泛在電力物聯網的關鍵技術與應用前景

王柯 吳濤濤 張二勇 吳濤 陳超峰 劉杰

摘要：泛在電力物聯網是以電力系統為核心，結合智能終端傳感器、通信網、人工智能和云平臺技術構成的復雜多網流系統，其具有全息感知、泛在連接、開放共享、融合創新的特點。

關鍵詞：泛在電力物聯網（UPIoT）;新能源消納;實物ID;5G切片;云平臺

引言

隨著交直流輸電規模的迅速擴大，分布式發電設備接入類型與數量快速增加，導致電網復雜程度不斷提升，對傳統電網形態提出了挑戰。另一方面人工智能技術的發展也對電網功能和運行方式提出新的要求。因此，結合泛在物聯技術將現有電力系統建設成泛在電力物聯網是未來電力能源體系的發展趨勢，也是當前階段國家電網最緊迫、最重要的任務。

1泛在電力物聯網的概念

1.1泛在電力物聯網的定義

泛在物聯是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息互聯和交互。而泛在電力物聯網是指電力用戶及其設備、電網企業及其設備、發電企業及其設備、供應商及其設備、以及人和物的信息互聯和交互。泛在電力物聯網是物聯網技術在電力系統中的應用，其本質是實現各種信息傳感設備與通信信息資源的共享，從而形成具有自我標識、感知和智能處理的物理實體。實體之間的協同和互動，使得有關物體相互感知和反饋控制，形成一個更加智能的電力生產、生活體系。

1.2泛在電力物聯網的基本特征

泛在電力物聯網立足現有電網實體與通信技術，將不同能源系統物理互聯、時空信息互聯、商業互聯相融合，具有全息感知、泛在連接、開放共享、融合創新的特征。全息感知是指通過RFID、傳感器等，動態獲取“發–輸–變–用”各個環節不同設備、不同用戶的狀態信息。泛在連接指通過電力專網或移動網絡將電力系統中所有設備、用戶的信息和數據全時空連接。開放共享指在統一平臺上利用智能技術對數據進行共享和管理，提高數據質量，挖掘有效信息，實現數據上下貫通，全方位實時交互。融合創新即通過不同設備、用戶，不同時空信息，對內實現全業務在線，電網安全穩定運行。對外建成智慧綜合能源服務平臺，開拓電力市場，促進電力改革。

1.3泛在電力物聯網的建設目標

發揮泛在物聯網大數據的優勢是其建設的主要目標。電力數據來源各異，包含控制、計量、監測等不同類型、不同時空尺度，實現海量數據統一分析及深度挖掘，是其首要建設目標。電力數據服務對象不同，打破數據壁壘，實現不同業務貫通是其第二階段建設目標。最終將電力數據應用于各行各業，推廣不同行業廣泛參與的商業模式是其最終建設目標。

2泛在電力物聯網的關鍵技術

2.1智能芯片

隨著電力系統的不斷發展，越來越多的計量、保護、變換、控制、監測、用電等設備接入電力系統，各種電力設備的運行產生了大量數據，目前多數現場數據采集設備仍然基于傳動的工業采集裝置，數據可靠性差，精度低，也使得終端設備的智能化程度低，而基于智能芯片的微型智能傳感及智能終端可以充分解決這一問題，其具備高精度、低功耗、微型化、智能計算的特點，一方面可以完成設備信息的采集、提取及傳遞;另一方面通過本地邊緣計算，實現終端智能化，完成本地自控，從而無需像傳統設備一樣只具備遙測搖信功能而不具備遙控功能。近年來，谷歌開發的EdgeTPU芯片、中科院開發的“寒武紀”芯片都具備海量數據處理與邊緣計算的能力，這些智能芯片的出現將快速促進終端的全息感知與智能化。

