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浅谈智能电网中的物联网技术应用与发展

点击次数:447 发布时间:2021-09-10

 王蒙蒙

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要:随着智能电网与“互联网+"技术的深入融合和发展,物联网技术在智能电网建设中的应用成为近年来研究的热点。首先介绍了物联网技术的概念,总结了当前物联网技术在电力系统源侧、网侧和荷侧等三个方面中的主要应用。在此基础上,从传感器、通信、云边缘计算三个方面对物联网领域关键技术特点及其发展趋势进行了分析,进而提出了未来物联网技术在智能电网数据采集、通信和计算处理方面的优势与应用前景。从物联网技术与智能电网深度融合的角度,阐述了智能电网的发展愿景。

关键词:物联网;智能电网;电力系统;泛在电力物联网

 

0引言

近年来,随着电力负荷的快速增长,间歇性电源的高比例接入,全球天气加剧等问题的增多,传统电网的稳定运行已受到巨大挑战。针对上述情况,发展更加智能的电网,将先进的通信、信息和控制技术应用于传统电网,解决源侧、网侧和荷侧三方面的重难点问题将成为未来电网建设的主要任务与挑战。

物联网概念由 Kevin Ashton 教授提出,早期的物联网是依托 RFID 技术的物流网络。随着技术和应用的发展,物联网的内涵已经发生了较大变化,国际电信联盟发布的《互联网报告 2005:物联网》认为,(1) 目前的三大网络,包括互联网、电信网、广播电视网是物联网实现和发展的基础,物联网是在三网基础上的延伸和扩展;(2) 用户应用终端从人与人之间的信息交互与通信扩展到了人与物、物与物、物与人之间的沟通连接[2]

智能电网由美国首先提出,美国电科院于 2000年前后提出了 Intelli-Grid 的概念,认为这是未来电网发展的态势和解决 21 世纪电网面临的各种问题的途径。智能电网具有自愈、互动、优化、兼容、集成的特征。目前,国内外对智能电网的研究仍属于热点。国家电网公司将智能电网定义为以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展的坚强电网为基础,利用先进的通信、信息和控制技术构建统一坚强的智能化电网。南方电网公司定位要构筑一个可靠、绿色能电网,以提高电力系统稳定水平,提高系统和资产的运用效率,提高用户侧

的能效管理和服务水平,提高资源优化配置运用能力,促进资源节约型、环境友好型社会发展为目标。

智能电网建设涉及面广,面临的问题较多,依靠传统技术很难满足其需求,因此更需要云、 大、物、移、智等新兴技术支撑。由此能源互联网的概念应运而生,成为智能电网更开阔的发展空间。其中,物联网技术作为当前科技领域的热点技术,已有不少学者分析和探讨其在电力领域中的应用现状和前景。

作为智能电网和物联网相互融合的产物,随着泛在电力物联网概念的提出,国家电网公司发布《泛在电力物联网2019》,将泛在电力物联网建设分为两个阶段,构建能源生态、迭代打造企业中台、协同推进智慧物联、同步推进管理优化,实现到 2024 年建成泛在电力物联网。并提出了《配电物联网技术发展》,实现了物联网和配电网的融合,对配电物联网关键技术的规模化工程应用和场景进行推广。

目前,在众多实施的泛在电力物联网应用项目中,嘉兴乌镇电力物联网作为园区级综合示范项目,实现了智慧路灯、电动汽车智慧车联网、全感知配电房等多种场景的应用,建立了全景智慧用电平台,实现数据共享,服务城市管理、百姓生活。有利于智慧城市的建设。浙江无锡作为国内的物联网示范城市,系统规划了物联网产业发展,促进以物联网为龙头的新一代信息技术与工业、经济、城市治理深度融合,形成一系列“让城市生活更美好"的智慧解决方案和运营管理模式。国网上海电力将泛在电力物联网应用于进博会的供电保障中。实现更快发现设备问题,从而大大提升保电工作的效率及能力。      

智能电网与物联网的融合是顺应数字化浪潮的必然结果,挖掘电力在源网荷三方面的数字属性,提高电力数据的应用价值,可以帮助电网实现更高质量、更有效率的发展。泛在电力物联网以数字技术为传统电网赋能,不断提升电网的感知能力、互动水平和运行效率,有力支撑各种能源接入和综合利用。随着物联网技术的不断发展,特别是智能传感器、低功率广域通信技术以及边缘云计算等技术的成熟,未来物联网技术在智能电网建设中的应用需进行进一步的思考。

基于此,本文介绍了物联网在电力系统源侧、网侧和荷侧三方面中的主要应用。然后从传感器技术、通信技术和云/边缘计算角度分析了物联网技术在智能电网发展中的应用。结合技术发展趋势与未来电网需求,阐述了智能电网的发展愿景。

 

