泛在電力物聯網功能架構初探

陳 軍

（南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094）

0 引 言

中國國家電網有限公司于2019年兩會報告中提出建設泛在電力物聯網，旨在打造一個基于電網，涵蓋生產、運輸以及生活等不同社會活動方面的中心系統，建設起溝通萬物、遠程管理以及精密到點的網絡[1]。這一概念包含有3個層次，即泛在網、電力網以及物聯網。三者分別從覆蓋范圍、實施媒介以及構建目的3個方面闡述整個系統。從泛在網的角度而言，泛在電力物聯網需要達到無處不在、無時不在以及無所不含等數個目標。網絡需要保證對處于泛在網內的任意物體與人員可實現隨時隨地通信。電力網構成了泛在電力物聯網中數據與信息的流通路徑，同時需要提供網內所有設備的安全、穩定供電，以及對設備的實時監測，保證整個系統正常運行。物聯網則指出了泛在電力物聯網的建設目的，主要在于建立起系統中功能獨立的各物體之間以及人與物體之間的聯系，主要通過傳感器獲取數據、云端存儲數據、算法監測與預測發展等實現。

盡管目前還不存在一個成熟、完整的以電力網為基礎與核心的實際泛在電力物聯網案例處于運行中，但是相關企業與城市已經開始了相關的研究與推行試點。美國拉斯頓市因設備老化，電力系統穩定性逐年降低。當地電力公司與UtiliWorks Consulting公司開展合作，基于智慧型電表開展智慧儀表與智慧能源管理，對用戶實時用電數據開展分析，以監測、維護相關區域電力系統。同時，為方便居民生活，升級用戶信息系統，并開發預付費系統協助用戶進行電費管理。為提高與新技術的契合，充電站與建筑能源管理同樣在項目建設范圍內。該系統除保證電力供應穩定與電能質量合格外，在運維、防竊電、節能減排以及便民服務等方面均有較高提升。國內較為成功的能源管理案例有長沙黃花機場智慧能源管理平臺項目。該項目基于多能源綜合調度與優化、負荷預測以及智能配電管理，可對機場整體進行能源信息收集、能源設施管理，提供高效、可靠以及穩定的能源服務，節能效率達到33%，每年節省折標煤1 527 t，減少二氧化碳排放達3 807 t[2]。瓊海市博鰲樂城智能電網與低碳智慧能源綜合示范區項目，可實現園區內水、電、氣等多方位的能源規劃使用，同時統籌優化電力系統運行，每年可減少用電量8×107kW·h，減少用水量6.3×106t[3]。要實現巴黎協定中，到2030年國內單位生產總值二氧化碳排放下降60%的目標，切實推動電力“十三五”規劃，除了系統軟、硬件設施的升級外，培養用戶良好的用電習慣、統籌優化系統運行，將是泛在電力物聯網建設的重要目標。

根據已有的新型電網建設與用戶用電發展情況，按照國網的指示與實際各層次結構的功能，泛在電力物聯網的結構物理上如圖1所示。其中，感知層是打造泛在電力物聯網的關鍵結構之一，主要由各類數據獲取設備與物體識別手段構成。例如，傳感器、智能電表等獲取各生產、生活活動環節中輸出的各類數據信息，如各結點實時電氣量、新能源發電情況等，以實現網絡層對數據的整理、分類以及分析功能。網絡層是泛在電力物聯網連接數據與指令的紐帶，通過云端與就近計算機處理手段，采用統一的數據格式整理數據，并基于數據使用智能算法開展監測、預測等，統籌調整所服務的局部范圍，同時將數據信息與分析結果打包上傳至次級中心節點。節點中心主要起到統一管理相應區域的作用，基于網絡層上傳的數據與指令信息，完成數據歸類與存儲工作，以及確定下達部分指令給網絡層，達到一定程度的物體智能化效果。調度層主要是對一定范圍內的所有結構進行統一管理與規劃的中心，與覆蓋區域內的所有中心節點連接，統一存儲各類狀態信息，并下達統籌命令，實現區域的高效運轉。

圖1 泛在電力物聯網結構圖

本文將從上述4個構成泛在電力物聯網的主要結構入手，對相互聯接的4個層次所承擔的功能進行說明與分析，并通過相關實際案例說明各層次與泛在電力物聯網以及社會、城市的建設和管理的結構與實施方法。

1 泛在電力物聯網的架構與功能

構成泛在電力物聯網的感知層和節點中心可以高效、實時、精確地達到“物物互聯”“人物互聯”的效果，而網絡層則通過邊緣智能算法與技術有效實現基于數據的監測與預測，做到提前預防、避免故障、提高效率。調度層則通過大量的實際應用實現對各型設備、不同行為的遠程操控。圖1表明，該系統具備較強的模塊化與系統集成潛力，實施范圍可以小至單個變電站、工廠或是居民小區，大至片區、城區等各級用電區域。無論是數據集成、系統推廣還是從智能互聯、便民管理等，它都有極強的社會、城市建設意義。

