基于LPWAN的泛在電力物聯網探析

侯林海

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

未來電網朝著物理、信息、商業互聯的趨勢發展，需要在已有電網的基礎上加強對各種能源的綜合利用，并依靠更先進的通信技術實現電力系統內部的順暢通信，最終有效推動電力市場化改革的進行，建立一種更高水平的共享經濟發展模式。

1 LPWAN概述

LPWAN指的是低功耗廣域網絡，是一種能夠以低比特率進行長距離通信的無線網絡，主要應用于物聯網領域。低功耗廣域網絡和無線廣域網絡相比，在比特率、電量需求和使用時機等方面有著明顯不同。無線廣域網絡通常用來連接企業或者用戶，雖然能夠傳輸大量的數據信息，但能耗消耗十分巨大。和無線廣域網絡相比，低功耗廣域網絡的能耗消耗非常少。在典型的物聯網場景下，兩節AA電池的電量可以供低功耗廣域網絡使用10年。此外，低功耗廣域網絡的數據信息傳輸距離往往較遠，一般傳輸距離都會超過5 km[1]。低功耗廣域網絡內部的網絡結構十分簡單，不必耗費大量的資金用于低功耗廣域網絡的運行和維護。低功耗廣域網絡這種物聯網網絡層技術的出現，極大地推動了現有通信技術的發展，填補了通信技術在低功耗、長距離通信方面的空白，給物聯網領域帶來了更加廣闊的發展空間，極大地推動了未來物聯網領域的發展。

雖然我國電網關鍵節點已經通過有線、光纖等方式進行了通信鏈接，但是在當前的“互聯網+”智慧能源背景下，這種關鍵節點的通信鏈接無法有效滿足小數據的鏈接需求。在這種情況下，電網迫切需要運用網絡技術滿足測量點多、分散的小數據的鏈接需求。目前，我國主流的無線通信技術有無線蜂窩技術和以WiFi、Zigbee為主的無線通信。這兩種無線通信技術的工作距離相對較短，覆蓋范圍較小，不能很好地滿足高度分散的小數據需要。因此，低功耗廣域網絡（LPWAN）成為物聯網技術中的一個發展熱點，成為電網行業鏈接小數據迫切需要的技術。低功耗廣域網絡技術覆蓋范圍大，傳輸能耗小，能夠將大量分散的小數據進行有效鏈接，因此在當前的“互聯網+”智慧能源背景下必將發揮巨大作用，推動“互聯網+”智慧能源的變革，并與無線網絡、電力專網相互配合，共同促進泛在電力物聯網的發展。圖1為“互聯網 +”指揮能源框架圖。

圖1 “互聯網 +”指揮能源框架圖

2 泛在電力物聯網概述

泛在電力物聯網是利用人工智能、移動互聯等先進的通信技術、網絡技術，結合電力系統運行的各個環節特點構建的智慧服務系統。泛在電力物聯網能夠有效將電力系統的各個環節鏈接起來，實現數據的有效交互，能夠高效處理數據信息，應用十分方便、靈活。在當今“互聯網+”智慧能源背景下，必須大力推動泛在電力物聯網的建設，將泛在電力物聯網作為“互聯網+”智慧能源的重要部分。

“互聯網+”智慧能源具體指的是依靠信息化技術、云計算、物聯網來構建能源的智能化開發、利用系統，對于電力行業來說具有極為重要的意義，能夠極大推動電力行業的環保和可持續發展。在這一背景下電力行業構建的泛在電力物聯網，“泛在”指的是電力物聯網無處不在。對于電力行業來說，電網本身就是一個泛在網，覆蓋著廣大區域，為大量的用戶提供電力。雖然電力行業中的電網能夠體現出無處不在的特點，但是這一特點在數據信息方面完全體現，因此需要構建泛在電力物聯網，賦予電力行業數據信息“泛在”的特點。

