物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電臺(tái)區(qū)中的研究與應(yīng)用

周淦林

摘 要：在以“再電氣化”為路徑的新一輪能源革命浪潮中，傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)自動(dòng)化技術(shù)不成熟，相應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備不完善，各個(gè)信息化系統(tǒng)之間無法進(jìn)行信息共享等缺陷越來越突出。本文借助物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)與理念，提出一種新型配電臺(tái)區(qū)應(yīng)用實(shí)踐方式，以適應(yīng)日益精細(xì)化的管理要求，滿足能源轉(zhuǎn)型的需求。首先，本文介紹了配電物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和架構(gòu)體系，接著分析了配電物聯(lián)網(wǎng)所應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)，闡述了配電物聯(lián)網(wǎng)在電動(dòng)汽車有序充電樁的管理和新能源的靈活消納方面的實(shí)際應(yīng)用，最后本文對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電臺(tái)區(qū)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：配電臺(tái)區(qū);物聯(lián)網(wǎng);配電物聯(lián)網(wǎng);再電氣化

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為信息科技領(lǐng)域的第三次革命，隨著5G、LoRa以及NB-IoT等信息通信技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，已然進(jìn)入了人與人、人與物、物與物的深化大連接階段。配電物聯(lián)網(wǎng)即是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到電力行業(yè)產(chǎn)生的新事物，配電物聯(lián)網(wǎng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以收集參與電力生產(chǎn)到電力消費(fèi)環(huán)節(jié)中的各類對(duì)象的信息，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交流共享，以此為基礎(chǔ)，人們便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)管控[1]。本文將在深入介紹配電物聯(lián)網(wǎng)的概念及架構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，分析傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)的不足之處，并針對(duì)配電物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，最后結(jié)合實(shí)例，探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電臺(tái)區(qū)中的實(shí)際應(yīng)用。

1配電物聯(lián)網(wǎng)的概念

近年來，隨著新能源的大規(guī)模開發(fā)利用，越來越多的小容量光伏、風(fēng)電需要接入電網(wǎng)，電動(dòng)汽車也逐漸進(jìn)入城市生活，作為能源革命中心環(huán)節(jié)的電網(wǎng)正在向新一代的電力系統(tǒng)演化，能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為未來電網(wǎng)發(fā)展的新形態(tài)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)因電氣化水平較低，信息化系統(tǒng)之間無法進(jìn)行信息共享等缺陷已越來越難以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的需求[2]。

配電物聯(lián)網(wǎng)是指物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于配電臺(tái)區(qū)，將信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)與配電系統(tǒng)相結(jié)合，以此提升配電網(wǎng)對(duì)臺(tái)區(qū)內(nèi)各項(xiàng)信息的感知能力，最終實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)管和控制。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，配電物聯(lián)網(wǎng)從本質(zhì)上提升了配電網(wǎng)的建設(shè)、運(yùn)維、管理水平，可以說是配電網(wǎng)發(fā)展、進(jìn)步的必然趨勢(shì)[3]。

在以“再電氣化”為路徑的新一輪能源革命中，配電物聯(lián)網(wǎng)不僅適應(yīng)能源管理長(zhǎng)遠(yuǎn)變革的技術(shù)需求，在配電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，打下以電網(wǎng)為核心的能源、工業(yè)互聯(lián)互通格局的基礎(chǔ)，也能滿足能源轉(zhuǎn)型“再電氣化”需求，其將成為未來產(chǎn)業(yè)布局的新思路、新模式、新焦點(diǎn)[4]。

2配電物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)包括三層架構(gòu)，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，而配電物聯(lián)網(wǎng)融合了邊緣計(jì)算的理念和技術(shù)，搭建了區(qū)別于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)，這四層架構(gòu)被命名為“云、管、邊、端”[5]。通過這四層架構(gòu)的建設(shè)，可以讓配電網(wǎng)在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)人、物之間的信息連接和交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

“云”是指云化的主站平臺(tái)，該主站平臺(tái)憑借容器技術(shù)、并行計(jì)算等技術(shù)，以軟件定義的方式實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)配。“云”層搭載了多種公共服務(wù)，如數(shù)據(jù)管理、告警服務(wù)、報(bào)表服務(wù)和日志服務(wù)等。此外，“云”層還可以細(xì)分為IaaS、PaaS和SaaS三部分，這三部分分別用以實(shí)現(xiàn)云端資源虛擬化，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用服務(wù)化。

“管”是指網(wǎng)絡(luò)管理，是連接“邊”與“云”、 “邊”與“端”、“端”與“云”之間信息溝通的橋梁。“管”層主要由遠(yuǎn)程和本地通信網(wǎng)兩部分組成。兩種通信網(wǎng)應(yīng)用的領(lǐng)域不盡相同，其中遠(yuǎn)程通信網(wǎng)屬于廣域通信網(wǎng)的范疇，多以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、中壓電力載波線、LTE電力無線專網(wǎng)或無線公網(wǎng)作為傳輸手段，具有可靠度高、低時(shí)延的特征，可以滿足配電物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與邊緣節(jié)點(diǎn)之間的差異化通信需求。而本地通信網(wǎng)多以低壓電力載波線、微功率無線傳輸或LoRa無線傳輸作為傳輸渠道，具有靈活、高效且低功耗的特征，主要應(yīng)用于海量感知節(jié)點(diǎn)與邊緣節(jié)點(diǎn)之間的就地通信需求。

