泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景

陸新全 董海燕

【摘 ?要】隨著交直流輸電規(guī)模的迅速擴(kuò)大，分布式發(fā)電設(shè)備接入類型與數(shù)量快速增加，導(dǎo)致電網(wǎng)復(fù)雜程度不斷提升，對傳統(tǒng)電網(wǎng)形態(tài)提出了挑戰(zhàn)。另一方面人工智能技術(shù)的發(fā)展也對電網(wǎng)功能和運(yùn)行方式提出新的要求。因此，結(jié)合泛在物聯(lián)技術(shù)將現(xiàn)有電力系統(tǒng)建設(shè)成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是未來電力能源體系的發(fā)展趨勢，也是當(dāng)前階段國家電網(wǎng)最緊迫、最重要的任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】泛在電力物聯(lián)網(wǎng);關(guān)鍵技術(shù);應(yīng)用前景

1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)

1.1 信息感知全面、組網(wǎng)快速靈活

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器可以十分方便地根據(jù)電力行業(yè)的具體應(yīng)用需求部署在電力系統(tǒng)的各個(gè)角落或直接封裝于電力設(shè)備內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)無處不在的全面感知。隨著無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，無線傳感設(shè)備甚至無須架設(shè)固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施即可進(jìn)行靈活部署，并通過自組織協(xié)作的方式迅速建立通信連接、快速組網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)中各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)、部件及周圍環(huán)境狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)感知、采集和處理。這對于涉及范圍廣泛、結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜的電力系統(tǒng)來說尤為重要。例如： 將傳感器部署于處于惡劣環(huán)境、可進(jìn)入性差的海上風(fēng)電場中對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，可以大幅度降低風(fēng)電機(jī)組的故障率，提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 信息融合度高、通信方式靈活

電力系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度和運(yùn)行監(jiān)控要求信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速地傳遞，這需要通過有效的數(shù)據(jù)融合技術(shù)及靈活的通信方式才能實(shí)現(xiàn)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器在進(jìn)行信息傳遞之前，可以對采集到的信息進(jìn)行初步壓縮，以避免冗余數(shù)據(jù)傳遞帶來的信道擁塞和數(shù)據(jù)包丟失等問題，然后再將信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的匯聚中心（ 也可稱網(wǎng)關(guān)或基站） 進(jìn)行進(jìn)一步處理與融合，最后通過專用網(wǎng)絡(luò)等傳遞給用戶終端。同時(shí)，傳感與通信設(shè)備能夠以多跳的方式進(jìn)行無線通信，通信網(wǎng)絡(luò)中包含多條通信鏈路。多跳的方式縮短了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信距離，多條通信鏈路也增加了網(wǎng)絡(luò)通信的靈活性和容錯(cuò)性。

1.3 拓?fù)渥兓l繁、具有自愈能力

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁主要有 3 個(gè)方面的原因： 一是為了滿足實(shí)際需要，追加部署新的傳感設(shè)備或調(diào)整傳感器的位置; 二是為了節(jié)約傳感設(shè)備的能量，各個(gè)傳感設(shè)備在工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)之間切換; 三是有些傳感設(shè)備因環(huán)境影響或硬件損壞等原因失效而退出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化要求所部署的傳感設(shè)備具有較強(qiáng)的自愈能力，即能夠?qū)崟r(shí)獲得周圍傳感設(shè)備狀態(tài)變化的信息（ 如新的傳感設(shè)備加入、轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)或失效等信息） ，以便及時(shí)調(diào)整自身的信息感知范圍消除覆蓋盲區(qū)或調(diào)整通信距離重新建立通信鏈路。電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有些應(yīng)用環(huán)境甚至十分惡劣，因此必須考慮增強(qiáng)傳感設(shè)備的自組織能力，以減少失效傳感設(shè)備的修復(fù)或更換對電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控帶來的不利影響。有些情況下還需要通過部署冗余傳感設(shè)備來提高調(diào)度監(jiān)控的可靠性。

2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

2. 1 新型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)

實(shí)現(xiàn)信息感知是構(gòu)建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的首要任務(wù)，這需要將各種傳感設(shè)備部署于各個(gè)目標(biāo)區(qū)域以對不同的人或物進(jìn)行實(shí)時(shí)感知。由于電力系統(tǒng)的規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需要部署成千上萬個(gè)傳感設(shè)備。這就要求進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備的簡單化、低成本、低功耗和高度集成化，同時(shí)應(yīng)當(dāng)封裝無線通信功能以減少布線等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的部署，以大幅度降低電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的成本和難度，便于實(shí)現(xiàn)眾多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與電力系統(tǒng)的無縫集成。由于有些傳感器甚至直接置于電力設(shè)備內(nèi)部，因此還需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備的小型化、微型化，以及需要考慮電磁兼容技術(shù)等。目前，一些新型傳感器的設(shè)計(jì)和研發(fā)可為電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供很多有益的參考，如： 仿生學(xué)傳感器、納米材料傳感器、生物芯片等。同時(shí)，通常情況下物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是以具體事件、任務(wù)和目標(biāo)為驅(qū)動(dòng)的，即傳感設(shè)備根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行信息的感知和獲取。因此，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，也必然要針對特定的應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)具有特定功能的新型傳感設(shè)備。由于數(shù)量多、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，傳感器設(shè)備的電池不便頻繁更換，因此高效的電源管理技術(shù)也必須納入到未來的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)和研發(fā)中來。為了有效地管理電源，目前已經(jīng)提出了一些解決方案，例如使用低精度傳感器模塊陣列和后續(xù)的數(shù)據(jù)融合來生成高精度信息，使用數(shù)字電路來設(shè)計(jì)低功率傳感器節(jié)點(diǎn)等。值得特別關(guān)注的是，考慮通過在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中集成能量收集系統(tǒng)，對周圍的光、熱、射頻、振動(dòng)甚至是人體的運(yùn)動(dòng)等環(huán)境能源進(jìn)行合理利用，來延長物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的壽命以減少其對電網(wǎng)或電池的依賴性，被視為是一種很有應(yīng)用前景的替代方案。這樣做可以使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)便攜式和自我維持，進(jìn)一步為實(shí)現(xiàn)無處不在的感知、通信和服務(wù)提供條件。