1当前物联网技术在电网中的应用

目前电网经过多年的建设已经成为联系到千家万户的每一台电器,实现物联网的物质基础非常具备。简单来说,建设智能电网需要在现有电网上增加传感测量技术、集成通信技术和控制方法,而物联网本身就是这三者的有机结合,因此物联网技术可以和智能电网高度融合,二者相辅相成。

传统物联网侧重于设备之间的关联,即利用传感器将各种设备与资产连接到一起,对关键设备的运行状况进行实时监控。物联网和智能电网的相互融合,赋予了双方新的特征。首先,物联网与智能电网的融合,使物联网更注重用户之间以及用户与电网之间进行实时连接和互动,并实现对数据信息的收集分析和实时高速传输。其次,物联网应用于智能电网也使物联网加强了其智能处理和决策支持功能,智能电网需要物联网来分析诊断电网和电网设备的运行状况,进而进行决策去排除和避免电力故障。物联网在智能电网的应用也加强了智能电网的数据处理能力,由于物联网与智能电网都以信息传输为基础,均需要对海量信息进行智能处理,实现终端设备的实时响应处理, 但智能电网主要应用在电信息采集控制及用电服务系统等方面,而物联网主要应用在实体属性信息及控制信息交互,显然,物联网更侧重于数据处理,与智能电网的融合可以更好地实现电网海量数据的处理。因此,物联网技术可以提高智能电网各环节的信息化程度,促进智能电网的发展。

 

本节从源侧、网侧和荷侧三方面论述物联网通过传感器技术、通信技术、云/边缘计算技术等的支持在电网运行中的不同应用。源侧、网侧和荷侧三方面的通信方式如图 所示。

1.1 源侧的应用

物联网技术在电源侧的应用主要体现在传感器应用及对发电机实时状态监测,主要分成传统电源和分布式电源两个部分的应用来阐述,其中通信一般依靠工业以太网来实现。

对于传统电源方面,物联网技术可以应用于对发电设备进行远程故障诊断,文献设计了发电设备远程监测系统,能够检测发电机组的实时情况,并根据机组的异常情况查找故障原因。

对于分布式电源方面,物联网技术可以对风能、太阳能等新能源发电进行监测和调节,从而使新能源更好的并网接入和运行。在光伏发电方面,文献可以实现对偏远地区的光伏系统进行监测和控制。文献除了可以实现光伏系统的监测,还可以实现对光伏系统中功率点的跟踪。在风能发电方面,由于风电场具有单机数目大、分布地区广且大的特点,因此需要长时间频繁维护。若将物联网技术应用于风电场组网,则可以大大降低其运营维护的成本,文献提出了基于物联网的风电机组状态视频监控系统,可以监视设备运行状态。文献利用物联网中的深度学习模型实现预测和诊断风力发电的故障,能够提高风力发电机组的运行可靠性并减少成本。

总而言之,在电源侧物联网可以加快新能源的发展,规范新能源的并网和运行,但目前基于物联网开发出的这些监测系统仍存在系统不够完善、故障率较高的问题,且在通信方面,由于分布式电源具有随机性、点多面广等特点,可能会造成实时数据采集负担、远程监测数据滞后等问题。因此,物联网在电源侧的应用需要改进的是加强监测系统系统的可靠性以及系统的数据传输和处理能力。

1.2 网侧的应用

传统物联网技术在输电侧的应用主要体现在对输电线路状态的监测及线路检修管控,其中通信一般依靠专用通信网(光纤网络)或通用分组无线服务(General Packet Radio Service, GPRS)网络。物联网在输电侧的应用可以解决目前监测系统存在的运行维护费用高、数据传输率低等问题,从而提高输电效率。

对于输电线路的通信方面,目前基于物联网技术的各种监测系统的区别在于数据采集的方式不同或传输的通信方式不同。文献通过对不同物联网通信技术的组合,从而实现对长距离输电设施的信息传输和监控。对于高压线路的监测方面,文献实现了高压输电线路的在线监测,通过对高压线路的参数测量,提高了其通信稳定性,但仍存在电磁干扰、防潮、防雷以及各种自然环境等防护问题。对于输电塔的保护方面,文献设计了输电塔保护系统,可以实现对高压骨干输电塔的故障分类、定位和。

 

在变电侧的应用主要是对变电站电气信息、状态信息和操作信息进行监控,一般通过光纤或工业以太网进行通信。

在变电设备监测方面,物联网的应用可以解决传统变电设备监测装置相互独立、数据无法共享、计算负荷分配不均及不具备故障初步诊断功能的问题。文献均实现了对变电站内主要变电设备的实时监测和对存在的故障隐患进行和,文献针对智能变电站设备提出全景信息建模方案,提高了设备性能。文献通过计算传感数据的可信度,可以防止异常数据导致变电设备的故障。文献利用红外图像与可见光图像配准方法,实现对变电设备异常状态监控。文献设计了基于工业物联网的高速监控系统,实现远程可视化。在变电站通信方面,对传感器网络进行设计,实现了变电站数据智能分析、远程控制的功能。

