1.國網信通產業集團業務場景
國網信息通信產業集團有限公司（以下簡稱國網信通產業集團），是國家電網有限公司全資子公司，是中國能源行業主要的信息通信技術、產品及服務提供商，致力于能源行業的互聯網建設和數字化轉型發展。國網信通產業集團以加快建成能源數字化服務國際領軍企業為戰略目標，聚焦物聯網、云計算、大數據、人工智能、區塊鏈、安全等產業領域，全面服務能源互聯網建設，助力構建新型電力系統，促進能源綠色低碳發展，居于能源行業信息通信領域領先水平。
電網作為連接電力生產和消費的重要網絡平臺，構建新型電力系統是推動國家能源低碳轉型和高質量發展的中心環節。而新型電力系統建設對電網數字化提出了新的要求，新型電力系統采集對象控制規模擴大，并需要統籌全網采集控制數據，在源網荷儲全環節海量數據實時匯聚和高效處理的基礎上，對數據采集、傳輸、存儲、應用也提出了更高的時效性要求，并須在電源側和負荷側應用多種靈活的控制策略和控制渠道，以便應對強隨機性的各類場景。新型電力系統需要通過先進的數據傳感、物聯、管理技術，達到廣泛互聯互通、全局協同計算、全域在線透明。
為實現新型電力系統建設，基于物聯網時序數據庫 IoTDB 強大的產品特性，國網信通產業集團完成了支持多協議接入和數據實時處理的精準用電調控終端、物聯管理平臺及實時量測數據中心等產品，搭建了云邊一體化全景狀態感知基礎設施。IoTDB 協助覆蓋電力行業數據采集、緩存、匯聚、存儲、計算、共享及可視化展現，支持端邊云協同的電力實時數據全生命周期管理，有力支撐新型電力系統達到實時感知、全域計算、協同聯動的業務目標。
2.業務需求痛點
2.1 億級終端數據采集
國網信通產業集團構建的新型電力系統希望做到能源鏈條的全領域、全場景感知與監控，因此時序數據庫的不同終端、不同上報頻次的海量數據實時采集能力非常重要。以南方某省為例，負荷側約有數千萬的電表、百萬級的電動汽車接入，在電網側約有數百萬的“輸、變、配”設施和設備的接入，時序數據庫面臨著億級終端接入，需要實現高可靠、高時效的數據采集。
2.2 實時計算共享
新型電力系統對發電、調控、用電、質檢等應用場景均需實現數據實時監測、共享、可視化，以保障能源智慧管控與應用。因此，底層時序數據庫軟件需要提供多模態的數據快速轉發、共享技術，并支持數據補全、異常診斷、分析建模等多種高效的數據服務，或與其它大數據計算分析系統的集成能力。
2.3 協同部署
為節省云側資源成本消耗，新型電力系統大量的智能終端部署和應用數據計算將由云側向邊側遷移，由云計算為主體的技術模式正在向云邊一體化計算模式進行轉化。因此，要求時序數據庫支持端、邊、云多種部署形態，并易于形成數據的跨平臺協同傳輸架構，能夠完成中心設備側、現場邊緣側、云服務側完整、全面的時序數據管理的高效解決方案。
3.選型 IoTDB 原因
3.1 端邊云協同部署能力
IoTDB 提供邊緣模式、單機模式、分布式等多種部署形式，并創新了基于操作同步和基于文件同步的“端-邊-云”多粒度、多延遲容忍的協同模式，不僅支持一種文件格式經終端一次處理，即可端邊云共用，有效節省資源成本，并且端側、邊側可以具備更強的本地數據管理能力，更好地支撐站線、用戶、供應鏈等本地智能化應用。
3.2 多源數據實時采集、寫入
