電力物聯網建設技術構架實現方案

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摘要：在新能源快速發(fā)展和結構不斷優(yōu)化的前提下，堅強智能電網和泛在電力物聯網建設的概念不斷被提出。泛在電力物聯網建設主要是將現代信息技術和先進通信技術應用于電力系統中，以實現電網運行更安全、能源利用更高效的目的。在此基礎上，對泛在電力物聯網的基本概念進行介紹，針對泛在電力物聯網建設的關鍵技術，初步提出泛在電力物聯網建設技術構架；然后結合其技術構架給出了泛在電力物聯網建設實現方案。實驗表明，所提方案為加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯網企業(yè)，為落實“三型兩網、世界一流”戰(zhàn)略目標提供一個全新的思路。

關鍵詞：泛在電力物聯網；新能源；智能電網；信息技術；通信技術；三型兩網

引言

在通信技術和互聯網技術高速發(fā)展和國家大力支持新能源產業(yè)和清潔能源的發(fā)展背景下，必將推動新一輪的能源改革。目前，電網企業(yè)面臨著三重挑戰(zhàn)：隨著社會經濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對電力供應的需求越來越大，電網架設規(guī)模也不斷擴大所帶來的電網形態(tài)復雜化挑戰(zhàn)；在電力市場逐步向民營企業(yè)開放的形勢下，電力市場化倒逼電網企業(yè)做出新的改革挑戰(zhàn)；數字化經濟打造多邊市場的挑戰(zhàn)[1-3]。為應對各種挑戰(zhàn)，提出了泛在電力物聯網建設。建設泛在電力物聯網，是推進“三型兩網”建設的重要內容和關鍵環(huán)節(jié)。本文在泛在電力物聯網建設的目標和要求的基礎上，提出泛在電力物聯網建設的技術構架及實現方案，為電網企業(yè)的下一步改革提供參考與借鑒。

1泛在電力物聯網建設的技術構架

泛在物聯是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息交換和通信。泛在電力物聯網是泛在物聯網在電力行業(yè)的具體體現和應用落地。泛在電力物聯網，就是利用移動互聯、人工智能等現代信息技術、先進通信技術，實現電力系統各環(huán)節(jié)萬物互聯、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統。泛在電力物聯網建設的技術構架包含信息感知層、邊緣計算層、網絡傳輸層、平臺應用層四個不同的層次。

1.1信息感知層

對于電力物聯網中的信息感知層，是利用智能傳感設備對電網末端運行設備進行實時數據采集、監(jiān)測和感知。電網運行的數據流貫穿發(fā)電、變電、輸電、配電及用電全過程。對于電力系統一次設備信息，一部分屬于設備基礎數據，另一部分是設備實時運行狀態(tài)數據。實時數據需要相對應的智能監(jiān)測設備對其監(jiān)測和感知，例如：紅外測溫儀、監(jiān)測攝像頭、巡檢機器人及無人機等。電力系統二次設備，例如：繼電保護裝置和電能監(jiān)測設備具備對電網運行數據的采集功能。用電側設備包括智能電表、智能家電、電動車充電樁等。一方面，它們能將系統運行數據和用戶電量消耗數據進行采集；另一方面，也能將設備運行數據、電力系統運行數據、用戶耗能及電力能源交易數據傳輸至系統平臺。

1.2邊緣計算層

邊緣計算是指在數據源附近進行計算、初步分析、存儲和應用的開放式平臺。電力物聯網邊緣計算層由電力終端設備、智能設備、邊緣節(jié)點處設備構成，對系統終端層上傳的數據進行簡單計算和初步處理，同時將處理結果上送至云中心[4-5]。邊緣計算層將終端層與網絡層進行更全面、更細化的連接，經過其簡單的計算分析，可大大緩解了云中心處理數據的壓力。隨著電網的逐步發(fā)展，電網架設安裝的設備越來越多，大量的數據需要傳輸和計算?？梢栽谶吘壒?jié)點處靈活部署設備，更接近終端設備、用戶設備，能準確及時對電力系統運行和用戶用電情況進行反饋，從而能更好的進行電力能源的調度。