在配电侧的应用包括对设备提供智能管理,对电力设备的运行状态进行监测,支撑配电自动化的实现,目前配网自动化中的通信主要是依靠光纤,没有条件的地方则主要依靠 GPRS 无线公网。

在设备状态监测方面,物联网技术可以对配电网中的设备运行状态、运行环境状态进行监测,有助于提升电网运行水平。对于目前输变配电设备监测存在人工定期检测作业方式效率低、人工监测方式存在监测不到位的问题。实现了对输变配电设备状态的在线运行监测和智能管理,比传统监控方案更能确保设备信息感知与监控之间的信息可靠交互。在配电自动化方面,利用云计算实现了配电自动化,提高了网络的带宽及减少延迟。将物联网技术应用于主动配电网络,提高主动配电网络的效率和可靠性。

总而言之,物联网技术的应用有助于提高网侧的运维水平和智能化程度,提高了智能变电站的运行管理水平,实现灾害的实时监测和。但物联网技术在输电侧应用仍存在通信传输速率较低以及信息在传输过程中被遮蔽等问题;在变电侧的应用存在设备之间电磁干扰以及传感器选择和安装等问题;在配电侧的应用存在监测系统数据准确率较低的问题、复杂采集网络的控制问题,以及智能终端选型、投资布点的问题。因此,物联网在输电侧应用需要改进的是加强对气象等影响因素的监测和提高数据实时传输的效率;在变电侧应用需要改进的是传感器的配置,以及解决通信干扰的问题;在配电侧应用需要改进的是监测系统的通信问题,提高系统的传输效率和准确性以及配网智能设备布点的合理规划。

1.3 荷侧的应用

物联网在负荷侧的应用显著是低压抄表方式的转变,除此之外,物联网可以实现在用电管理、用电方面的应用,进一步推动了智能家居、智能建筑方面的发展。

 

在智能用电服务方面,智能用电服务系统是智能电网建设在用户侧的重要组成部分,物联网技术有助于提升电网与用户的互动,提升用户的生活质量,建了双向互动服务总体构架,实现电力流、信息流和业务流的双向互动。设计了一种基于多种通信方式混合组网的智能用

电服务系统,也有效地提升了电网和用户的互动。利用 ZigBee 技术进行用电信息采集,针对用户不同的用电特点,为制定节能方案提供有力支持。

在智能家居、电动汽车方面,设计了基于实时电价的智能用电系统,还能达到平稳的电

力负荷、提高能源利用的效果。在智能家居方面,设计了一个基于 B/S 架构的物联网智能家居系统,实现对智能家居系统的应用。用物联网实现楼宇智能化。但物联网在用电侧的应用仍存在数据采集的效率问题。设计了智能低成本家庭自动化系统,可以实现家庭用电监控计量以及在线计费。

在电动汽车方面,物联网技术也促进了电动汽车充电技术的发展。设计了充电导航路径选择模型,可以为电动汽车出行者制定快捷方便合理的充电导航路径。文献[52]提出一种物联网架构,有助于电动汽车智能充换电服务网络的运营。

由此可见,物联网技术能有效提升负荷侧的用电效率和用电管理水平。但是,物联网现有应用存在用电数据挖掘不够用电信息等问题,因此,物联网在负荷侧应用需要改进的是进一步对用电数据进行深入挖掘,从而获取有价值的用电信息,以实现应用。

综上可知,传统物联网技术在电网的源侧、网侧和荷侧三方面都有不少应用,随着物联网技术的不断发展,未来其应用场景也会更加丰富。

2 电力物联网关键技术

物联网三个关键技术是物联网整体架构的重要组成部分,三者是各类应用环节的技术基础,为物联网中数据的传输作了重要支持。传感器作为数据获取的源头,通信技术组成了数据传输网络,边缘计算提高了数据的传输速度,云计算是数据处理和管理的平台,从而使海量的电力数据在泛在电力物联网中变得更加可靠,实现电力数据的综合应用。

三个关键技术的交叉应用,也为物联网在智能电网中的应用提供了更大的空间。传感器与边缘计算的结合,可以及时处理和分析更靠近生成数据源的数据,使数据处理变得分散,从而降低数据的延迟和管理成本。传感器与 LPWAN 技术等先进通信技术的结合,有利于分布式电源的运维,可以解决风电场范围广大且分布稀疏导致的运维成本高的问题。通信技术与云计算的结合,提高了通信的质量和计算量,从而提高了网络优化的效率。物联网三个关键技术使物联网具备了控制功能、传输采集通信、智能化边缘计算等性能,从而使得物联网的通信对象范围得到拓展和扩大,将原有的人与人的互联转化为人和世界万物的联系。

 