IoTDB 支持 Modbus、645、1376.2、698、101、104、MQTT、TCP/UDP 等多種通信協議，邊緣側部署時可支持用電、熱力、燃氣、給水、環境等多類智慧能源業務的數據采集需求，處理多設備億級點位，并實現多頻次、多精度的高速率、低時延數據采集。云側部署時，單機版 IoTDB 可以達到至少每秒 2966 萬數據點寫入性能，并支持簡易、便捷的數據轉發鏈路，可以很好的支持多類型終端的海量數據匯聚需求。
3.3 快速數據處理、異常監測
IoTDB 具備補錄、召測、自動補全等邊緣側場景常用的質量容錯能力，支持多種基于時間序列維度的數據操作，有效減少了數據預處理的難度和復雜度。同時，IoTDB 提供統計分析計算函數及自定義計算公式，對邊緣側實時采集的量測數據，可幫助實現閾值、趨勢、告警等實時判斷。
3.4 集成助力數據分析
IoTDB能夠實現與 Kafka、Spark、Grafana 等數據軟件的無縫集成，在云側可增強采集時序數據拓撲的展現及分析能力，增強新型電力系統分析推演能力，幫助準確反映電網運行狀態、負荷用電狀態，并形成對外量測數據的可視化服務能力及被集成能力。
4.解決方案
4.1 整體方案
國網信通產業集團基于 IoTDB 建設的云邊一體化全景狀態感知基礎設施包括精準用電調控終端、物聯管理平臺及實時量測數據中心，并有多類保障體系與第三方合作伙伴接入，從各方企業及不同業務角度共同賦能基礎設施與平臺建設。IoTDB 應用于上述三個平臺當中，提供了穩定、高效的數據寫入、存儲、查詢能力。
精準用電調控終端是應用于電力負荷管理的智能終端，電源側、電網側、用戶側、供應鏈側等端側實時上傳的時序數據，通過精準用電調控終端的設備接入層、基礎服務層、對外服務層，在樓宇、園區、臺區等邊緣側實現用電、熱力、燃氣、給水、環境等多種能源的數據采集、緩存、實時計算，并將數據上報至物聯管理平臺。IoTDB 為智能終端提供輕量級、高頻、低時延的數據寫入能力，以及數據補全、基于閾值、趨勢進行異常診斷等數據質量容錯能力。
物聯管理平臺是物聯網中各專業、各類型終端的統一接入和管理的平臺，在云平臺側面向海量智能終端，通過設備管理、連接管理、應用管理、規則引擎、數據處理等模塊，實現千萬級終端在線接入及管控、數據實時匯聚、緩存及高效轉發能力，并可根據各類終端的業務場景需求制定實時數據策略，下達給精準用電調控終端。IoTDB 主要部署于規則引擎模塊和數據處理模塊，為物聯管理平臺提供高吞吐、低成本的數據寫入和存儲能力。
實時量測數據中心在云平臺側在線匯聚物聯管理平臺傳輸的全量實時數據，囊括時序數據管理、實時數據計算、數據服務、可視化展示等功能組，通過計算推演和分析擬合，實現實體電網在數字空間的數據實時動態呈現，并進一步幫助新型電力系統實現電能質量分析、光伏監控、負荷管理等功能。IoTDB 主要部署于時序數據管理功能組和實時數據計算功能組，為實時量測數據中心提供海量數據低成本存儲、高性能查詢能力，以及與 Kafka、Spark、Grafana 等數據組件強大的生態集成能力。
同時，在用電各智能業務終端，如充電場站、光伏場站等，基于 IoTDB 實現的全景數據管理基座，國網信通產業集團設計了實時監測預警，協同調控、發電預測、電能質量監測等應用，打造了“技術先進、架構堅強、應用靈活、提升全面”的分布式新能源協同調控系統。依托 IoTDB 的靈活部署能力與時序數據的高時效性，實現了分布式新能源的信息感知、實時監視、故障預警、群調群控能力，支持各典型電力應用場景，支撐大規模分布式光伏靈活應用和高效消納.