1.1 感知層組成

感知層是支撐泛在電力物聯網的底層結構，連接到包括電力設備、家庭電器等物體，通過射頻識別、傳感器以及一/二維碼等手段達到物物互通、人物互聯的效果。這一結構主要承擔泛在電力物聯網的數據獲取及上傳至網絡層的功能，通過實時數據與信息上傳實現任意物體可隨時隨地進行數據傳輸，從而保證上級網絡可以準確得到有效且及時的數據信息，使得網絡層得以隨時更新系統狀態，通過內置算法等實時監測、預測，保證上傳下達的命令有的放矢，切實提高網絡運行效率。

為保證泛在電力物聯網可以高效承擔所覆蓋區域的數據采集工作，并為上級網絡提供盡可能全面的數據內容，為社會生產、居民生活以及電網運行提供智能化和便捷化的管理，數據獲取覆蓋范圍應涵蓋產業生產數據、居民生活信息、新能源微網運行狀態、公共設施工作狀況、充電樁動態情況以及包括局部微氣象變化、實時交通變化等多維度、全方面的信息。本文設想的完整的感知層網絡結構如圖2所示。

圖2 數據產生來源與數據獲取方式

目前，各類感知層設備的傳感手段、監測方式不斷進步，已經取得了一定的實際應用。對泛在電力物聯網而言，目前電網在用戶側多數使用單向電表，且只能測量有功功率與無功功率的相關信息，即僅能將用戶側用電情況數據上傳至電網，無法實現用戶自主監測和自主調整。Rosario Morello等為提高對電能質量的監測能力，開發出一種可以遠程編程與控制的智能電表。除具備功率計量的功能外，它還可以進行電能質量分析、電表間信息溝通以及基于用戶要求對電能進行管理[4]等，兼顧對多種物理量的測量，實現多表合一。通過一套設備或系統可以對用戶與運行人員感興趣的多種物理量開展分析，是簡化感知層結構、提高電表工作效率的重要方式，也是設備發展的趨勢之一。

對泛在電力物聯網而言，目前電力公司建設的感知層在工作能力與覆蓋范圍上還具有極大的提升空間。如何保證不同數據獲取設備安全、穩定地運行在合理的工作區間，以保證感知層設備所傳遞信息的可靠性，是感知層面臨的核心問題之一。同時，由于所覆蓋設備眾多，實時獲得的數據量龐大，確保數據傳輸網絡中數據流動的穩定與及時性，對通信網絡提出了極高要求。由于感知層設備不斷更新，對當前部署的感知層結構合理規劃，為尚未接入的設備預留端口，對感知層的設計提出了較高要求。

1.2 網絡層功能

網絡層的任務主要在于對源于感知層的數據進行收集與整理，并使用數據開展智能分析，評估被監測物體的運行情況，對t+1至t+n時刻的狀態進行預測。網絡層主要由大量分布在云端與工作范圍內的計算機構成，通過智能算法起到智能評估與預測的作用，保證設備運行工況的實時監督，并做到防范于未然，提前感知，在故障發生前進行處理。該結構還需要肩負起生成基本指令以供上級結構進行判斷與篩選的任務。

云技術屬于典型的實際網絡層結構。用戶將數據上傳且可以直接存儲在云服務器內，直接調用云處理器基于數據開展數據分析，用于指導企業的日常運作與生產。這一模式主要由企業與供應鏈連接的企業聯盟使用，跨行業的綜合分析案例尚未出現。目前，IBM與亞馬遜等智能方案供應商的云計算技術相對成熟，其與汽車行業合作的實際項目對建設泛在電力物聯網有一定的指導意義。孤島運行的智能微電網則屬于網絡層與調度中心結合的案例。以丹麥博恩霍爾姆海島的歐盟環保電網為例，這一孤島電網采用新能源與化石燃料的能源組合進行發電，同時使用智能電網控制器基于北歐電力市場的電價調控家用電器。同時，數據與當地公用事業公司相連，用戶可以自主設置家電的使用方式，極大地便利了用戶生活與電力分配工作[5]。這一結構通常是按片區開展工作，即獨立服務于直接聯系的上級節點和所覆蓋范圍內的物體與人員，就近提供智能分析與指導意見。

該結構承擔了所連接的所有感知層數據的接收與上傳功能。要保障這一功能的穩定實現，對數據通道提出了極大挑戰。不同數據源提供的數據內容與傳達的信息各有差異，使用一個規范的標準對數據進行整理與儲存，對網絡層的模塊化與可推廣能力極其重要。算法是該層功能實現的另一關鍵因素。如何有效提高算法能力并保證算法對所處理問題的實用性，實現結合不同類別的數據開展狀態實時監測以及預測，做到將智能賦予物體，是構建高效網絡層的重要任務之一。