2.2物聯(lián)網(wǎng)平臺

隨著電力系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)接入一體化數(shù)據(jù)平臺，通過對大量數(shù)據(jù)的合理分析、深層挖掘，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電力信息的有效利用。一體化數(shù)據(jù)平臺應(yīng)當(dāng)具備大數(shù)據(jù)處理和云端計(jì)算，以及實(shí)現(xiàn)風(fēng)光預(yù)測、電力系統(tǒng)故障診斷等的人工智能能力。目前百度的“天工”智能物聯(lián)網(wǎng)平臺，移動(dòng) OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺，阿里 link 物聯(lián)網(wǎng)平臺等一體化數(shù)據(jù)平臺相繼在生產(chǎn)實(shí)踐中展開應(yīng)用。移動(dòng) OneNET與“Hi”電展開合作，協(xié)助其解決“設(shè)備狀態(tài)檢測”、“設(shè)備位置監(jiān)管”、“設(shè)備信息管理”、“反向控制設(shè)備”等問題;阿里云于無錫鴻山打造首個(gè)物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)，實(shí)現(xiàn)小鎮(zhèn)交通、環(huán)境、水務(wù)、能源等多個(gè)城市管理項(xiàng)目的在線運(yùn)營。對于實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)一體化平臺的搭建，必須結(jié)合“大數(shù)據(jù) 云計(jì)算 人工智能”的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.3 5G 與 LPWA

海量電力數(shù)據(jù)的傳遞需要一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。電力系統(tǒng)地域分布廣泛，往往涉及高山、森林、冰原等復(fù)雜環(huán)境，致使通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋全部，現(xiàn)場數(shù)據(jù)難以傳輸。現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)有 2 類主流技術(shù)：一類是工業(yè)以太網(wǎng)和電力載波為主的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另一類是以 5G 和低功耗廣域網(wǎng)（LPMA）為主的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)分布廣，分散性強(qiáng)，部分不易供電，連接難，采集頻次低，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)難以適用，因此以無線網(wǎng)絡(luò)為主的現(xiàn)代通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的主要手段。

3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景

3.1提高電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平

目前我國電網(wǎng)存在能源分布不均，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力不足等問題。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效解決這些問題，促進(jìn)電力系統(tǒng)“發(fā)–輸–變–配”各個(gè)環(huán)節(jié)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)風(fēng)能、太陽能、負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)測和功率預(yù)測系統(tǒng)，建立以火電機(jī)組為底層支撐的能源統(tǒng)一調(diào)控系統(tǒng)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高輸電環(huán)節(jié)可靠性、設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)診斷技術(shù)，利用智能傳感及智能終端提升保護(hù)、通信等二次設(shè)備的感知能力和終端智能，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合處理、數(shù)據(jù)傳輸、綜合判斷等功能，提高電網(wǎng)的智能化水平和可靠性程度。結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立智能配電管理系統(tǒng)（IDMS），實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、智能巡檢、快速故障診斷恢復(fù)、優(yōu)化運(yùn)行控制與管理全部在線;對于難以線上工作的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)節(jié)，通過電子身份認(rèn)證、電子工作票，在線監(jiān)督，可以降低人員冗余，提高工作效率。

3.2促進(jìn)清潔能源消納

目前我國電網(wǎng)中風(fēng)電、光伏等清潔能源占比低，且三北地區(qū)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將極大促進(jìn)清潔能源消納。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的全息感知，可以實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲的靈活互動(dòng);利用人工智能等技術(shù)，對風(fēng)電、光伏進(jìn)行超短期發(fā)電預(yù)測，結(jié)合負(fù)荷情況，通過市場激勵(lì)用戶主動(dòng)參與清潔能源消納;將分布式新能源聚合成實(shí)體，形成虛擬電廠，以多能互補(bǔ)的形式提高分布式新能源的友好并網(wǎng)水平和電網(wǎng)可調(diào)控容量占比，并且優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域協(xié)調(diào)控制，促進(jìn)集中式新能源省間交易和分布式新能源省內(nèi)交易。

結(jié)束語

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，結(jié)合智能終端傳感器、通信網(wǎng)、人工智能、云平臺技術(shù)，構(gòu)成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過電力系統(tǒng)設(shè)備信息交互、人物信息交互，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消耗的實(shí)時(shí)平衡，保障電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行;另一方面也可以促進(jìn)電力市場的開放，實(shí)現(xiàn)供需交易的快速響應(yīng)，以及清晰明了的電網(wǎng)資產(chǎn)評估。泛在物聯(lián)技術(shù)與電力系統(tǒng)的結(jié)合，最終將會(huì)構(gòu)建多方參與的能源生態(tài)體系。作為第三次能源革命的核心技術(shù)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 汪洋，蘇斌，趙宏波. 電力物聯(lián)網(wǎng)的理念和發(fā)展趨勢[J]. 電信科學(xué)，2010（ S3） ： 9-14.

（作者單位：國網(wǎng)山西省電力公司陽泉供電公司）