通過國網信通產業集團的云邊一體化全景狀態感知基礎設施與分布式新能源協同調控系統，IoTDB 支持國網信通產業集團實現了端邊云協同的電力各業務場景時序數據高效管理，并覆蓋海量時序數據采集、緩存、匯聚、存儲、計算、共享及可視化展現全流程。
4.2 各應用情況
4.2.1 精準用電調控終端
精準用電調控終端應用于工業樓宇、工業園區、居民社區等負荷管理應用場景，可接入江水源熱泵、充電樁等用戶能源系統，對用電、熱力、燃氣、給水、環境等智慧能源數據進行采集，并實現能效分析、需求響應及控制策略下發。因此，調控終端數據管理方案需達到秒級傳輸、多路測控，數據采集的頻次、精度及通道數量滿足高速率、低時延的需求，要能夠直接匹配適用多種通信規約，支持實現用戶多路負荷實時精準調控。
從采集數據分析，一個園區內部署一套精準用電調控終端，大約采集點在 1000 點/秒，按傳感器為 100 個、每秒采集一次計算的情況下，日新增數據點達 8000 萬。IoTDB 能夠滿足采集、存儲此海量時序數據所需的高通量、輕量級性能特點，并支持實時數據計算與質量監控需求，滿足能耗分析場景。
同時，IoTDB 已經適配了國網公司終端的軟硬件環境，可以支持嵌入式操作系統、X86 和 ARM 架構；可基于 Thrift（遠程過程調用框架）實現跨語言數據交互，提供多種語言的訪問接口；通過 IoTDB 與設備、數據、參數、模型交互處理并匯總到消息總線模塊，滿足終端側/邊緣側應用開發生態，為各類終端和邊緣 APP 提供統一的數據管理服務。目前 IoTDB 已支持國網信通產業集團需求配置的精準用電樣機，并已在國內多個負控應用領域開展應用。
4.2.2 物聯管理平臺
物聯管理平臺南向對接各類終端，提供接入、監控、邊緣應用管控，北向對接數據/業務中臺及調控終端/業務應用，提供標準化的數據服務，解決多主體的物聯終端管控和數據匯聚的問題。因此，物聯管理平臺數據管理方案需要滿足能夠實現多業務場景下數據實時的采集與融合共享，兼容多協議解析、多轉發路徑。
物聯管理平臺內置高并發的多協議解析組件及其與 IoTDB 的橋接組件，通過不同通信協議的消息主題轉發與 select from - deviceid1-topic into iotdb 的規則引擎，實現將多平臺、多場景數據實時寫入 IoTDB。目前，物聯管理平臺整體性能達到了千萬級設備并發，每秒 5000 萬點數據的實時寫入能力，同時各終端的 IoTDB 運行狀態也支持基于物聯管理平臺進行實時監測。
4.2.3 實時量測數據中心
實時量測中心實現電力系統各環節遙測、遙信、輔控、設備狀態、事件等采集數據的全面實時接入與數字系統計算推演，支撐物理電網實時狀態的精準感知、及時反映、協同互動。因此，物聯管理平臺數據管理方案需要實現多場景數據的高吞吐寫入、高可靠存儲、低時延查詢計算能力。
依托 IoTDB 對站、線、戶、測點等不同單位進行海量數據接入、歷史數據匯聚及實時數據服務，結合 Flink、Kafka、Spark 等組件實現數據計算推演和分析擬合，實時量測中心實現了在線匯聚 PB 級的全環節采集數據，保障億級新增數據/天存儲，千萬/分鐘批處理效率，實現高可靠、低時延實時數據管理。以南方某省為例，5000 萬電力用戶按 100 采集點采集不同種類的電氣量數據，每 15 分鐘產生的數據大約為 5 億條，每天產生 500 億條數據，批處理集群要求具備 3000 萬每分鐘的處理能力；遙信及事件類要求較高的實時性，時延需要在 30 秒以內，可靠性需達到 99.99% 以上。此項目數據管理需求可被 IoTDB 為核心的實時量測數據中心穩定、高效的達成。
5.未來展望
針對國網信通產業集團建設全量狀態感知基礎設施產品的目標，IoTDB 已協助在多個應用平臺側構建了高實時性、端邊云協同的時序數據管理方案，并成功覆蓋電力數據管理全流程，為電力數字空間提供穩定、高效的數據感知基礎。未來，IoTDB 團隊將和國網信通產業集團繼續深度合作，針對國網信通產業集團不同項目、不同終端的客制化需求，落地支持更多場景的高性能、多功能的時序數據管理架構，共同賦智、賦能、賦值新型電力系統的構建。
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