2.1 传感器方面

传统传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并按一定规律变换后输出,典型的器件有电阻应变式传感器、电荷耦合器件、霍尔传感器等。随着传感器不断发展,具有信息处理功能的智能传感器占据较大的应用空间,智能传感器也是物联网获取外界信息的重要途径。与传统传感器相比,智能传感器具有高精度、高可靠性、自适应强等优势。

目前,小微智能传感器是传统传感器的发展方向,小微智能传感器是传统传感器与微处理机相结合的产物,也称为巨磁阻传感器(Giant Magneto Resistance, GMR),具有采集、处理、交换信息的能力,因其具有的特低功率、便于安装、抗干扰等特点使智能电网透明化运行成为可能。因此,可以利用小微智能传感器解决传感器在物联网中的应用瓶颈,例如将小微智能传感器应用于物联网的感知层,实现智能电网的大数据测量和收集,进一步拓展传感器在物联网中的应用范围。小微智能传感器作为透明电网重要的单元,仍存在电压测量、功率较大等问题,其未来将要突破的瓶颈是自行实现能量的补给以及电压测量的问题。

除此之外,物联网技术在智能电网中的应用还有无线传感网络,它通过节点内置传感器进行采集和处理网络覆盖区域中的目标信息[55]。无线传感器网络具有自组织性、抗干扰能力强等特点,它能为物联网带来传感、互通和驱动的高性能。但无线传感器网络也存在一定的缺陷,首先不同应用场合下无线传感器网络的结构和协议不同,需要设计相同的标准接入到电力通信网;其次无线传感器网络在电网中会受到电磁干扰,可能会导致数据采集和传输过程中出现失误,需要完成电磁兼容的可行性设计;无线传感器网络节点需要持续的能量供应,若将小微智能传感器与无线传感器网络相结合,从中可以挖掘小微智能传感器在智能电网中可能的应用点。目前,无线传感器网络已经开始逐步应用于智能电网的数据收集的场景中,如无线自动抄表、远程系统监控、设备故障诊断等。

2.2 通信方面

传统物联网中一般针对距离的远近采用不同的通信技术,在局域网的场景中,一般采用短距离无线通信技术如 WIFI、蓝牙等,具有易部署、功耗低、速率高的特点,但应用距离有限。在范围较广的连接中,可以采用移动蜂窝网通信技术如 3G4G,虽距离远、覆盖广、速率高,但功耗大、成本高。除此之外,传统物联网还存在多种通信技术的融合问题。针对传统物联网通信技术功耗与距离无法兼容、信号串扰等问题,未来通信技术将向高传输速率、低功耗、远距离、减少干扰等方向发展。其中具有代表性的未来通信技术有:宽带载波、5G、低功耗广域网络(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)等。

2.2.1 宽带载波通信技术

宽带载波通信技术采用先进的正交频分复用技术 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM),即一种通信编码技术,利用覆盖范围广泛的电力线作为高速数据通信的载体,可以免布线、低成本地实现用户的数据终端接入宽带通信网络。相较于目前的窄带载波技术而言,宽带载波拥有三大核心优势:高频点、远离电力线干扰;多载波、自动规避干扰;高速率、减少通信延时。宽带载波通信技术可以解决多台变信号串扰问题,可以更好地支撑智能用电。除此之外,宽带载波通信技术可以为智能配电网中信息采集等场景提供高速可靠的信息通道。若将其应用于城区的中压电缆,可以满足配电系统中海量数据的传输要求,解决通信速率较低的问题。

2.2.2 5G 通信技术

5G 是实现物联网的关键技术,可以解决海量无线通信需求,将采用包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构在内的一组关键技术,以满足各种场景的差异化需求,文献对此提出了应用于 5G 大规模物联网连接的网络框架。低功耗宽连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务,是 5G 新拓展的场景,解决传统移动通信不能很好地支持物联网及垂直行业应用的问题。5G 系统具有很高传输速率、超大容量带宽、低延时低功耗的点对点传输等特点。可以应用于分布式电源发电状况的监测,提高能源的利用率;电缆的状态评估,有利于发现和预防故障发生;无人机巡检输电线路,可以拍摄更多更高清的图片视频,提高巡检可靠性;还可以应用于智能变电站、变电站机器人、配电自动化等场景。

2.2.3 低功耗广域物联网(LPWAN)技术

LPWAN 可以优化物联网应用中的 M2M 通信场景,是以星型网络覆盖,支持单节点覆盖可达 100 km的远程无线网络通信技术。LPWAN 的特点在于覆盖远、功耗低、低带宽以及可以使用非同步通信。LPWAN 在网络配置方面有很大的灵活性,可以支持定位服务和移动对象,并具有抗干扰的能力。LPWAN 可以应用于源网荷互动、电气设备温度监测、配电故障指示器等,还可实现包括发电厂、变电站、电动交通基础设施、分布式发电运维、环境监测等能源互联网业务的海量小数据连接需求。

