基于物聯(lián)網(wǎng)終端的負(fù)荷安全用電機(jī)制設(shè)計(jì)

張露露，祁 兵，湯 野

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分快速發(fā)展。其利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)、傳感技術(shù)以及智能技術(shù)將人與物、物與物及人與人連接起來(lái)，終端是物聯(lián)網(wǎng)中感知層和傳輸層之間的設(shè)備，具備數(shù)據(jù)采集、處理、加密及傳輸?shù)裙δ埽瑫r(shí)可以基于感知到的數(shù)據(jù)變化，提供優(yōu)化決策判斷[1,2]。

在電力系統(tǒng)中，家電技術(shù)的發(fā)展和整體生活水平的提升使得居民用戶(hù)的用電需求不斷上升，若負(fù)荷上升速度快于電力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施更新速度，則在用電高峰期容易超過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施容量上限，導(dǎo)致家庭局域用電故障，對(duì)電力用戶(hù)的正常用電造成影響[3]。居民安全用電問(wèn)題一直是用電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但是當(dāng)前家庭安全用電方面的研究離不開(kāi)負(fù)荷與用電管理系統(tǒng)良好的通信連接，負(fù)荷設(shè)備的多樣性對(duì)用電管理系統(tǒng)的兼容性提出了更高的要求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)得到統(tǒng)一并且被大規(guī)模推廣。

本文首先闡述了用戶(hù)側(cè)電力物聯(lián)網(wǎng)的模型及物聯(lián)網(wǎng)終端具體能力，基于物聯(lián)網(wǎng)終端能力提出了一種實(shí)現(xiàn)居民負(fù)荷群體安全用電的機(jī)制，可以有效降低設(shè)備群體隨機(jī)控制的總負(fù)荷。

1 物聯(lián)網(wǎng)終端能力分析

1.1 IEC物聯(lián)網(wǎng)模型

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)描述，電力物聯(lián)網(wǎng)可劃分為6個(gè)域，分別是用戶(hù)域、資源訪(fǎng)問(wèn)與交換域、運(yùn)營(yíng)與管理域、應(yīng)用與服務(wù)域、感知與控制域以及物理實(shí)體域，具體如圖1所示。

圖1 IEC物聯(lián)網(wǎng)的域劃分及通信網(wǎng)絡(luò)部署

物理實(shí)體是智能電網(wǎng)中可以被識(shí)別和觀察到的電力設(shè)備，包括發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)及電力用戶(hù)側(cè)的用于電能產(chǎn)生、輸送與使用的各種物理裝置和設(shè)備等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)終端能力

如圖2所示，物聯(lián)網(wǎng)終端的控制過(guò)程主要包括感知、分析、決策以及執(zhí)行4個(gè)步驟[4,5]。終端首先感知負(fù)荷設(shè)備的參數(shù)，將相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，根據(jù)分析結(jié)果，制定科學(xué)的決策策略，并控制執(zhí)行器作用于負(fù)荷設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)終端通過(guò)感知器和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)自身、負(fù)荷設(shè)備以及外界環(huán)境之間的互動(dòng)，感知器可感知多種物理參數(shù)，除了電壓、電流、功率等負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)外，還有溫度、語(yǔ)音、圖像以及天氣等環(huán)境參數(shù)。控制器是物聯(lián)網(wǎng)終端的核心模塊，具有數(shù)據(jù)處理、分析以及策略制定與執(zhí)行等能力，同時(shí)通過(guò)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、深度分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能技術(shù)，產(chǎn)生高級(jí)控制策略[6]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)終端的控制過(guò)程

物聯(lián)網(wǎng)終端通過(guò)自身的各種能力為物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)提供服務(wù)，使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具備了更加完備的功能。物聯(lián)網(wǎng)終端必須具備的能力包括以下4項(xiàng)。

一是感知能力，感知能力是終端能夠感知物理實(shí)體的變化，形成顯性數(shù)據(jù)的能力。二是執(zhí)行能力，執(zhí)行能力是終端通過(guò)執(zhí)行器將改變物理實(shí)體的狀態(tài)和參數(shù)的能力。三是運(yùn)算控制能力，運(yùn)算控制能力是終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，根據(jù)分析結(jié)果生成策略，并執(zhí)行策略的能力。四是智能分析能力，智能分析能力能夠最大限度地利用信息的價(jià)值，使終端具有自我思維，能夠更快地對(duì)周?chē)h(huán)境的變化產(chǎn)生應(yīng)對(duì)措施，適應(yīng)未來(lái)社會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的要求和期望。

除上述的功能外，IEC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)終端的其他能力，如環(huán)境敏感能力、自我描述能力、即插即用能力以及內(nèi)容感知能力等進(jìn)行了規(guī)定。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)終端的安全用電機(jī)制設(shè)計(jì)

在負(fù)荷集群中，當(dāng)負(fù)荷的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，不僅對(duì)集群總體的用電信息產(chǎn)生影響，而且由于電力線(xiàn)路阻抗的存在，也對(duì)集群中其他負(fù)荷的狀態(tài)產(chǎn)生影響。