1.3網絡傳輸層

傳統的電力網絡傳輸包括工業(yè)以太網、電力載波通信和光纖通信。泛在電力物聯網網絡層傳輸層在已有的網絡傳輸基礎上著力發(fā)展電力無線專網和終端通信建設，增強帶寬，以實現深度全覆蓋，滿足新興業(yè)務發(fā)展的需要。網絡傳輸層是在感知層與平臺應用層建立通信連接，對所采集到的數據、信息進行高效、安全的傳輸[6-7]。網絡傳輸除了網絡架構的搭建問題，最重要的是傳輸安全性及傳輸數據的速度。泛在電力物聯網的數據來源是多元化的，數據的格式是多樣的，因此需要網絡的融合性和數據兼容性更強。同時，多源的數據會給網絡帶來更大安全風險。為了解決數據在各個環(huán)節(jié)所產生的安全風險，最優(yōu)的信息保密技術亟待研究和應用。隨著國內5G技術的快速發(fā)展，電5G通信也應用于電力物聯網領域。5G通信具有無線覆蓋面廣、傳輸時延短、系統安全性高、傳輸速率高等特點，能較好應用泛電力物聯網的網絡建設中。

1.4平臺應用層

平臺應用層是將電網各類數據統一管理、統一處理和應用開發(fā)平臺，其包括企業(yè)統一數據管理中心、物聯管控中心、企業(yè)中臺。平臺應用層充分應用“大、云、物、移、智”等現代信息技術，以實現各類采集數據精細分析和綜合處理，并更精準服務于企業(yè)業(yè)務的需要[8-12]。大量的數據和信息匯集至平臺，需要對數據和信息進行篩選、匹配，以達到一種良好的供需目的，并提高數據的利用效率和發(fā)揮數據的最大潛力。平臺建設的重點是加強設備監(jiān)控、電網互動、賬戶管理、客戶服務等共性能力，最大限度的擴大為電網企業(yè)潛能。在應用方面，打造核心業(yè)務智慧化運營，全面服務能源互聯網生態(tài)，促進管理提升和業(yè)務轉型。泛在電力物聯網建設的技術架構如圖1所示。

2泛在電力物聯網建設實現方案

目前公司在智能變電站建設方面有一定基礎，同時打造了堅強電網架構。為了建設樞紐型、平臺型、共享型企業(yè)，在堅強智能電網基礎上建設泛在電力物聯網，共同構成能源流、業(yè)務流、數據流“三流合一”的能源互聯網。在現有電網發(fā)展水平的基礎上，泛在電力物聯網建設實現方案包括加強基礎設備建設、網絡通信建設、推動“平臺+生態(tài)”建設三個方面。

2.1加強基礎設備建設

加強基礎設備建設貫穿了發(fā)電、變電、輸電、配電及用電全過程。發(fā)電包含多能源發(fā)電廠和發(fā)電設備的的建設，充分利用多種能源發(fā)電并建設新型發(fā)電站，同時重點安裝更高效更智能發(fā)電設備。全面利用設備的信息化建設虛擬電廠，從而提高分布式新能源的友好并網水平和電網可調控容量占比，促進清潔能源的利用。在常規(guī)站到智能變電站建設趨勢下，達到站內設備智能化、微機化、信息化的目的，同時繼續(xù)加強對站內一次設備的智能監(jiān)控和二次設備的改造升級。確保對全站設備的全方位監(jiān)控管理，全面感知設備的運行狀態(tài)。在輸電線路上，除了做架設堅強輸電線路網架建設，同時應著重實現線路和鐵塔智能在線監(jiān)測全覆蓋發(fā)展。配電和用電設備多而雜，需要對這些設備進行智能化改造，包括配網高壓線路、配變、開關，智能電表，及移動充電樁的建設，以逐步提高配電設備的智能化水平。