2.3 云计算方面

云计算技术。云计算利用网格计算将多个计算机实体集成到一个强大的计算系统中,并通过相关技术将计算能力分配给用户。与传统计算模型相比,云计算具有高速互联网传输能力、接近无限存储和计算能力强大等优势。可以将云计算应用于电网调度、电网信息通信、电力数据存储等,实现海量数据的存储和处理以及处理平台的统一管理和弹性扩容

2.3.1 智能电网调度系统

随着智能电网的建设,电网结构变得越来越复杂,规模也越来越大,为了对电网进行实时监控和调度。如何对大量智能监测终端所产生的大规模运行数据信息进行实时可靠的采集、传输、存储和管理就显得十分必要。

在电网调度运行分析的过程中,以云计算为核心,以统一模型的数据库为依托,采用相应的服务总线技术,把分布在各个局站的调度子系统的数据和功能,用系统结构化的架构整合在一起,构建具有实时性强、可靠性高的电网调度云计算平台。从而实现对不同的调度实现数据共享,支撑支持系统的运行,满足大计算量应用的需求。以及对大规模信息数据可靠的存储和管理。

2.3.2 电网大数据分析平台

随着智能电网的规模日益扩大,各种智能电表、传感器、信息系统等异构分布式数据源持续不断地产生海量数据如用户用电数据、调度运行数据、设备监测数据等,被称为电力大数据。除此之外,分布式电源和电动汽车的大量接入,也会为电网注入更多的数据流,从这些数据中可以得到有应用价值的信息。

目前,智能电网中安装了许多智能化的测量装置,从中产生了海量数据。而传统的电力数据分析系统大多基于关系数据库,分析速度慢且可伸缩性差,难以适应智能电网时代电力大数据对数据存储与分析的需求,已成为智能电网建设的瓶颈,因此,电网大数据分析平台应运而生。

电网大数据分析平台一般可以分为数据载入与处理、数据组织与存储、数据交互式分析与展示三个部分,主要利用大数据处理技术实现数据的有效处理和分析。主要结合云计算技术、分布式联机分析处理等大数据处理技术实现对电力用户侧、电力设备状态的大数据分析。电网大数据分析平台可以增加电网的透明度,使运行状态透明化,在此基础上,结合其他不同的信息源也会有更深层次的应用,如电力系统智能安防、用户行为分析、大用户节能服务、用户窃电行为挖掘、需求侧管理等。

2.4 边缘计算方面

边缘计算的“边缘"指的是在数据产生源头之间任一具有计算资源和网络资源的路径。边缘计算旨在将计算资源推向更靠近网络边缘的位置,其目标是改善网络延迟并确保执行任务的效率。这样能够快速响应用户请求,并实现较低的时延和较高的带宽。边缘计算可以使许多控制从集中式云转移到边缘,实现物联网对海量数据的实时分析。当电力系统出现不正常运行或发生故障时,传统方式是将海量信息上传到集中式系统进行处理,这就对计算机的

数据处理能力提出了很高的要求,而云/边缘技术就可以解决此问题。除此之外,还可以将边缘计算应用于智能家居、传输线路监测、智能变电站等,提高系统效率和实时性。当前,边缘计算的研究主要集中在移动边缘网络、雾计算、边缘云等方面,移动边缘计算成为未来的研究方向。

2.4.1 非侵入式负荷监测

非侵入式负荷监测支撑户内用电数据采集、电能质量监测与源头识别和支持用户参与需求侧响应。传统的侵入式负荷监测系统把传感器安装至各个负荷处,监控每个负荷的运行情况。而非侵入负荷监测的特点是硬件较简单、分析软件较复杂,分析软件能够对采集数据进行数学分析,从中获得有用的信息。因此,只需在用户的电表加入此模块,就能够实现对一个用户所有负荷的在线监测和分解。非侵入式负荷监测可为用户提供用能状况分析等多种用能服务,实现用户间接管理,提高用能效率,实现用能策略优化;可以实现对电动机类负荷的非侵入式故障诊断;可以利用负荷构成信息和变化情况实施需求响应,并可以应用于变电站层的扩展及应用。面对分布广泛且群体庞大的电力低压用户,若将边缘计算应用于非侵入式负荷监测,并将处理好的数据传输至云服务器,有利于将数据在用户侧进行处理,减少数据传输负担,有助于实现实时负荷数据监测。

2.4.2 输电线路设备智能监控

针对配电网具有结构复杂、点多面广的特点以及电网监控存在的问题。目前大部分解决方案是将采集的图片信息上传至服务器进行分析,但视频图像传输量大且有效信息少,会占用和浪费大量网络资源,利用边缘计算可以在后端配备计算能力较强的计算单元,使用回传数据进行深度学习,建立模型,减少大量无用数据的传输,增强异常检测能力。因此,边缘计算聚焦实时、短周期数据分析的特点,更适合实时的数据分析和智能化处理。除此之外,对于配电线路设备数量多以及管理的问题,通过边缘终端部署边缘计算对原始数据进行处理,从而降低数据传输带宽及处理成本。并能将设备正常模型下发到边缘侧,对边缘侧的数据传输进来与模型进行匹配,从而实现预测性维护,提高设备的可靠性。