基于上述分析，本文提出如下的安全用電機(jī)制，能夠使物聯(lián)網(wǎng)終端通過(guò)監(jiān)測(cè)電采暖負(fù)荷的用電信息變化判斷集群的狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)啟停時(shí)間，避免負(fù)荷過(guò)載。在準(zhǔn)備階段，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端從云端導(dǎo)入（或手工輸入）負(fù)荷集合I，并設(shè)置每個(gè)負(fù)荷的開(kāi)啟條件及退避時(shí)間參數(shù)t退避，設(shè)置集群功率閾值，步驟如下。

步驟一：終端監(jiān)測(cè)負(fù)荷的開(kāi)啟條件，如果開(kāi)啟條件滿(mǎn)足設(shè)置要求，負(fù)荷進(jìn)入待啟動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)步驟二。否則，終端監(jiān)測(cè)負(fù)荷開(kāi)啟條件返回步驟一。

步驟二：終端判斷當(dāng)前集群總功率，若當(dāng)前總功率低于功率閾值，則集群整體處于安全狀態(tài)，負(fù)荷允許開(kāi)啟，否則返回步驟一。

步驟三：終端計(jì)算順序啟動(dòng)所需要的退避時(shí)間t退避，然后延時(shí)t退避時(shí)間后再判斷集群的總功率，如不安全則返回步驟一，如安全則啟動(dòng)負(fù)荷。

步驟四：?jiǎn)?dòng)后終端計(jì)算本次負(fù)荷將持續(xù)工作的時(shí)間t工作。

步驟五：如連續(xù)工作時(shí)間大于t工作或室溫大于T高，則關(guān)閉負(fù)荷，返回步驟一，否則繼續(xù)步驟五。

為避免負(fù)荷的啟動(dòng)時(shí)間相同，退避時(shí)間必須滿(mǎn)足隨機(jī)性。本文應(yīng)用二進(jìn)制指數(shù)退避時(shí)間使負(fù)荷有序工作，當(dāng)終端發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)條件具備時(shí)并不立即啟動(dòng)，而是延遲退避時(shí)間后重新進(jìn)行條件判斷[7,8]。

3 算例分析

在以電采暖為例的應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行了機(jī)制仿真驗(yàn)證。

北方地區(qū)冬季一個(gè)電采暖設(shè)備集群早上8：00-20：00的負(fù)荷曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 負(fù)荷曲線(xiàn)示意圖

觀察圖3的負(fù)荷曲線(xiàn)趨勢(shì)，溫度控制機(jī)制的負(fù)荷曲線(xiàn)一開(kāi)始波動(dòng)較大，在8：00-13：00之間產(chǎn)生負(fù)荷峰值和和峰谷差，13：00以后趨于平穩(wěn)。安全用電機(jī)制由于對(duì)負(fù)荷峰值有所控制，8：00-13：00之間負(fù)荷曲線(xiàn)趨勢(shì)與溫度控制機(jī)制的負(fù)荷曲線(xiàn)趨勢(shì)大體相似，但是峰值和峰谷差要明顯小于溫度控制機(jī)制的負(fù)荷曲線(xiàn)，13：00以后兩者差別不大。輪控定時(shí)機(jī)制通過(guò)分組定時(shí)設(shè)置，其負(fù)荷曲線(xiàn)趨勢(shì)在8：00-20：00之間呈平穩(wěn)狀態(tài)，沒(méi)有明顯的負(fù)荷高峰出現(xiàn)。

結(jié)合表1負(fù)荷曲線(xiàn)參數(shù)對(duì)3種算法的應(yīng)用效果進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)用電安全機(jī)制可以將負(fù)荷峰值降至原來(lái)81.48%，可以將峰谷差降至62.96%。在同一電采暖負(fù)荷集群中，安全用電機(jī)制可以平滑負(fù)荷曲線(xiàn)，使用戶(hù)設(shè)備對(duì)變壓器的容量要求更低，電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷沖擊的承受能力更強(qiáng)，電網(wǎng)安全運(yùn)行的可能性越高。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)安全用電機(jī)制負(fù)荷曲線(xiàn)的用電負(fù)荷率最高，在變壓器額定的情況下，安全用電機(jī)制的設(shè)備利用率越高，應(yīng)用效果越好，與另外兩種控制機(jī)制相比具有一定的優(yōu)勢(shì)[9,10]。

表1 負(fù)荷曲線(xiàn)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文提出的安全用電機(jī)制通過(guò)感知負(fù)荷用電數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)群體負(fù)荷的智能決策與協(xié)同控制，平滑用電負(fù)荷曲線(xiàn)，過(guò)濾峰值對(duì)電網(wǎng)容量的沖擊，具有以下兩個(gè)方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

第一，可使用戶(hù)最大限度地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)容量，推遲網(wǎng)絡(luò)增容改造時(shí)間。在小區(qū)或農(nóng)村的供電網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)更新速度遠(yuǎn)小于用電設(shè)備的換代與增加速度，已有資源逐漸無(wú)法滿(mǎn)足用電增長(zhǎng)需求。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)，能夠保證可靠用電，適用于具有電采暖、電熱水器及充電樁等大功率用電設(shè)備的小區(qū)或農(nóng)村。第二，為供電網(wǎng)的容量規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供實(shí)際運(yùn)行參考。在供電網(wǎng)的新建或改造中，可以通過(guò)該機(jī)制計(jì)算可調(diào)負(fù)荷的彈性范圍，進(jìn)而確定供電網(wǎng)最大容量的取值，可以低于傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)值，或在傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)值下容納更大數(shù)量的負(fù)荷設(shè)備。