“邊”是指邊緣計(jì)算設(shè)備即智能配變終端，部署在配變臺(tái)區(qū)配變變壓器之下，是整個(gè)配電臺(tái)區(qū)的入口，就地或就近提供智能決策與服務(wù)。“邊”所提供的決策與服務(wù)包括但不限于：負(fù)荷預(yù)測(cè)、故障研判、線損分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、無功補(bǔ)償?shù)鹊取！斑叀睂⒔K端側(cè)硬件資源與軟件平臺(tái)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，在不增加硬件配置成本的前提條件下，不僅可以滿足配電臺(tái)區(qū)日新月異，不斷增加的應(yīng)用需求，而且使得末端設(shè)備收集到的信息無需上傳即可本地處理，從本質(zhì)上提升了配電網(wǎng)的整體計(jì)算能力。邊緣計(jì)算設(shè)備同時(shí)也是“端”層的邊緣計(jì)算與“云”層的大數(shù)據(jù)應(yīng)用協(xié)同合作的基礎(chǔ)。

“端”即末端設(shè)備，是配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中數(shù)據(jù)收集和執(zhí)行控制的實(shí)施者。具體而言，“端”通過各類傳感器和相應(yīng)的計(jì)算、通訊單元，對(duì)配電臺(tái)區(qū)內(nèi)的設(shè)施設(shè)備溫濕度環(huán)境、當(dāng)下運(yùn)行狀態(tài)、電流、電壓信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集。區(qū)別于傳統(tǒng)的低壓配電網(wǎng)不可觀測(cè)的特征和中壓配電網(wǎng)測(cè)量范圍的局限性，“端”可以幫助配電物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)到配電設(shè)備方方面面的信息且擴(kuò)大了配電網(wǎng)所能觀測(cè)的范圍，可以說“端”提供了配電物聯(lián)網(wǎng)所需的方面面的信息，為配電物聯(lián)網(wǎng)提供了必要的硬件支持。“端”的主要功能可以分為三大類，第一類是環(huán)境感知，包括風(fēng)力檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和紅外探測(cè)等。第二類是電氣監(jiān)測(cè)，主要包括電流、電壓檢測(cè)和故障警示等。第三類是用能采集，采集對(duì)象包括智能電表、分布式電源、智能充電樁和智慧路燈等。

3配電物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)的不足

傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)往往存在以下缺陷：

（1）配電線路運(yùn)行方式不夠靈活，應(yīng)對(duì)緊急情況的能力不足，從而用電側(cè)的電能可靠性不能得到保障。該缺陷源于配電網(wǎng)架過于薄弱，部分線路負(fù)荷過重且備用容量無法滿足突發(fā)情況下的用電需求，這導(dǎo)致配電線路在發(fā)生故障時(shí)有可能出現(xiàn)難以實(shí)現(xiàn)符合轉(zhuǎn)供的情形。

（2）傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)的自動(dòng)化技術(shù)不成熟，相應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備不完善。該缺陷主要體現(xiàn)在配電終端設(shè)備不能保持穩(wěn)定運(yùn)行，在線率不穩(wěn)定，這使得配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用性大大降低。此外，配電室的運(yùn)行環(huán)境及主要設(shè)備溫度、低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、動(dòng)作信息，各低壓出線負(fù)荷情況等相應(yīng)設(shè)備設(shè)施的信息數(shù)據(jù)無法得到實(shí)施監(jiān)控。

（3）傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)的各個(gè)信息化系統(tǒng)之間無法進(jìn)行信息共享。配電網(wǎng)包含的工程生產(chǎn)管理系統(tǒng)、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)和GIS系統(tǒng)等分別承擔(dān)不同業(yè)務(wù)，且各系統(tǒng)之間無法實(shí)現(xiàn)信息共享數(shù)，導(dǎo)致日常運(yùn)行中有大量工作被重復(fù)進(jìn)行。

（4）傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)缺乏合理的交互機(jī)制，這帶來的問題是：管理人員無法對(duì)配電臺(tái)區(qū)內(nèi)的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行有效管理。除此之外，供電側(cè)的供電信息無法及時(shí)提供給用電單位，這導(dǎo)致用戶不能合理安排生產(chǎn)運(yùn)作。用電單位也無法將實(shí)際的企業(yè)的供電需求告知供電單位，這導(dǎo)致供電單位不能根據(jù)用戶需求進(jìn)行靈活調(diào)整。

