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      淺談電力通信與泛在電力物聯網技術的應用與發展

      發表時間:2021-07-05  |  點擊率:109
        程志芳
       
        安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
       
        摘要:隨著我國社會經濟的快速發展,我國科技實力得到了巨大的提升,當前互聯網通信技術在社會中得到了廣泛的應用。隨著電力通信技術的快速發展與更新,泛在電力物聯網建設成為電力通訊發展的重要方向。本文已泛在電力物聯網系統為核心,介紹了泛在電力物
       
        聯網系統等基本概念與架構特點,并對電力物聯網建設的難點與問題進行了探討,對電力物聯網發展的需求與前景進行了展望。
       
        關鍵詞:電力系統;電力通信;泛在電力物聯網技術
       
        0引言
       
        隨著我國社會經濟的快速發展,社會與企業對電力服務的需求逐漸增加,分布式發電設備與電網結構得到了快速發展,傳統的電網形態已無法滿足當前社會的發展需要。隨著 5G 通信在各大領域中的廣泛推廣,電網的運營模式與功能必然會得到了新一輪的發展方向,因此結合當前電力通信技術,將電力系統與泛在電力物聯網結合形成未來電力能源體系是電力系統發展的重要趨勢與方向。因此當前國家電網因重視泛在電力物聯網技術發展內容,探討技術模式與出現的問題,這將有利于進一步擴大電力的服務范圍與能力。
       
        1泛在電力物聯網的概念
       
        1.1泛在電力物聯網的概念
       
        泛在物聯網通常是指在任何時間地點、人員與物質之間信息的有機互聯與交互,而泛在電力物聯網則具體指的是電力用戶、電力企業與供應商和設備之間的信息互聯交互??梢哉f泛在電力物聯網就是在電力系統中應用互聯網技術,實現不同信息傳感設備之間的資源共享,從而實現能夠自我感知標識的智能處理實體,通過實體間的交互與連接使得有關數據信息能夠得到感知與反饋控制,進而形成整體的電力生產體系。而泛在電力物聯網通信可以使電力平臺架構上通過智能通訊技術實現不同數據信息之間的共享與管理,這將提高數據和信息的利用效率,同時也有利于數據信息之間的交互與連接。通過不同設備用戶在任意時空與范圍內的信息的共享與交互實現對電力整體運營的穩定,并有利于能源服務平臺的在電力市場中得到進一步發展。
       
        1.2泛在電力物聯網的發展目標
       
        泛在電力物聯網建設目標主要有利于充分發揮當前物聯網大數據的技術優勢,充分的包絡不同數據和類型的電力信息,增強數據的空間尺度和來源范圍,統一分析與挖掘數據的深度與內容。這將有利于電力數據服務針對不同的區域打破數據之間的兼容性,實現各類業務之間的貫通,將電力數據更好的服務于各個行業中,通過社會各類行業的廣泛參與實現商業模式的建立與發展。以人工智能和深度學習為特征的大數據智能技術將促進電力物聯網的快速發展同時也有利于數據知識的挖掘與學習??梢灶A見未來將促進整體行業的發展與進步。
       
        2泛在電力物聯網的基本架構
       
        通常來講泛在電力物聯網的基本架構主要分為三個方面:技術架構、標準架構與應用架構。就技術架構而言,主要分為感知、網絡、平臺與應用 4 個層面。感知層面主要完成數據信息的協同采集。通過邊緣計算使得終端設備的智能化得到了廣泛提高。網絡層則主要利用現代通信技術實現不同的電力環節之間的覆蓋與連接。平臺層則主要用于物聯網數據信息的管理與不同云端的協同作用。而應用層則主要用于提高整體系統的穩定性,使得能源系統之間構建綜合智能的互聯網體系。
       
        標準架構則主要為整體的數據平臺提供標準支撐,在感知層面會使設備產生不同環節之間的大量數據。這些數據往往來源與格式均不相同。如果沒有完善的標準體系,數據之間將很難相互溝通與連接。因此為了解決數據之間的統一與通信,建立了統一的平臺標準將促進數據的使用利用情況,為數據信息的深度挖掘提供準備與保障。泛在電力物聯網的應用架構,主要用于保障整體電網的運行,提高能源的綜合服務能力,并且通過經濟的市場運營得到良好的能源生態體系。
       