通過構建泛在電力物聯網，大量分布廣泛的小數據能夠實現智能鏈接和泛在感知，將各種數據信息有效聯系起來，最終構建出一種鏈接企業運營、電網運行、電力輸送以及客戶服務等多環節的綜合網絡。泛在電力物聯網是以傳統的物聯網為基礎建設的，在當今的電力市場環境以及“互聯網+”智慧能源背景下有著極高的應用價值。通過建立泛在電力物聯網能夠實現海量小數據的有效鏈接，雖然單個小數據價值低，但是鏈接后會形成海量數據，價值將得到極大提升。這些小數據具體包括用戶側用電的數據和發電、輸電、配電各個環節的數據。其中：用戶側用電數據包括各行業、各建筑、各基礎設施的能源消耗情況；發電、輸電、配電環節的數據包括設備狀態數據、環境數據等。圖2為泛在網示意圖。

圖2 泛在網示意圖

具體來說，泛在電力物聯網可以分為感知層、網絡層、平臺層以及應用層4層（如圖3所示）。感知層是泛在電力物聯網的基礎層。在感知層，泛在電力物聯網主要依靠各種設備對電網的設備、設施、周邊環境進行泛在感知。網絡層包括電力專網、無線網等網絡，主要通過這些網絡將在感知層收集的信息傳輸到平臺層。平臺層整理傳輸來的信息，是一個公共的基礎平臺，能夠通過對數據進行加密，實現數據的安全傳輸，并且能夠深層次挖掘海量數據的價值。應用層是電力物聯網最頂層的結構，能夠依靠云計算等技術處理收集到的數據，有效推動泛在電力物聯網的智能應用，如依靠泛在電力物聯網監控環境、管理電力系統的資產等。對于我國的電力行業來說，泛在電力物聯網仍然處在初步發展階段，需要重點對感知層和網絡層這兩個基礎結構進行建設，確保能夠對數據進行有效的收集和傳輸。在完成感知層和網絡層建設后，才可以進行后續的平臺層和應用層建設，最終建成完全的泛在電力物聯網系統。

圖3 泛在電力物聯網網絡構架

3 基于LPWAN的泛在電力物聯網分析

基于低功耗廣域網絡構建的泛在電力物聯網，能夠真正靈活、快速地進行泛在電力物聯網部署，實現泛在電力物聯網的低功耗和廣泛覆蓋。對于泛在電力物聯網來說，核心工作是實現物聯網終端與應用數據的可靠分發，確保數據在傳輸過程中不出現丟失、損壞情況，實現數據的低成本運輸。泛在電力物聯網的應用端、終端需要在物聯網中心建立關聯，最終在物聯網中心構建出統一的、多業務的物聯網，并大大降低物聯網的運行成本。要想真正建成基于LPWAN的泛在電力物聯網，必須確保擁有齊全的網元，通過不同的網元分別實現不同的功能，如構建物聯網基站、認證中心以及業務運營系統等。基于LPWAN的泛在電力物聯網需要利用終端節點收集數據信息，并及時將收集的數據信息傳送到基站，包括電力直流量、狀態量以及控制量等。通過收集這些信息并進行分析，最終能夠得到整個系統的最佳控制方法，實現對系統的最優控制。圖4為泛在網、物聯網和傳感網的關系圖。

基于LPWAN的泛在電力物聯網本質上是對下沉的基礎數據進行鏈接。這些不同環節的下沉基礎數據種類多，包括電器、電表、充電樁數據、漏電監測、智能消防等，還包括對電氣設備狀態檢測的數據、環境檢測的數據等[2]。通過采集、連接、分析這些數據可制定后續的服務，如根據用戶的電力需求數據來優化節能服務。基于LPWAN的泛在電力物聯網也可以看作是電力行業的一個基礎平臺，能夠推出一系列增值服務，如以區塊鏈為基礎的新型能源服務、光伏云網以及虛擬電廠等。可見，只要能夠統一接口，能夠讓管理軟件互相適應，就能夠實現多種業務、多種場景共用一個平臺。

圖4 泛在網、物聯網和傳感網的關系

4 結 論

電網要想實現泛在鏈接，必須構建基于LPWAN的泛在電力物聯網，將各種小數據有效鏈接，形成價值巨大的海量數據。對于“互聯網+”智慧能源來說，基于LPWAN的泛在電力物聯網是其發展的基礎。因此，電力行業必須意識到基于LPWAN的泛在電力物聯網的重要性，不斷推動泛在電力物聯網的建設。