1.3 節點中心作用

節點中心是連接、管理一定區域內所有網絡層的結構，主要設備包括運算能力較強的工作站或服務器等、大規模物理存儲設備以及通信能力較強的通信線如光纖等。該結構主要起到了存儲經網絡層整理后上傳的各種數據，同時需要下達部分設備運行指令，包括不影響區域整體供電的設備投/切操作、孤島電源的運行狀態調控等，主要起到智能化統籌運行、方便服務區居民生活的作用。

實際運行的系統中，這一結構與Internet網狀結構的網絡核心層所起到的功能較為相似。國內Internet核心層由包括北京、上海等8個城市的核心節點構成，起到與國際Internet互聯以及為不同區域的信息交換提供通路。相比于常規Internet互聯網，泛在電力物聯網因不僅存在數據流通，需要各層網絡具備自主意識與智能能力，承擔的任務較重，對計算能力要求較高，而且隨著數據種類與數據量的增加，計算成本急劇提高。因此，節點中心的覆蓋范圍能包括區、鎮即可，通過減小覆蓋區域保證高效發揮其功效，同時能為相關行政區域政府開展社會管理提供便利。

數據流通的穩定性與對存儲數據的安全維護，是節點中心面臨的最大挑戰。由于各節點中心所連接的網絡層較多，且各網絡層的數據并非完全一致，所以保證數據傳輸通道的穩定可靠、對數據的安全維護是技術上仍需進一步提高的方面。同時，每天的生活、生產產出的大量數據對存儲設備也提出了較高要求，云空間與物理存儲手段的革新將降低節點中心的壓力，而高效的數據壓縮手段也是解決方案之一。

1.4 調度中心責任

在泛在電力物聯網中，感知層和網絡層主要負責數據的收集與基本處理，節點中心負責相應區域的基本指令判斷與下達，均不會承擔全局級別的判斷、決策和指揮等任務。存在全局影響的指令與動作需要由更高一級的結構即調度中心來完成。調度中心主要需要對整個負責范圍的包括電網運行潮流、關鍵能量交互以及全網運行情況等做到無所不知、無所不管、及時調控，由現場工作人員與在線調度計算機、管理計算機合作，完成對全系統的分析、計算、監視和控制。

這一層次的功能與國家電網下屬國調中心以及網調中心所起作用類似，且可以根據所服務的范圍大小進行多級劃分，主要目的即實現分層控制，按所屬區域的電力運行的具體情況進行調整，實現區域間的彼此獨立，統一于上一級調度中心。以IBM在美國Dubuque市開展的水務智慧城市試點項目為例，由于服務范圍較小，調度中心與結點中心的任務統一由IBM智慧城市可持續發展模型與Dubuque市優化水處理中心承擔。它基于感知層的數據與網絡層的指令，依托IBM云計算監測居民用水、判斷是否存在管道破損等導致漏水的情況等，優化項目區內的水資源調度[6]。這一實例對建設泛在電力物聯網具有很好的指導作用，但由于項目覆蓋人數較少，對于如何構建大范圍、大規模的網絡系統，還需要進一步研究與調整。

數據流通是調度中心面臨的最大問題之一，而由于存在大量的數據與指令需要及時且準確地處理與下達，給調度中心的工作人員與計算機提出了較大挑戰。由于調度中心需要保證具備根據區域進行調整的特性，為新的結點中心接入預留端口，所以計算能力提供備用同樣是這一結構需要考慮的問題。

上述4層結構，即感知層、網絡層、節點中心以及調度層構成了整個泛在電力物聯網，通過根據任務性質與功能復雜程度進行工作分層，對低級指令可以就地下達、局部處理，大大緩解了節點中心與調度中心的工作壓力。由于各層次分別獨立統一于自己的上級結構，故局部故障不會影響其他部分。此外，通過預留接口以及各層次的模塊化，大大加強可擴展能力。

由于數據實時產生、實時傳輸，如何保證數據穩定、可靠地上傳下達是泛在電力物聯網建設與運行過程中亟待解決的難題。數據安全是該系統可以推廣所面臨的核心問題。生活、生產產生的數據事關國家安全與社會穩定，建立足夠堅強的防火墻是系統具備實用性面臨的問題之一。數據格式、無線通信的協議規范化與標準化，是整套系統可以具備推廣意義與可進一步升級的重要保障，同時對不同設備包括電力設備與家庭用電設備等在自動化協議的統一上提出了要求。充分保證各層結構的兼容性與可擴展能力以實現系統模塊化，是系統市場化需要著重考慮的情況。

2 結 論

從泛在電力物聯網的功能與目的出發，對網絡進行分解可以更有效地做到不同層次結構的功能統一，同一層次結構的功能獨立，既能加強網絡的可靠性與穩定性，也能提高工作效率。按照數據收集、數據分析、指令下達以及統籌全局工作的流程，泛在電力物聯網可以分為感知層、網絡層、節點中心與調度層4個部分。根據不同結構的主要承擔任務的不同，它的技術關鍵與突破口也各有側重。借鑒已有的物聯網與智慧電網建設情況，更好地打造泛在電力物聯網，對建設能源互聯生態圈、節能減排、便民生活以及優化社會生產均將產生巨大的社會效益。