上述三种物联网关键技术的发展使得以前一些不可能实现或解决的问题有了新的转机,也使得未来智能电网发展有了新的契机,使未来电网更加智能化。

首先,物联网技术可以成为解决电力大数据的一大利器。随着我国智能电网不断发展,发电侧、电网侧和用户侧产生了海量数据,对电网的监控、调度和管理带来了巨大挑战。如何对电力系统中多种类型的数据进行有效的分析和管理成了急需解决的问题。通过传感器技术将产生的数据进行收集,利用通信技术将数据传送到主站,对各项数据进行分析和可视化

展示,有利于电网相关人员及时洞察已存在的异常和潜在的故障,实时准确地监测电网的运行状态,有利于提高电网的可靠性。除此之外,传统的集中式控制模式已无法满足海量数据的传输处理要求,利用边缘计算在网络边缘侧进行智能处理,可降低对主站系统的压力,提高数据传输的实时性、准确性。

其次,物联网技术可以促进与用户交互的智能用电模式的推广。随着我国人民生活质量的提高,人民对供电质量要求也越来越高,传统的配网运行管理手段已难以有效保障低压配网的可靠经济运行以及用户的正常用电。如何在满足人民用电需求的同时提供高质量的供电服务是目前用电侧需要解决的问题。物联网的出现有利于用电侧的管理,通过物联网可以对用户及配电网运行状态进行准确的测量,以保障智能用电的实施,及时处理收集的数据,对用电的交互也提供了保障。

物联网技术可以降低分布式电源等新能源接入带来的风险。随着新能源在电网中的接入和应用,对配电网造成较大的影响,使之运行状态和特性发生了新的变化。分布式电源出力的随机性、间歇性和波动性会造成配电网功率和电压波动,对配网运行控制和保护带来了一定的挑战。物联网技术通过对分布式电源进行实时监测,及时进行调整,从而提高用户的电能质量水平。

综上可知,传统电网的运行控制模式已不能适应智能电网的发展,物联网技术是提高电网运行智能化水平、提高电网调度控制保障电网运行的重要途径。

3 智能电网的发展愿景——透明配电网和泛在电力物联网

3.1 透明配电网

当前,能源互联网的发展出现了新的趋势,即李立浧院士在 2018 盐城绿色智慧能源大会上提出的“透明电网"方向,透明电网通过各种“互联网+"技术的综合运用,使电网运行透明可观可测。区别于运行数据少和设备状态不可见的传统配电网,透明配电网是近年来伴随着数据采集、数据传输及数据分析技术在配电网深度应用而出现的一种新的配电网形态。

物联网技术是构成透明配电网的重要基础,能为透明配电网提供有力的技术支持。透明配电网以数据监测为基础,为了实现配电网的透明化,要求数据且数量足够多,而传统的测量装置无法实现大量数据的测量和实时传送,此时物联网便可以发挥其优势。传感器技术可以解决透明配电网数据采集的需求,实时采集海量数据,实现配电网的数据透明。通信技术例如 LORANB-IOT可以解决透明配电网的通信需求,可以实时传输可靠的数据,从而实现

配电网的状态透明。云边缘计算可以解决透明配电网海量数据处理的需求,快速处理上传海量数据,从而实现配电网的态势透明。因此,物联网技术的发展将使配电网透明化成为可能。

3.2 泛在电力物联网

国家电网近期提出来的“泛在电力物联网"理念,其实质与透明电网特别是透明配电网的内涵高度吻合,即围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术,实现电力系统各环节万物互联、人机交互,具有状态感知、信息处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。

传统物联网架构采用的是分层体系,分为感知层、网络层、应用层三层,对应的层次特征分别是感知、可靠传递、智能处理。泛在电力物联网是物联网在智能电网应用的体现,可以分为感知层、网络层、平台层、应用层这四层结构,结构如图 所示。感知层通过传感器技术负责数据采集和处理,利用边缘计算处理一些区域化的计算任务,从而减轻平台层服务器的计算压力,提升实时性和建立统一的终端操作系统是未来感知层的发展方向。网络层负责对感知层和平台层之间的数据进行传输,利用多种通信方式实现数据的可靠传输与灵活调度,提高信息的传输速度和流量,电力载波通信技术和 5G 技术是未来网络层的发展方向。平台层通过云计算技术负责数据处理和物联管理,是实现应用的基础,提高协同计算与实时响应能力是未来平台层的发展方向。应用层实现电网的生产运营、经营管理和相关的用能服务,如微网运行管理、电动汽车的运营管理、园区能源管理等,跨专业的物联管理是未来应用层的发展方向。泛在电力物联网的建设为大数据与人工智能在能源互联网领域的应用打下了基础。

