能源信息学：系统与标准化

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 3（2017）76www.elsevier.com/locate/icte能源信息学：基础与标准化黄碧瑶a，白晓敏a，周振宇c，崔全胜a，朱道华d，胡汝伟a，中国电力科学研究院，北京，中国b中国北京国家电网电力通信网络技术实验室（全球能源互联研究院）c中国北京华北电力大学d国家电网江苏省电力科学研究院，中国南京接收日期：2017年2月28日;接收日期：2017年5月4日;接受日期：2017年5月23日在线提供2017年摘要基于国际标准化和电力行业的实践，对能源信息化领域进行了初步的、系统的研究，分析了信息与能源系统的边界扩展以及能源系统与ICT的融合全面介绍了能源信息学的基本原理和标准化，并确定了几个关键的开放问题c2017 韩 国 通 信 信 息 科 学 研 究 所 。 出 版 社 ： Elsevier B.V. 这 是 一 篇 基 于 CC BY-NC-ND 许 可 证 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：智慧能源; ICT;能源信息化内容1.一、导言. 772.能源系统的新概念2.1.新一代能源系统2.2.多能源系统772.3.宏观能源系统783.能源系统与信通技术的融合3.1.基于信通技术的能源系统3.2.信息物理能量系统方法3.3.宏观能源思维与大数据思维784.技术基础784.1.通信和网络工程784.2.计算机科学784.3.控制科学与工程794.4.信息系统/信息技术4.5.系统工程795.能源信息标准化5.1.智能电网的互操作性5.2.智能能源物理层796.结论和今后的方向参考文献80*通讯作者。传真：+86 010 6177 3810电子邮件地址：huangby@geiri.sgcc.com.cn（B. Huang），bxm@epri.sgcc.com.cn（X. Bai），Zhenyu zhou@ncepu.edu.cn（Z. Zhou），littlecui@163.com（Q.Cui），zhudaohua@seu.edu.cn（D. Zhu），huruwei@epri.sgcc.com.cn，ruweihu@seu.edu.cn（R. Hu）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责本文是题为“专利、标准化和ICT实践中的未决问题特刊”的一部分这篇论文已经处理教授。君无邪。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2017.05.0062405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。B. Huang et al. / ICT Express 3（2017）76771. 介绍随着全球气候变化和世界能源短缺，从传统化石燃料为主的能源供应向可再生能源供应的平稳过渡对人类社会的可持续发展至关重要。与此同时，能源领域正在经历一场范式变革，传统能源系统与先进的信息和通信技术（ICT）相结合，这对能源系统的高效运行和设计提出了新的挑战。从技术角度来看，能源系统的设计是为了向最终用户提供能源服务[1]。从结构的角度来看，能源系统中的所有组件都与生产，运输，交付和能源使用有关[2]。从社会经济学的角度看此外，能源系统还受到各种因素的影响，例如商业模式、市场、法规、客户需求和自然环境。这些定义是从系统的观点（或系统的系统）来看的在智能电网的发展过程中，大部分电力公司已经部署了大量的自动化和信息系统。为了实现对电网的控制和管理，一些电力公司已经实施了智能能量调度系统、广域测量系统、电网状态监测系统、电动汽车充电监控网络、配电自动化系统、用于状态检修的移动操作应用和先进的计量基础设施等。同时，一些电力公司还部署了企业ERP系统和集中数据中心，以管理个人企业有效和高效。通信网络和信息系统的监控系统在相当程度上是孤立的，未能形成协调一致的ICT（信息通信技术）监控系统。基于信息通信网络运行监测数据进行综合分析和评估是非常困难的。例如，ICT系统无法准确定位2011年，国家电网公司建设了统一的ICT运营监控中心并投入运行。统一ICT运营监控中心实现智能电网ICT的实时监控、ICT资源的统一调度、一体化安全防御。该系统确保了公司信息和通信系统的安全运行[3]。为了促进能源与信息的融合，理查德·T。