物聯網技術在分布式能源系統中的應用*

李世興，王 宏，王 穎，苑明哲

(1.中國科學院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽110016;2.沈陽中科博微自動化技術有限公司，遼寧 沈陽110179;3.北京送變電公司，北京102401;4.中國科學院 研究生院，北京100039)

0 引 言

分布式能源被引入到國內已經有10 余年的時間，它具有能源利用效率高、環境負面影響小、能源供應可靠性高和經濟性好的特點，是未來世界能源技術的重要發展方向，也是我國實現可持續發展的必由選擇。

隨著信息技術的飛速發展，物聯網是一個新的領域。物聯網技術是將傳感技術，射頻識別技術、智能芯片嵌入技術集于一體，使任何物體之間都可以實現信息交換和共享，為分布式能源系統的建設提供了有力的技術支撐。物聯網由傳感器、通信網絡和信息處理等系統構成，具有實時數據采集、監督控制和信息共享與存儲管理等功能。它使目前的網絡技術的功能得到極大拓展，使通過網絡實時監控各種環境、設施狀態參數及內部運行機理成為可能。也就是說，原來與網絡相距甚遠的能源系統、交通管理、農業生產、建筑物安全、旱澇預警等都能夠得到有效的網絡監測，有的甚至能夠通過網絡進行遠程控制。

1 分布式能源系統

分布式能源系統是世界能源發展的最新方向。相對于傳統集中式能源供應系統，分布式能源系統是將小規模的發電系統以分散的形式在用戶端建設，按照用戶對能源產品的不同需求，貼近用戶進行能源轉換并梯級利用，實現獨立運行和輸出冷、熱、電等能源產品的供能系統［1］。分布式能源節能、高效、環保，都是多聯產或多功能系統，其主要優勢是用在冷熱電聯產中，具有效率高、占地少、保護環境、變負荷特性靈活、輸電損失小、供電可靠性高、初投資低等［2］。目前，許多發達國家將分布式能源綜合利用效率提高到90%以上，大大超過了傳統用能方式的效率［3］。

國際分布式能源聯盟WADE定義“分布式能源”由下列發電系統組成，而這些系統能夠在消費地點或附近的地方發電:1)高效利用發電產生的廢能來生產熱和電的系統;2)具有現場端的可再生能源發電系統;3)包括利用現場廢氣、廢熱以及多余壓差來發電的能源循環利用系統。這些系統不考慮規模、燃料、技術及系統是否聯網等條件［4］。

北京燃氣集團給出的定義為:分布式能源相對于傳統的集中供電方式而言，是指將冷熱電系統以小規模、小容量(數千瓦至50 MW)、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出冷、熱、電能的系統。分布式能源的先進技術包括太陽能利用、風能利用、燃料電池和燃氣冷熱電三聯供等多種形式［4］。

分布式能源系統的燃料多樣化，石化能源、太陽能、水能、生物質能、沼氣、風能等都可以實現分布式能源系統，進行冷熱電三聯供。其中，以天然氣為燃料的熱電冷三聯供方式發展最快，在我國的分布式能源領域占有較大比例。采用天然氣為燃料的分布式能源系統，一般采用燃氣輪機或燃氣內燃機作為發電設備，在發電的同時，利用發電產生的煙氣余熱生產冷熱產品就近滿足用戶電冷熱需求。分布式能源系統是能源綜合梯級利用技術的一個典型例子如圖1所示［5］。

圖1 分布式能源系統能源綜合梯級利用示意圖Fig 1 Diagram of energy comprehensive cascaded utilization of distributed energy system

2 物聯網體系架構

物聯網結構體系包括三層:信息采集處理層、網絡傳輸層、應用處理層，如圖2所示。

信息采集處理層:利用RFID、傳感器以及其他傳統信息采集裝置，協作的感知、采集所檢測環境中的信息，同時不同傳感器之間可以通信，實現物物相連。

圖2 物聯網架構圖Fig 2 Framework diagram of Internet of things

網絡層:通過不同的接入方式將信息采集處理層傳遞上來的數據接入到基礎架構統一的傳輸網絡中［6］，由于不同的感知端裝置不同且數量很大，需要利用異構網絡接入技術和基礎核心網絡技術，包括Internet，3G，藍牙，UWB等接入技術［7］。

應用層:該層面對眾多的數據來源和龐大的數據量，一方面需要結合具體的需求，以特定的流程和規則進行數據分析和利用，另一方面需要具有極強的數據處理能力和分發能力［8］。因此，該層將會利用以云計算為代表的數據計算處理分析和信息分發平臺技術。

3 基于物聯網技術的分布式能源系統

在分布式能源系統中，物聯網能有效解決分布式能源網絡信息的過程化、高密度、精細化、快速化采集等問題?；谖锫摼W技術的分布式能源系統分為分布式能源系統感知層、分布式能源系統網絡層和分布式能源系統應用層，如圖3所示，其作用可形象表述為信息傳感、傳輸和監控與優化調度。