2.25G與LPWA

海量電力數據的傳遞需要一體化的通信網絡。電力系統地域分布廣泛，往往涉及高山、森林、冰原等復雜環境，致使通信網絡難以覆蓋全部，現場數據難以傳輸。現在物聯網有2類主流技術：一類是工業以太網和電力載波為主的有線網絡技術，另一類是以5G和低功耗廣域網（LPMA）為主的無線網絡技術。泛在電力物聯網中數據分布廣，分散性強，部分不易供電，連接難，采集頻次低，傳統的有線網絡通信技術難以適用，因此以無線網絡為主的現代通信技術是實現泛在電力物聯網網絡通信的主要手段。5G被視為物聯網發展的基礎。基于不同場景的5G切片網絡通信技術被認為是解決電力系統全息感知、泛在連接的關鍵所在。對于智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制等控制類業務，可以選擇具有超低時延的URLLC切片;對于海量用電信息采集、智能汽車充電站/樁、分布式電源接入等信息采集類業務可以選擇mMTC海量機器類通信接入切片;對于需要高清視頻回傳的輸變電線路狀態監控、無人機遠程巡檢、變電站機器人巡檢等現場業務，可以選擇eMBB增強移動帶寬切片;對于需要語音信息的調度電話、管理電話、應急通信等，可以選擇具有高安全、高可靠、高接通率和高清通話質量保障的為Voice語音切片。

2.3物聯網平臺

隨著電力系統海量數據接入一體化數據平臺，通過對大量數據的合理分析、深層挖掘，進而實現電力信息的有效利用。一體化數據平臺應當具備大數據處理和云端計算，以及實現風光預測、電力系統故障診斷等的人工智能能力。目前百度的“天工”智能物聯網平臺，移動OneNET物聯網平臺，阿里link物聯網平臺等一體化數據平臺相繼在生產實踐中展開應用。移動OneNET與“Hi”電展開合作，協助其解決“設備狀態檢測”、“設備位置監管”、“設備信息管理”、“反向控制設備”等問題;阿里云于無錫鴻山打造首個物聯網小鎮，實現小鎮交通、環境、水務、能源等多個城市管理項目的在線運營。

3泛在電力物聯網的應用前景

3.1提高電網安全經濟運行水平

目前我國電網存在能源分布不均，網架結構不合理，電網調節能力不足等問題。泛在電力物聯網通過物聯網技術，可以有效解決這些問題，促進電力系統“發–輸–變–配”各個環節的安全穩定運行。結合物聯網技術，研發風能、太陽能、負荷實時監測和功率預測系統，建立以火電機組為底層支撐的能源統一調控系統。結合物聯網技術提高輸電環節可靠性、設備狀態自動診斷技術，利用智能傳感及智能終端提升保護、通信等二次設備的感知能力和終端智能，實現聯合處理、數據傳輸、綜合判斷等功能，提高電網的智能化水平和可靠性程度。

3.2促進清潔能源消納

目前我國電網中風電、光伏等清潔能源占比低，且三北地區棄風、棄光現象嚴重，泛在電力物聯網的建設將極大促進清潔能源消納。結合物聯網的全息感知，可以實現源、網、荷、儲的靈活互動;利用人工智能等技術，對風電、光伏進行超短期發電預測，結合負荷情況，通過市場激勵用戶主動參與清潔能源消納;將分布式新能源聚合成實體，形成虛擬電廠，以多能互補的形式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，并且優化調度實現跨區域協調控制，促進集中式新能源省間交易和分布式新能源省內交易。

結語

泛在電力物聯網是以電力系統為核心，結合智能終端傳感器、通信網、人工智能、云平臺技術，構成的復雜多網流系統。泛在電力物聯網通過電力系統設備信息交互、人物信息交互，實現能源生產與消耗的實時平衡，保障電網的經濟安全運行;另一方面也可以促進電力市場的開放，實現供需交易的快速響應，以及清晰明了的電網資產評估。泛在物聯技術與電力系統的結合，最終將會構建多方參與的能源生態體系。作為第三次能源革命的核心技術，泛在電力物聯網是未來能源產業的發展方向。

參考文獻

[1]丁婧，王欣，鄭淑文，等.DG接入對微電網電流保護的影響[J].發電技術，2019，40（1）：22-27.