Watson等人倡导建立一个名为能源信息学的新子领域的研究议程，该子领域应用信息系统的思维和技能来提高能源效率[1]。Christoph Goebel等人指出，智能节能系统和智能电网是目前正在发展的跨学科的研究领域[2]。同时，智能电网、智能能源、能源互联网、宏观能源体系等新不断涌现，对能源信息学领域提出了新的研究要求因此，有必要对能源信息学的基本原理和各自的标准化进展进行全面审查本文认为能源信息学是一门多学科交叉的学科，具有较高的精度，涉及多个学科。每个学科都提供了不同的视角来看待能源系统的问题，特别是从信息学的角度来看待能源系统。其目标是利用新兴的信息和通信技术，使能源系统越来越高效，有效，安全，安全，经济和清洁。本文件的结构如下。第二部分介绍了一些典型的新能源系统概念。第三节讨论了能源系统与ICT的融合。第四部分分析了能源信息学的技术基础。第5节介绍了能源信息的标准化最后，在第6节中，我们总结了本文，并提出了未来的研究方向。2. 能源系统2.1. 新一代能源系统Zhou等人在[3]中提出了第三代电网和新一代能源系统的概念。第三代电网（通常也被认为是新一代电力系统）是在21世纪初启动的，其特点是集中智能化和非化石燃料发电的一体化。在中国，建设下一代能源系统的总体目标有效利用可再生能源，加快全国能源消费转型[4]。2.2. 多能源系统电力系统的灵活性描述了系统应对可能导致不同时间段供需失衡的事件的能力，同时以经济有效的方式保持系统的可靠性。与其他能源部门的相互作用可以从电力系统的角度确定灵活性资源。在文献[5]中，作者提出了多能源系统（MES）的概念，并提出了电、热、气、氢、运输部门等之间的几种相互作用。在MES中，电、热、冷、燃料等在各个层次（例如，在一个地区、城市或区域内）相互优化，这代表了这是改善传统能源系统的技术、经济和环境绩效的重要机会。78B. Huang et al. / ICT Express 3（2017）762.3. 宏观能源系统为了保证系统的安全性能，上游一次能源供应系统和下游需求侧能源消费应在宏观能源系统水平上进行研究[6]。自然、社会和经济环境等外部因素的干扰反过来，能源系统的安全与稳定也会影响到外部环境.因此，能源系统与外部环境之间的相互作用应在宏观能源系统的背景下加以考虑和研究[7]。3. 能源系统与信通技术3.1. 基于信通技术的能源系统作者在[8]中介绍了混合能源枢纽作为能源生产者、消费者和交通基础设施之间的接口。从系统的角度来看，能源中心可以被识别为提供基本功能的单元，包括输入/输出，转换和存储。 [9]描述了未来能源系统的信息驱动服务另一个类似的术语[11]指出，在能源互联网时代，数以亿计的人们在家中、办公室和工厂中生产自己的绿色能源，并在“能源互联网”中相互分享，就像我们现在在网上创造和分享信息一样此外，互联网和电网都是为了满足信息和能源的基本需求而设计的，通过将地理上分散的供应商与地理上分散的消费者连接起来。在[15]中，作者确定了互联网和电网之间的相似性和差异，并提出了互联网概念和技术可以促进智能绿色电网发展的几个具体方面。3.2. 信息物理能量系统方法信息-物理能源系统（CPES）是一种异构能源系统集成的整体它将离散的计算、通信和控制能力与连续的自然或人为物理世界相结合。在CPES中，网络能力通常嵌入在每个物理组件中。CPES组件在多个尺度上联网网络和物理组件被集成用于学习，适应，更高的性能，自组织和自组装[16]。新型ICT技术的发展使能源利益相关者能够轻松收集和管理来自人员、传感器和互联资产的数据。能源利益相关者可以利用大数据和分析提供新的见解和建议，以推动更好的决策，并实现成本降低，节能和预测性维护。3.3. 宏观能源思维与大数据思维的融合两者[17，18]都提出了一种新的更高层次的信息物理能源系统方法，它融合了宏观能源思维和大数据思维。以电力为能源生产和消费枢纽的宏观能源思维，打破了电力系统、一次能源系统和终端能源系统之间的物理壁垒。大数据思维将各种数据资源视为生产的基本要素，而不是简单的过程对象。宏观能源思维与大数据思维的融合，将使电力大数据成为广泛互联、开放互动、高度智能的宏观能源系统的基础。这种集成的关键要素包括不同时间尺度的广域电力数据、相关领域数据的获取、传输和存储，以及从多源异构数据中快速、深入地提取知识及其应用。4. 技术基础4.1. 通信与网络工程通信网络是支持信息双向流动的必要条件.根据数据传输速率、传输范围和工作域，智能电网中的通信网络可分为用户驻地局域网（家庭局域网、楼宇局域网、工业局域网）、邻居局域网、现场局域网和广域网。