3.1 分布式能源系統感知層

感知層解決的是各類物理量、標識、音頻和視頻數據的獲取問題，也可以說是人類世界和物理世界的數據獲取問題。分布式能源系統感知層的數據采集子層包括用于電量雙向計量的智能電表、雙向功率表、制冷與供熱計量儀表、電壓頻率和相位以及波動監測儀表、分布式能源設備的溫度、振動等設備狀態指標監測儀表等。感知層位于三層架構的最底層，是分布式能源系統物聯網獲取信息的基礎和來源，具有物聯網全面感知的核心能力。它作為物聯網的最基礎一層，對物聯網的整體構架具有十分重要的作用。

圖3 應用于分布式能源系統的物聯網體系架構Fig 3 System framework diagram of Internet of things applied in distributed energy system

分布式能源系統感知層還包括傳感器、各類儀表短距離組網技術。低速與中高速短距離傳輸技術主要是指所獲取數據的短距離傳輸技術、傳感器網絡組網技術和協同信息處技術。自組織網絡技術則可提高網絡的靈活性和抗毀性，增強數據傳輸的抗干擾力，而且建網時間短、抗毀性強，然而，它在組網中的同步技術的重要性卻日益突出［9］。在傳感器網絡現場組網和協同信息處理子層中組織傳感器組網以及多個傳感器利用協同信息處理技術對感知到的信息進行加工處理，經傳感器中間件進行轉換和過濾篩選之后傳遞到網絡層進行遠距傳輸［10］。分布式能源系統感知層利用底層的終端設備完成了分布式能源系統的信息獲取與匯集、數據融合處理與短距離傳輸功能。

3.2 分布式能源系統網絡層

網絡層是以現有網絡為基礎的，它與當代主流的國際互聯網、移動通信網、企業內部網、各類專網等網絡一樣，能夠無障礙、高效安全地進行信息傳輸。分布式能源系統的網絡層一方面需要完成分布式能源系統感知層與應用層之間的信息通信功能，另一方面需要具有高度承載能力的通信網絡來完成信息的海量、安全、高速度的傳輸，需要傳感器網絡與移動通信技術、互聯網技術相融合。承載網絡包括現行的Internet網絡、無線通信網絡、各行業專網等。網絡層利用高度融合的承載網，將會充分發揮已建設起的網絡基礎設施的應用價值，也為物聯網的進一步發展提供了一個高水平的網絡通信基礎設施平臺，以滿足物聯網信息傳輸過程中新的發展需求［9］。

3.3 分布式能源系統應用層

應用層是一個具有高度計算能力和處理能力的云計算信息加工廠，用戶端得到的數據是經過大量融合處理的非原始數據。分布式能源系統應用層包括分布式能源總控平臺子層、應用支撐子層和云計算子層。分布式能源總控平臺即分布式能源信息化管理系統，包括電量、功率、電能質量等數據監測以及系統優化調度平臺，綜合考慮能源需求、燃料消耗、電價、電能質量等因素，實現分布式能源雙向計量、就地消納和優化協調控制。應用支撐子層提供數據存儲、數據管理、權限管理和報表等服務。

隨著分布式能源系統監測規模的擴大和監測力度的細化，從底層傳來的數據量越來越龐大，所需處理計算能力越來越強。在分布式能源系統的應用層，高效處理海量數據的技術和算法模型將會出現并將大規模應用。最近幾年，云計算技術的提出和快速發展，為物聯網的數據處理和計算提供了全新的思路［11］。云計算是以虛擬化技術為基礎，以網絡為載體提供基礎架構平臺軟件等服務為形式，整合大規模可擴展的計算存儲數據應用等資源進行協同工作的超級計算模式［12］。云計算具有可擴展性、高度靈活性和高可靠性等優點，因此，基于云計算平臺構建分布式應用具有非常明顯的優勢，預計將會在面向分布式能源系統的物聯網中得到大規模地使用。

4 結束語

分布式能源系統因靈活的變負荷性、低的初投資、很高的供電可靠性、很小的輸電損失和適合可再生能源等特點在世界范圍內越來越受到重視［13］。在能源日益緊張與信息化深度發展的今天，物聯網與分布式能源不期而遇，這既是一個機遇，又是一種必然趨勢。從本質上來講，將物聯網用于分布式能源系統的作用是實現信息與電能的雙向流動，需要信息技術和能源技術的深度融合。物聯網可以借助信息手段，對分布式能源系統的各個狀態做出反應，幫助商業、工業和居民等消費者直觀地觀察到能源消費的數量和價格，在此基礎上，進一步選擇最適合自己的能源方案，或者實現能源方案的自動選擇，同時還能保證徹底的安全性，避免能源質量問題，適應各類設備的耗能需求［14］。

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