        3電力通信技術在泛在電力物聯網的發展
       
        泛在電力物聯網是以通訊技術為基礎發展而來的新型物聯網體系,其構建的核心是滿足電網能源系統的智能判斷和自適應調節能力,這將提高能源的替代和利用能力。對于電力物聯網來說,通訊技術是其核心的技術內容之一,也是實現萬物互聯基本的組成單元,凡在電力物聯網可以保證不同類型的通訊網絡進行相互的連接與反饋,當前電力通信技術的快速發展,泛在電力物聯網必然將得到進一步的發展。
       
        3.1電力通信基本原理
       
        從 2G 通訊技術發展開始,移動通訊技術都以數字信號作為通訊的基礎模式。對于 5G 通訊來說,也將以數字信號作為通訊的基礎。簡單來說,移動通訊的概念就是利用電磁波在空氣中自由傳播與通訊實現信號的傳輸。就其組成部件而言,主要包括有:信號發生器、 接收器、調制解調器等關鍵步驟單元。在空氣中無限通訊必然將面對反射散射等各種傳輸情況,5G 通訊也不例外。5G 通訊相較于 4G 通信而言實現了巨大的飛躍。從提高傳輸信號的角度來說,主要包括三個方面內容:1.擴展資源,增加了電磁波信號頻率。2.沿延拓定理,提升了頻率的使用效率。3.開發技術,物質密度更加密集??蓪崿F頻率資源多次重復使用,進而得到密度更高的異質網絡連接。
       
        3.2 5G通信基本特征
       
        5G 通訊至少要包括以下 5 個基本特征:高速率、高容量、高可靠性、低時延與低能耗。1.高速率。5g 通訊的速率主要包括有峰值速率,區域速率與邊緣速率三個方面的指標。具體來講,峰值速率指的是在好的條件下得到的速率。區域速率指的是通訊系統整體所保障的總速率。邊緣速率是指差的 5%用戶所得到的通訊速率。高速率的基本特征使得 5G 通訊技術將在物聯系統中得到廣泛的應用。2.高容量。相較于傳統的通訊技術 5G 通訊將包括有更多的設備終端。這里不止只有手機,也包括有家用電器、各種穿戴設備等。這也為物聯網的發展提供了巨大的物理支撐。3.高可靠性。電力通信可靠性是電力系統的首要保障。5G 通訊能夠保障信息傳輸的整體可靠,為電力通訊提供可靠的技術保障。4.低時延。通常來講,通信時延就是指信息在傳輸過程中所需要的時間。對于傳統技術而言,由于時間影響很大。所以往往被忽視。在未來通信技術發展的情景下必然要求時延性更好的通訊方式,進而滿足各種系統之間的協同配合與控制。5.低能耗。在傳感器與通訊設備之間往往需要基本的電力供應。新的 5G 技術,將節約能源損耗,降低能源的浪費。
       
        4安科瑞為國家電網2021泛在電力物聯網建設提供解決方案
       
        安科瑞電氣深耕用戶側能效管理多年,逐漸完善了從電力物聯網云平臺到終端傳感器的生態體系,在“源(電源)-網(電網)-荷(負荷)-儲(儲能)”各個環節加大研發投入,已經形成“云(云平臺)-管(有線/無線物聯)-邊(邊緣計算)-端(終端設備)”的生態系統,參與泛在電力物聯網建設,為國家電網建設“三型兩網”提供解決方案,使用戶在任何時間、地點、人、物之間實現信息連接和交互,產生共享數據,從而為電網、發電、供應商、用戶服務。
       
        4.1云平臺
       
        安科瑞電氣近年來已經陸續推出變電所運維云平臺、能源管理云平臺、智慧用電云平臺、環保用電監管云平臺、充電樁(電動汽車/自行車)運營管理云平臺、預付費管理云平臺等云平臺解決方案等解決方案,并已經廣泛應用在多地國網公司用戶端業務、環保部門、安監部門、住建部門等。
       
        4.1.1變電所運維云平臺
       
        據統計全國高供高計的工商業用戶數量達到200多萬戶,規模巨大,但是大部分日常的運行維護工作比較傳統,普遍存在人力成本高、工作效率低、故障搶修時間長、風險預防薄弱等問題。國網公司和眾多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場,這是一個千億級別的市場。
       