（5）隨著小容量分布式光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和推廣，傳統(tǒng)配電臺(tái)區(qū)缺乏分布式電源接入技術(shù)的缺陷也逐漸顯現(xiàn)出來，這顯然令傳統(tǒng)的配電臺(tái)區(qū)無法滿足當(dāng)下及未來的能源發(fā)展趨勢(shì)和要求。

3.2末端設(shè)備感知技術(shù)

配電物聯(lián)網(wǎng)通常在以智能配變終端（intelligent distribution terminal，IDT）為核心，結(jié)合末端設(shè)備完成配網(wǎng)的運(yùn)行信息、設(shè)施設(shè)備信息、溫濕度信息以及其他輔助信息等基礎(chǔ)信息的收集。常見的末端設(shè)備包括智能一次設(shè)備、二次設(shè)備、智能傳感及視頻監(jiān)控設(shè)備等，這些末端設(shè)備通常部署在在臺(tái)變側(cè)、線路側(cè)和用戶側(cè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)多面廣，感知技術(shù)可以在設(shè)備安裝之后自動(dòng)上線或只需通過很少的配置即可進(jìn)行遠(yuǎn)程集中批量完成設(shè)備識(shí)別或單點(diǎn)完成該設(shè)備識(shí)別并進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信，減少運(yùn)維人員的調(diào)試工作，提高效率。

3.3配電臺(tái)區(qū)通訊技術(shù)

通信系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，建立高效、可靠的通信渠道是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的物理基礎(chǔ)。配電物聯(lián)網(wǎng)的通信系統(tǒng)通常采用的通信方式有很多種，包括有：RF mesh、PLC、電話線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）、光纖通信和無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)等。

3.4邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算是配電物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)中的核心環(huán)節(jié)，同時(shí)具備采集、通信、計(jì)算和分析、控制的功能，它是采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺(tái)。我們通過在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署微服務(wù)，來提升配電服務(wù)的靈活性，擴(kuò)展配電服務(wù)的業(yè)務(wù)功能，開發(fā)出貼合實(shí)際的APP，并以此體現(xiàn)配電物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用價(jià)值。

3.5容器引擎技術(shù)

上文我們提到，配電物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)層之一，“云”層還可以細(xì)分為IaaS、PaaS和SaaS三部分，而容器引擎（Docker）技術(shù)正是針對(duì)PaaS層提出的關(guān)鍵技術(shù)。Docker技術(shù)將傳統(tǒng)基于虛擬機(jī)形式的調(diào)控PaaS云平臺(tái)容器化，不僅增加了PaaS平臺(tái)的自由度，使其具有更強(qiáng)大的兼容性和靈活性。更使得云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源的實(shí)時(shí)監(jiān)視、高效分配、節(jié)點(diǎn)管理和API控制，此外，PaaS平臺(tái)還可以對(duì)容器進(jìn)行編排部署和自動(dòng)化發(fā)布。

4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電臺(tái)區(qū)中的實(shí)際應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與配電臺(tái)區(qū)相配合可以在多個(gè)領(lǐng)域中起到相當(dāng)?shù)膶?shí)際作用，本文以電動(dòng)汽車行業(yè)和新能源領(lǐng)域?yàn)槔M(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

針對(duì)當(dāng)下越來越多的電動(dòng)汽車進(jìn)入城市生活，充電樁管理無序的情況，我們可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車的充電進(jìn)行有效管理。具體思路上，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)的負(fù)荷數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，包括電流和電壓，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，由云平臺(tái)進(jìn)行充電樁負(fù)荷預(yù)測(cè)，再根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)出調(diào)節(jié)命令給邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)發(fā)出調(diào)控指令，充電樁設(shè)備根據(jù)調(diào)控指令進(jìn)行負(fù)荷調(diào)控，優(yōu)化充電策略，引導(dǎo)用戶選擇適當(dāng)充電方式。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于配電臺(tái)區(qū)可以對(duì)新能源進(jìn)行靈活消納，滿足用戶在中、低壓配網(wǎng)中大量、快速、安全接入光伏、風(fēng)電等新能源的需求，并可以協(xié)助用戶優(yōu)化設(shè)備性能以產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益，分析用戶的用能方式、調(diào)整新能源工作策略使之與用戶的用電習(xí)慣相適應(yīng)。同時(shí)依靠物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)完成對(duì)電源輸出功率的實(shí)時(shí)控制，并監(jiān)視、削減諧波影響。

5結(jié)語

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升配電臺(tái)區(qū)的電氣化水平是開展配電網(wǎng)能源管理長(zhǎng)遠(yuǎn)變革的基礎(chǔ)，將深刻轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的配電臺(tái)區(qū)的研究視角和應(yīng)用格局。在當(dāng)前“再電氣化”的潮流推動(dòng)下，配電物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用不僅可以在配電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，更將有利于形成以電網(wǎng)為核心的能源、工業(yè)互聯(lián)互通格局，也能滿足能源轉(zhuǎn)型“再電氣化”需求。

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