出能源的損耗環(huán)節(jié),提高能源的利用效率,減少對環(huán)境的破壞。能源的分布模式?jīng)Q定了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)是分散的、碎片化的,極易造成數(shù)據(jù)的丟失和破壞。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的集成管理可以有效減少數(shù)據(jù)的流失,有助于保持數(shù)據(jù)的完整性?；诖髷?shù)據(jù)的分析,可以從不同層面、不同因素、不同角度分析上下游各環(huán)節(jié)的供給和需求情況,形成合理的能源互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式,引導(dǎo)各方參與其中,形成能源互聯(lián)網(wǎng)的有效商業(yè)模式。

在城市能源互聯(lián)網(wǎng)中,多種能源子系統(tǒng)需要信息的實時共享,海量實時數(shù)據(jù)需要大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)處理?？梢哉f,大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐起了整個城市能源互聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)運行。流計算技術(shù)可以應(yīng)對城市能源互聯(lián)網(wǎng)隨時產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的特點,快速進行數(shù)據(jù)處理。

流計算處理的是流數(shù)據(jù)(Datastream),流數(shù)據(jù)是大量、快速、持續(xù)到達的數(shù)據(jù)序列。流數(shù)據(jù)的特點為不關(guān)注存儲,關(guān)注對它的處理,一旦處理完成,要么被丟棄要么被歸檔存儲:數(shù)據(jù)量非常大,而且常常沒有順序,格式復(fù)雜。因為在能源互聯(lián)網(wǎng)的信息層中往往并不擁有充裕時間處理批量數(shù)據(jù),它所采集的數(shù)據(jù)往往是大量、持續(xù)到達的,且數(shù)據(jù)的價值隨時間的流逝而降低,因此不宜用適合批量計算的Hadoop。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程為用戶向數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)查詢,之后輸出查詢結(jié)果,這樣的流程只能處理提前存儲好的數(shù)據(jù),并且需要用戶發(fā)出查詢才能獲得結(jié)果。流計算的處理流程一般包含三個階段:數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)實時計算、實時查詢服務(wù)。一般來說,采集得到的數(shù)據(jù)不用存儲,可以直接進行計算處理。

3.1應(yīng)用Storm進行流計算

storm是一個免費、開源的分布式實時計算系統(tǒng),可以簡單、高效、可靠地處理流數(shù)據(jù),支持多種編程語言。在storm之前,很少有關(guān)于流計算框架的研究,可以說storm是流計算框架的鼻祖。

storm編程靈活,可以用任何編程語言編寫拓撲結(jié)構(gòu)。storm還能實現(xiàn)毫秒級響應(yīng),因此能夠應(yīng)對快速產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的處理。

3.2應(yīng)用SparkStreaming進行流計算

sparkstreaming是構(gòu)建在spark上的實時計算框架,spark本身是進行批處理的框架,sparkstreaming使它適用于流數(shù)據(jù)處理。sparkstreaming結(jié)合了批處理和交互查詢,適合一些需要對歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)進行結(jié)合分析的應(yīng)用場景。sparkstreaming支持Kafka、Flume、HDFs、TCPsocket的輸入數(shù)據(jù)源,支持HDFs、Databases、Dashboards的輸出數(shù)據(jù)源。

sparkstreaming的基本原理是將實時數(shù)據(jù)以時間進行切片,一般為秒級,然后spark引擎對這些時間片進行批處理。本質(zhì)上是用批處理框架進行流數(shù)據(jù)處理,因此sparkstreaming不能進行毫秒級的流計算。但sparkstreaming的小批量處理使它可以同時兼容批量和實時數(shù)據(jù)處理的邏輯和算法,因此方便了一些需要歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)聯(lián)合分析的特定應(yīng)用場合。另外,spark可以統(tǒng)一部署sparksOL、sparkstreaming、MLlib、Graphx等組件,可以將流計算、圖計算、機器學(xué)習(xí)、sOL查詢分析等相結(jié)合。

3.3應(yīng)用Samza進行流計算

samza的流數(shù)據(jù)處理單位是一條條的消息,這些消息被分割成若干個分區(qū),對于流中的每一個分區(qū)而言,都是一個有序的消息序列,后面的消息都會根據(jù)一定規(guī)則被追加到相關(guān)的某一個分區(qū)里。一個任務(wù)負責(zé)處理作業(yè)中的一個分區(qū),這些分區(qū)沒有順序的定義,所以允許每一個任務(wù)獨立運行。最終借助YARN調(diào)度器,可以將任務(wù)分發(fā)給各個機器。它還是一個分布式處理框架。一個數(shù)據(jù)流圖是由多個作業(yè)串聯(lián)起來的。

samza的系統(tǒng)架構(gòu)包括流數(shù)據(jù)層(Kafka)、執(zhí)行層(YARN)、處理層(samzaAPI)。

當(dāng)有大量的狀態(tài)需要處理時,可以選用samza。與storm相同,samza也可以進行毫秒級響應(yīng)。

3.4三種框架的特點對比分析

sparkstreaming處理的單位是Dstream,storm處理的單位是Tuple,samza處理的單位是一條條消息,因此storm和samza都可以進行毫秒級響應(yīng),sparkstreaming只能進行秒級響應(yīng)。sparkstreaming的優(yōu)勢在于,RDD的數(shù)據(jù)集更容易做高效的容錯處理,同時更方便實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合分析。samza的優(yōu)勢在于可以處理非常大量的狀態(tài),比如每個分區(qū)有上億個元組,用samza處理會很方便。

三種流計算框架的優(yōu)勢對比如表1所示。

城市能源互聯(lián)網(wǎng)在運行中,每時每刻都會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),從能源生產(chǎn)到能源使用的每一個環(huán)節(jié)都有無數(shù)個數(shù)據(jù)源頭。因此,城市能源互聯(lián)網(wǎng)需要的流計算框架應(yīng)具備快速響應(yīng)以及同時處理大量數(shù)據(jù)的能力。由此看來,samza優(yōu)勢更加明顯,更適合應(yīng)用于城市能源互聯(lián)網(wǎng)。

4結(jié)語

城市互聯(lián)網(wǎng)是將電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,其他能源子系統(tǒng)互補的一種完整的供能體系,它現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,我國北京、廈門、天津已經(jīng)進行了初步嘗試,并取得了不錯的成果。在城市能源互聯(lián)網(wǎng)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一就是大數(shù)據(jù)技術(shù),在城市能源互聯(lián)網(wǎng)的信息層中大數(shù)據(jù)技術(shù)的合理應(yīng)用決定著整個系統(tǒng)信息的實時性、準確性、高效性。可以應(yīng)用storm、sparkstreaming、samza等框架進行流計算。針對城市能源互聯(lián)網(wǎng)隨時產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)以及需要快速響應(yīng)的特性,選出samza是最適合的流計算框架。但現(xiàn)階段城市能源互聯(lián)網(wǎng)仍然存在著一些難題,在運行層面上,復(fù)雜不確定性因素建模、考慮多時間尺度特性的建模、信息物理耦合交互影響仍然困擾著我們,這些難題在不久的將來一定會被攻克。