泛在电力物联网在电网三个方面尤其是荷侧有更好的表现。目前对荷侧的感知还不够深入,从低压侧只能获取到电量数据,若能得到更多类型的数据,从而可以针对不同类型的用户用电情况进行更精确的分析,通过对电量负荷曲线等规律研究,深入挖掘荷侧海量数据的应用价值。首先,可以实现智能用电、智能家居应用,增加与用户的互动,提高用户的生活质量;其次,可以实现数据的商业价值,比如商家可以针对不同电量的用户生产销售对应的电气设备;进一步实现应用,实现电气互联到信息互联的转变。泛在物联网目标就是从电表、用户、电网的互联变成所有电气设备与人的互联即万物互联。目前泛在电力物联网仍存在感知层的传感器数据准确性、网络层数据传输的及时性以及大量数据接入存储带来的电力数据问题,若能解决上述问题,泛在电力物联网将会有应用空间。

 

 

4安科瑞为国家电网2021泛在电力物联网建设提供解决方案

 

安科瑞电气深耕用户侧能效管理多年,逐渐完善了从电力物联网云平台到终端传感器的生态体系,在“源(电源)-网(电网)-荷(负荷)-储(储能)"各个环节加大研发投入,已经形成“云(云平台)-管(有线/无线物联)-边(边缘计算)-端(终端设备)"的生态系统,参与泛在电力物联网建设,为国家电网建设“三型两网"提供解决方案,使用户在任何时间、地点、人、物之间实现信息连接和交互,产生共享数据,从而为电网、发电、供应商、用户服务。

 

4.1云平台

安科瑞电气近年来已经陆续推出变电所运维云平台、能源管理云平台、智慧用电云平台、环保用电监管云平台、充电桩(电动汽车/自行车)运营管理云平台、预付费管理云平台等云平台解决方案等解决方案,并已经广泛应用在多地国网公司用户端业务、环保部门、安监部门、住建部门等。

4.1.1变电所运维云平台

据统计全国高供高计的工商业用户数量达到200多万户,规模巨大,但是大部分日常的运行维护工作比较传统,普遍存在人力成本高、工作效率低、故障抢修时间长、风险预防薄弱等问题。国网公司和众多电力运维公司正在抢占这块巨大的市场,这是一个千亿级别的市场。

AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力仪表、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术,通过智能网关采集现场数据并存储在本地,再定时向云平台推送数据。平台可同时接入数以千计的用户变电站数据。平台采集的数据包括变电所电气参数和环境数据,包括电流电压功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、浸水、视频、门禁等信息,

 

有异常发生10S内通过短信和APP发出信号。平台通过手机APP下发运维任务到人员手机上,并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环,提高运维效率,即时发现运行缺陷并做消缺处理。

4.1.2能源管理云平台

Acrelcloud-5000能耗管理云平台可适用于各个行业,如政府办公建筑、工厂、教育建筑、医疗建筑、商业综合体等,可通过局域网、互联网或者4G网络采集不同区域多个建筑或单位的用能数据。

平台采集建筑电、水、气、冷热量等能源消耗数据和光伏、风力、储能等新能源数据,对用能数据进行分析,按照区域、部门、用电设备类型进行细分,提供同比、环比分析比较和用能数据追溯,同时可以提供尖峰平谷各时段用能数据和报表,帮助用户梳理能源账单明细和制定能源绩效考核。

4.1.3环保用电监管云平台

近年来我们的环境质量有了很大的改善,这都归功于国家层面对环保的重视和环保部门的有力监察执法。安科瑞针对环保监察的痛点研发了环保用电监管系统解决方案,助力环保部门坚决打赢蓝天碧水保卫战。

Acrelcloud-3000环保用电监管平台主要为环保监察部门和产污排污企业服务,为环保部门提供在线监管和执法依据,为生产企业提供设备运行监控和产污排污数据记录。

平台采集生产企业总用电量、生产用电和治污设备用电量,进行关联分析,及时给出环保设备异常运行信号或企业异常生产信号,实现全过程防控。前端设备采用不停电免接线方案采集用电数据,经LORA无线上传到环保数据网关,再通过4G上传平台服务器或县、市、省级环保平台。各地环保部门通过污染防治设施用电实时监控,实现对排污企业生产运行无死角、全流程监控,达到变人防为信息化技防,从事后处罚到介入式执法,扭转传统依靠人力、经验进行现场核查的状态,为环保监管开辟更加切实、有效的监管方式,形成长效机制

4.1.4智慧用电云平台

据应急管理部网站数据,2016~2018年期间因为电气原因导致的火灾占总数的百分之三十到百分之三十四左右,其中2018年全国共接报火灾23.7万起,因违反电气安装使用规定引发的火灾占总数的百分之三十四,较大和重大火灾事故中,电气火灾的比例更高。国务院、公安部消防局以及各省市自治区直辖市纷纷出台文件推广智慧用电,从源头上预防电气火灾的发生,现用电管理平台已在九小场所、三合一场所、养老福利院、医疗场所、学校、金融网点等人员密集场所广泛开展。