        AcrelCloud-1000電力運維云平臺采用多功能電力儀表、無線通信、邊緣計算網關及大數據分析技術,通過智能網關采集現場數據并存儲在本地,再定時向云平臺推送數據。平臺可同時接入數以千計的用戶變電站數據。平臺采集的數據包括變電所電氣參數和環境數據,包括電流電壓功率、開關狀態、變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、視頻、門禁等信息,有異常發生10S內通過短信和APP發出告警信號。平臺通過手機APP下發運維任務到人員手機上,并通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環,提高運維效率,即時發現運行缺陷并做消缺處理。
       
        4.1.2能源管理云平臺
       
        Acrelcloud-5000能耗管理云平臺可適用于各個行業,如政府辦公建筑、工廠、教育建筑、醫療建筑、商業綜合體等,可通過局域網、互聯網或者4G網絡采集不同區域多個建筑或單位的用能數據。
       
        平臺采集建筑電、水、氣、冷熱量等能源消耗數據和光伏、風力、儲能等新能源數據,對用能數據進行分析,按照區域、部門、用電設備類型進行細分,提供同比、環比分析比較和用能數據追溯,同時可以提供尖峰平谷各時段用能數據和報表,幫助用戶梳理能源賬單明細和制定能源績效考核。
       
        4.1.3環保用電監管云平臺
       
        近年來我們的環境質量有了很大的改善,這都歸功于國家層面對環保的重視和環保部門的有力監察執法。安科瑞針對環保監察的痛點研發了環保用電監管系統解決方案,助力環保部門堅決打贏藍天碧水保衛戰。
       
        Acrelcloud-3000環保用電監管平臺主要為環保監察部門和產污排污企業服務,為環保部門提供在線監管和執法依據,為生產企業提供設備運行監控和產污排污數據記錄。
       
        平臺采集生產企業總用電量、生產用電和治污設備用電量,進行關聯分析,及時給出環保設備異常運行信號或企業異常生產信號,實現全過程防控。前端設備采用不停電免接線方案采集用電數據,經LORA無線上傳到環保數據網關,再通過4G上傳平臺服務器或縣、市、省級環保平臺。各地環保部門通過污染防治設施用電實時監控,實現對排污企業生產運行無死角、全流程監控,達到變人防為信息化技防,從事后處罰到介入式執法,扭轉傳統依靠人力、經驗進行現場核查的狀態,為環保監管開辟更加切實、有效的監管方式,形成長效機制。
       
        4.1.4智慧用電云平臺
       
        據應急管理部網站數據,2016~2018年期間因為電氣原因導致的火災占總數的百分之三十到百分之三十四左右,其中2018年全國共接報火災23.7萬起,因違反電氣安裝使用規定引發的火災占總數的百分之三十四,較大和重大火災事故中,電氣火災的比例更高。國務院、公安部消防局以及各省市自治區直轄市紛紛出臺文件推廣智慧用電,從源頭上預防電氣火災的發生,現用電管理平臺已在九小場所、三合一場所、養老福利院、醫療場所、學校、金融網點等人員密集場所廣泛開展。
       
        安科瑞Acrelcloud-6000用電管理云平臺對電氣引發火災的主要因素(線纜溫度、漏電電流、負荷電流、電壓)進行不間斷的數據跟蹤與統計分析,通過2G/NB-IOT/4G方式采集現場數據,實時發現電氣線路和用電設備存在的隱患(如:線纜溫度異常、過載、過壓、欠壓及漏電等)并通過短信、APP推送、自動語音呼叫等方式及時預警,有效防止電氣火災的發生。系統可以顯示所有監測點位的漏電電流等電氣參數和線纜溫度,并支持巡檢記錄和派單操作,提供隱患分析報告,實時評估企業用電狀態。
       
        4.1.5電動汽車/電瓶車充電樁運營管理云平臺
       
        電動汽車現已成為廣泛使用的綠色能源交通工具,Acrelcloud-9000充電樁運營管理云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控,同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警;和用戶通過微信小程序掃描二維碼,進行支付后,系統發起充電請求,控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網,配合加密技術和秘鑰分發技術,基于TCP/IP的數據交互協議,與云端進行直連。
       