2.2網絡通信建設

電力網絡通信系統在電網智能化發(fā)展過程中占很重要地位，不僅僅是解決電力數據的傳輸問題，更重要的是使得電網系統更加通暢。目前，電力通信傳輸網絡的通信方式主要包括有線通信和無線通信。有線通信技術包括同步數字體系（SynchronousDigitalHierarchy,SDH）技術、電力線載波通信（PowerLineCommunication,PLC）技術、以太網無源光網絡（EthernetPassiveOpticalNetwork,EPON）技術。電力無線通信技術主要有ZigBee、蜂窩通信技術、通用分組無線服務技術（GeneralPacketRadioService,GPRS）技術[13-14]。電力物聯網的建設則著重發(fā)展電力無線通信，相比于有線通信，電力無線專網具備安全性更高、接入更靈活、傳輸延時低、容量大等特點。目前，在建設電力無線專網時，可以設計多套無線核心網設備，將TD-LTE基站均分別接入這些核心網。各級網絡則對特定區(qū)域數據進行管理，且各核心網之間互為備用，以確保數據不會因網絡出現故障而中斷。

2.3“平臺+生態(tài)”建設

“平臺+生態(tài)”建設是要打造出共治共享的能源互聯網生態(tài)圈，以達到能源生產、傳輸、消費的最優(yōu)分配。同時利用已有資源建設智慧能源綜合服務平臺，為各類新興業(yè)務主體提供更優(yōu)質、更便捷的服務。它具體實現方式是多樣的，例如，利用泛電力物聯網的建設收集行業(yè)內豐富的業(yè)務數據，通過對各類數據的分析處理，統一對接總部級企業(yè)能效服務共享平臺，從而能更科學的，更經濟的、更有效的進行業(yè)務來往。再者通過大量的智能終端采集的數據，將各種設備、電網運行數據、負荷消耗等各類數據發(fā)送至系統平臺，可對設備進行集中監(jiān)控，對設備故障的反應更智能。建設電力互聯網生態(tài)圈，利用公司強大的資源網，把電網企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、設備制造廠家、金融機構、政府及用戶融合至一個良好的電力生產、服務、消費互聯網生態(tài)圈。電力企業(yè)使用最先進的智能設備，同時在客戶端也存在大量智能設備，例如，充電樁、電動汽車、智能家居家電等。平臺能將電力生產與消費者消費特征相結合，做出最好的服務策略。電力能源調度統一平需要借助雙絞線、電纜、光纖等傳輸介質，傳輸必須要媒介才可以。相較于傳統的CAN通信電路，本系統采用了DT3000與DT4000的數據采集通信模塊，主要負責將發(fā)電機組控制器連接到互聯網，模塊支持2G網絡、4G網絡以及無線GPRS網絡。

2.3Web管理模塊

Web管理模塊包括服務端和Web端兩部分，其主要是為用戶提供設備添加、設備刪除、設備控制和設備運行狀態(tài)的可視化管理界面。服務端通過onMessage（）方法將數據庫的數據轉發(fā)給前端頁面和接受前端頁面發(fā)來的控制命令。Web端設計的開發(fā)環(huán)境利用Linux+Apache+PHP+MySQL搭建，并通過WebSocket協議與服務端進行雙向通信。

2.4遠程監(jiān)控模塊

遠程監(jiān)控模塊負責將控制器檢測到的數據，采用JSON格式的網絡數據通信協議與壓縮算法，通過RS485、RS232或者Link通信接口把數據信息經過云貓，利用GPRS、4G、有線或無線（WiFi）網絡傳送到云服務器以供用戶查看。

3結語

本文設計了一種以云平臺為核心的發(fā)電機組控制系統。實驗表明，該系統可實現發(fā)電機組遠程監(jiān)控和在線控制的功能，具有智能、實時、節(jié)能的特點，很大大程度上滿足了“中國制造2025”的背景下發(fā)電機組行業(yè)的要求。

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作者：黃立 單位：廣東電網有限責任公司