   安科瑞Acrelcloud-6000用电管理云平台对电气引发火灾的主要因素(线缆温度、漏电电流、负荷电流、电压)进行不间断的数据跟踪与统计分析,通过2G/NB-IOT/4G方式采集现场数据,实时发现电气线路和用电设备存在的隐患(如:线缆温度异常、过载、过压、欠压及漏电等)并通过短信、APP推送、自动语音呼叫等方式及时,有效防止电气火灾的

发生。系统可以显示所有监测点位的漏电电流等电气参数和线缆温度,并支持巡检记录和派单操作,提供隐患分析报告,实时评估企业用电状态。

4.1.5电动汽车/电瓶车充电桩运营管理云平台

电动汽车现已成为广泛使用的绿色能源交通工具,Acrelcloud-9000充电桩运营管理云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控,同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行;用户通过微信小程序扫描二维码,进行支付后,系统发起充电请求,控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网,配合加密技术和秘钥分发技术,基于TCP/IP的数据交互协议,与云端进行直连。

电动自行车数量越来越多,解决了老百姓短距离出行问题,但是和电动自行车相关的和火灾事故新闻也屡见不鲜,有逐年增长的趋势,给社会带来了很大的损失,成为人民生命和财产的一个隐患。基于电动自行车火灾的危害和特点,各级政府部门发文对电动自行车火灾的整治都放在规范停放和充电行为上。安科瑞Acrelcloud-9500充电桩运营管理云平台,针对电动自行车火灾治理提供充电管理、资产管理和交易管理的一揽子解决方案,解决充电难、管理难和收费难的问题,可应用于商业楼宇、小区、学校、医院等场所设置的电动自行车充电场所的运营管理。

4.1.6物业小区预付费管理云平台

安科瑞远程预付费系统可以针对各商业综合体、小区、写字楼、办公楼、酒店式公寓等物业,学校、工厂宿舍的后勤管理部门以及连锁超市、大型物业分布式财务操作,在线支付,总部财务扎口等。目前Acrelcloud-3000预付费管理系

 

统已经成功在上述各场景得到广泛的应用并已经稳定运行多年,适用于物业公司对小区、办公和商铺租户的水电预付费管理,或者学校对学生宿舍的用电预付费和用电管控系统。

4.2有线/无线物联

安科瑞根据多年来的项目经验,结合用户实际需求,开发了各类有线、区域无线、广域无线通讯产品,包括网关和终端设备。支持RS485、以太网、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多种通讯方式,随着5G建设步伐的加快,未来将会有越来越多的通讯方式融入产品,服务于泛在电力物联网建设。

4.3边缘计算

安科瑞针对物联网应用开发了多款智能网关,采用嵌入式系统和边缘计算技术,现场采集和存储终端设备数据,并根据云平台的需要,采用不同的协议和云平台对接。所有数据采集、计算、异常触发逻辑均在网关就地设置,网络故障时数据存储在本地,网络恢复后补传数据,断点续传,提高数据可靠性。

4.4终端设备

针对泛在电力物联网的建设,安科瑞陆续推出多款物联网仪表,应用在不同场合以满足不同需求,2019年全年各类终端仪表出货量超过185万台

4.5安科瑞产品在泛在电力物联网的应用

近两年来,安科瑞已经陆续参与江苏省部分县市电力公司的用户端能源管理平台、云南省网综合能源服务平台、上海嘉定区147所学校电力运维平台等相关平台的建设,提供了包括云平台、智能网关、终端设备等产品,各类用户端云平台在全国各地运行案例700多套,并且根据用户需求不断完善产品功能,这些项目就是未来泛在电力物联网的一部分。

“能源互联网的春天到了,因其所能,它必将成为充满活力的新型能源业态。"尽管针对泛在电力物联网还有一些不同的声音,但是泛在电力物联网已经悄无声息的铺开来,融入能源互联网基础建设的方方面面。

5结论

物联网技术将电力系统的各个元素紧密地、有机地联系起来,不断促进电力系统的自动化、信息化和智能化。传感器技术、通信技术与云/边缘计算技术等物联网关键技术在电力系统源侧、网侧和荷侧三方面的深化应用和扩大影响,推动了电力系统实现可观可测、可调可控。随着物联网技术的进一步发展和突破,未来物联网在智能电网具有巨大的应用空间。在物联网技术的支撑下,智能电网将会朝着透明运行和泛在物联的形态发展。

参考文献

[1] 何奉禄,陈佳琦,李钦豪,羿应棋,张勇军.智能电网中的物联网技术应用与发展

[2] 钱志鸿,王义君.物联网技术与应用研究[J].电子学报

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版

作者简介

 

王蒙蒙,安科瑞电气股份有限公司,主要研究方向为智能照明的研发与应用


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