        電動自行車數量越來越多,解決了老百姓短距離出行問題,但是和電動自行車相關的和火災事故新聞也屢見不鮮,有逐年增長的趨勢,給社會帶來了很大的損失,成為人民生命和財產的一個隱患?;陔妱幼孕熊嚮馂牡奈:吞攸c,各級政府部門發文對電動自行車火災的整治都放在規范停放和充電行為上。安科瑞Acrelcloud-9500充電樁運營管理云平臺,針對電動自行車火災治理提供充電管理、資產管理和交易管理的一攬子解決方案,解決充電難、管理難和收費難的問題,可應用于商業樓宇、小區、學校、醫院等場所設置的電動自行車充電場所的運營管理。
       
        4.1.6物業小區預付費管理云平臺
       
        安科瑞遠程預付費系統可以針對各商業綜合體、小區、寫字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業,學校、工廠宿舍的后勤管理部門以及連鎖超市、大型物業分布式財務操作,在線支付,總部財務扎口等。目前Acrelcloud-3000預付費管理系統已經成功在上述各場景得到廣泛的應用并已經穩定運行多年,適用于物業公司對小區、辦公和商鋪租戶的水電預付費管理,或者學校對學生宿舍的用電預付費和用電管控系統。
       
        4.2有線/無線物聯
       
        安科瑞根據多年來的項目經驗,結合用戶實際需求,開發了各類有線、區域無線、廣域無線通訊產品,包括網關和終端設備。支持RS485、以太網、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多種通訊方式,隨著5G建設步伐的加快,未來將會有越來越多的通訊方式融入產品,服務于泛在電力物聯網建設。
       
        4.3邊緣計算
       
        安科瑞針對物聯網應用開發了多款智能網關,采用嵌入式系統和邊緣計算技術,現場采集和存儲終端設備數據,并根據云平臺的需要,采用不同的協議和云平臺對接。所有數據采集、計算、異常報警觸發邏輯均在網關就地設置,網絡故障時數據存儲在本地,網絡恢復后補傳數據,斷點續傳,提高數據可靠性。
       
        4.4終端設備
       
        針對泛在電力物聯網的建設,安科瑞陸續推出多款物聯網儀表,應用在不同場合以滿足不同需求,2019年全年各類終端儀表出貨量超過185萬臺。
       
        4.5安科瑞產品在泛在電力物聯網的應用
       
        近兩年來,安科瑞已經陸續參與江蘇省部分縣市電力公司的用戶端能源管理平臺、云南省網綜合能源服務平臺、上海嘉定區147所學校電力運維平臺等相關平臺的建設,提供了包括云平臺、智能網關、終端設備等產品,各類用戶端云平臺在全國各地運行案例700多套,并且根據用戶需求不斷完善產品功能,這些項目就是未來泛在電力物聯網的一部分。
       
        “能源互聯網的春天到了,因其所能,它必將成為充滿活力的新型能源業態。”盡管針對泛在電力物聯網還有一些不同的聲音,但是泛在電力物聯網已經悄無聲息的鋪開來,融入能源互聯網基礎建設的方方面面。
       
        5電力通信與泛在電力物聯網建設的展望
       
        5.1 通信電力網網絡間的優化發展
       
        相較于傳統的通訊技術,現在電力通信技術已經降低了功率能耗。但是隨著未來物聯網技術的發展必然將增加通訊量,這也會帶來可觀的能量損耗。對于泛在電力物聯網而言,需要分散的建立 5G 通訊基站,以保障電力能源的供應。這也將有利于實現電力網絡與通訊網絡之間的能量交換。5G 通訊將滿足萬物互聯的基本要求,但是電力系統問題使其值得關注的重點。對于通訊需求較大的地方可以進一步加強相應的系統規劃與發展
       
        5.2 多元化的商業模式
       
        隨著電力通技術在泛在電力物聯網中的應用,將擴大整體電力系統的商業模式。新的商業模式必然會隨著市場條件而產生,這有利于解決電力系統長期以來傳統商業模式的很多問題。其中實現個人與個人之間的能源交易將成為可能。隨著電力通信技術將端對端通信技術實現為 P2P 的交易模式,降低整體交易的通訊成本,有利于泛在電力物聯網系統的進一步發展與優化。
       
        參考文獻
       
        [1]金濤.電力通信與泛在電力物聯網技術的應用與發展
       
        [2]馬旭明.淺談電力物聯網建設中的關鍵技術[J].信息技術與信息化,2014(11):164-165.
       
        [3]林靜,林柏.電力物聯網建設中的關鍵技術研究[J].通訊世界,2017(24):185-186.
       
        [4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
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