通过软件定义网络实现的数据和控制平面的解耦，可以在物理基础设施之上构建虚拟网络层，这允许多个租户和应用程序重用相同的通信基础设施，而不受硬件细节的限制。4.2. 计算机科学在过去几年中开发的大量编程语言和建模形式主义目前分布在几个学科和社区中，例如混合系统和控制，基于AI（人工智能）的规划和调度，嵌入式系统设计和验证，以及约束求解和优化。然而，快速发展的计算机科学技术到目前为止还没有为能源领域的应用量身定制。 必须建立适合能源网及其组件的适当模拟框架，包括产消者行为[9]。此外，用于自主和分布式发电管理的计算算法，同时结合了自我修复能力、安全方面等，迫切需要。B. Huang et al. / ICT Express 3（2017）76794.3. 控制科学与工程将控制科学和工程纳入能源信息学也面临着一些挑战。首先，需要适当的公式的合作/协调/合作的能量控制问题，这一领域的全部潜力得以实现。其次，系统的进化可能会促进新的数据驱动的经验技术，如识别，学习和适应。第三，需要故障诊断和容错控制方法来识别由大量组件和设备的互连和相互作用引起的个体故障。4.4. 信息系统/信息技术无处不在的信息交换和更好地了解能源可用性和负载分布对于实现下一代能源系统至关重要[19，20]。首先，来自不同供应商的新技术的合并引起了对互操作性的关注。其次，如何有效地利用与能源系统各个方面相关的大数据来提高性能仍然不清楚。第三，数据安全和隐私带来了新的挑战，因为近实时记录的详细能源使用信息的泄漏增加了数据访问和数据隐私之间的紧张关系。4.5. 系统工程智能电网或智能能源在现代化的能源系统基础设施上整合了ICT，从而形成了一个从发电到消费的网络物理系统，并促进了分布式存储、可再生能源和电动汽车的整合[21]。系统工程专注于如何在其生命周期内设计和管理复杂的工程系统。intelliGrid方法论是系统工程科学的一个子集，它将“用户需求”和“技术规范”的概念分开5. 能源信息5.1. 智能电网在IEC标准中，智能电网被定义为利用信息交换和控制技术、分布式计算以及相关传感器和执行器的电力系统，其目的是整合网络用户和其他利益相关者的行为和行动，或有效地提供可持续、经济和安全的电力供应[23]。Eu-rope提出的智能电网架构模型（SGAM）是图1中描述的三维框架[24]。X轴由发电、输电、配电、分布式能源和Fig. 1. IEC智能电网架构模型。图二. 智能能源物理层的互操作性。客户场所。IEC标准IEC 62 357 [25]中描述的Y轴有六个区域，包括过程、现场、站、操作、企业和市场。IEC 62264 [26]中描述的Z轴由五个互操作性层组成，代表业务目标和流程、功能、信息交换和模型、通信协议和组件[27]。每个互操作性层跨越电气域和信息管理区。5.2. 智能能源物理层的互操作性能源基础设施的物理层可以抽象为包括网络、源、负载、存储和转换元件的逻辑模型，如图2所示。网络包括电网、燃气或氢气网络、供热网络、制冷网络和通信网络。源节点包括风力发电厂、太阳能发电厂、换热站等发电厂;负荷节点包括工业、建筑、商业、住宅等负荷;蓄能包括蓄电、蓄热等;转换包括热泵、电锅炉等。要实现最高效、最灵活、最可靠的能源系统，就必须在相互依赖的领域进行规划和6. 结论和今后的方向本文全面介绍了能源信息学的基本原理和标准化工作，80B. Huang et al. / ICT Express 3（2017）76并确定了几个关键的开放问题今后，能源信息学可在能源系统发展的不同阶段发挥重要作用，具体如下：(1) 能源系统开放协议标准化。能源系统对物理能源层的互联提出了新的要求。借鉴互联网所需要的成功概念和技术，建立开放的互联协议是未来能源系统可持续发展的基本途径。由于能源互联和信息互联基于不同的物理规律，因此，新的理论模型和协议标准的发展是能源信息学具有挑战性和令人兴奋的研究方向。(2) 建立新的信息系统基础设施。现代信通技术大大提高了系统的数据汇总和处理能力随着与能源相关的元素数量的增加，能源系统中的组件和参与者相互连接。开展能源信息模型和通信技术的研究和标准化活动，促进不同规模的能源一体化是当务之急。(3) 开发新的规划设计平台和相关标准.不仅需要在国际、国家等层面建立新的系统规划和系统设计原则与规范，而且需要重构面向多能源一体化的扁平化组织体系必须建立智能信息系统（或平台），以促进能源信息标准化所涉及的不同能源系统和ICT平面的互操作性和协调性。引用[1] H.M. 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