煤改電智能服務研究與應用

張祿，李香龍，朱潔，于希娟，陸斯悅，陳少坤

(1.國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 100075； 2.北京恒華龍信數據科技有限公司，北京 100088)

0 引 言

氣候惡化是當今影響最為深遠的全球性問題，在北方居民的冬季取暖推行清潔取暖方法，是農村用戶采暖方式的重大變革，是優化人民生活方式的重要方式[1-5]。

目前“煤改電”工程也存在各區域實施進度分離，工程統一管控困難；對改造成果監管評價難；以及在農村“煤改電”推廣過程中，供暖季會出現負荷增長、負荷波動加大、三相不平衡加重等問題，影響電網線路設備，出現運行安全問題；以及在為用戶安裝前存在采暖方案選取、運行中存在用戶采暖效果狀況監測、設備健康狀態監測，用戶用電策略推薦等問題，難以為用戶提供更多決策支撐等問題。需要提出新的設計理念[6-7]。為有效管控“煤改電”工程，監測清潔采暖用能情況，積極引導電采暖用戶有序用電，保證用電安全性，亟須適應時代發展潮流，實現數據分析和互聯互通。

隨著物聯網和大數據技術的飛速發展，現在已經具備通過智能設備采集居民采暖數據和用電數據的能力。電力消費者需求呈現多樣化趨勢，電網已不再是傳統意義上的單一的傳輸功能，而是增加了多種社會元素，承載了多種數據信息，承擔了更多的社會責任，建設“泛在電力物聯網”勢在必行。基于“煤改電”智能服務平臺為電力用戶、電網生產運行和新業務新模式發展，為企業生態環境構建提供信息和決策支持，是在泛在電力物聯網領域的典型應用。

1 泛在電力物聯網簡介

國家電網公司在2019年兩會報告中提出建設 “泛在電力物聯網”戰略[8-12]。泛在電力物聯網基于通信技術的全業務泛在電力物聯網，是圍繞電力系統各環節，應用移動終端、人工智能等先進的信息和通信技術，實現業務應用的環節互聯、人機交互，建設電力智慧服務系統[13-15]。

2 智能采集與通訊

2.1 智能采集與通訊方案

智能采集與智能技術是利用智能化的現代手段獲取信息，并將采集的信息進行通訊傳輸的電子信息技術。

隨著物聯網和通信技術的不斷成熟和飛速發展，現代通信傳輸技術種類也復雜多樣，本項目中的實施區域跨度大、地形復雜、通信基礎良莠不齊，煤改電工程推進過程中，各地區電采暖設備品牌不一、型號多樣，通過結合地理位置、地貌特征、設備情況綜合分析，針對不同地區用戶分別選取適合中、遠距離進行信息傳遞的Wi-Fi、ZigBee、PLC實現終端數據傳輸匯聚[16-19]，通過對LoRaWAN、WiFi、PLC、NB-IoT、4G等多種通信方案及其組合方案的物理特性試驗對比(表1)和優缺點對比分析(表2)，提出了采用國內和行業范圍比較先進的NB-IoT和LoRaWAN兩種通信技術進行用戶端到平臺層數據通信傳輸方案，通過通信質量監測試驗驗證了這種組合技術的穩定性和安全性。通過綜合判斷推薦適合“煤改電”場景的“基于多種組合通信方案”的智能化通信網絡層穩定性組合策略，解決了“煤改電”數據高頻采集傳輸困難、大規模推廣成本高等難題。

2.2 智能采集終端

信息智能化采集的實現必須以智能終端電子設備為基礎，因此，研發兼容多種通信協議和多網融合的電采暖智能采集終端和溫濕度智能采集終端。通過在用戶家中安裝研發的分布式智能終端(圖1～圖3)，采用多種無線、有線通信技術，實現了與采暖用戶家中多種取暖方式、各種品牌、各類型號的電采暖設備全面兼容與信息傳輸[20]，并兼顧功耗、成本、存儲空間等因素，實現用能數據和采暖數據的5 min高頻精準采集。

表1 不同采集通訊方案物理特性對比

表2 不同采集通信方案優缺點比較表

圖1 煤改電智能采集設備：家庭智能網關

圖2 煤改電智能采集設備：溫濕度無線采集器

圖3 煤改電智能采集設備：溫濕度采集智能插座

3 基于泛在電力物聯網的煤改電智能服務云平臺

如圖4所示，煤改電智能服務平臺基于物聯網、大數據技術，踐行“三型兩網”戰略，感知層通過在用戶安裝智能采集終端，傳輸層通過LORAWAN和NB-IOT網絡通道，將用戶電壓、電流、功率、電量、室內溫度、室內濕度等數據傳輸到平臺層，在應用層實現了實時監測和大數據分析。從用戶側源頭進行問題發現、問題跟蹤，從管理側進行問題治理。以“煤改電”智能服務為基礎保障、以優化流程規范固化機制為制度保障、以煤改電實時監控平臺發布倒逼服務提升和運維為監督保障、以物聯網和大數據技術為技術保障，解決“煤改電”管理中的電網安全、投訴、運維問題。

3.1 平臺整體架構

針對“煤改電”應用場景，搭建具備海量數據存儲功能、集成“煤改電”分析挖掘算法的分布式、多節點平臺架構的大數據分析與管理平臺。平臺建設過程中應用了分布式的大數據處理技術[21]，基于集群式的服務架構[22]，以HDFS為存儲核心[23]，結合Hive與Impala，搭建具備海量數據存儲功能、集成“煤改電”分析挖掘算法的分布式架構，實現對“煤改電”數據的管理、快速查詢及大數據分析。應用5臺集群服務器，搭建9個節點，具備CPU80核，內存544 GB，硬盤78.2 TB，具備強大的數據治理、存儲、計算、分析能力，應用Zookeeper，實現集群高可用，保證平臺的平穩運行。通過構建的分布式一體化泛在電力物聯網平臺，全面監測“煤改電”用戶采暖數據和用電數據。

圖4 基于泛在電力物聯網的煤改電智能服務平臺框架

煤改電智能服務平臺整體分為感知及傳輸層、數據存儲及交互層、業務應用層、展現層4層架構[24](見圖5)。

圖5 基于泛在電力物聯網的煤改電智能服務平臺系統架構圖

感知及傳輸層：采用環境監測儀、電壓電流監測設備、電采暖監測設備的多種監測設備監測并采集居民市內及實驗室的數據，通過4G或者無線網絡將監測結果傳輸到數據庫中。

數據存儲及交互層：對采集到的數據進行整合后存儲，數據庫中涵蓋采暖用戶家庭數據、采暖消耗的電力數據、各類設備數據、戶內采暖溫度數據、外部環境氣象數據、日志告警及其他數據等。基于泛在電力物聯網的煤改電智能服務平臺與其他系統或外部系的數據在數據層進行交互。

業務應用層：在這一層是針對用戶業務的具體的的功能模塊，分為WEB端和移動端兩部分。WEB端包含地圖展示、工程概況、智能監測、用戶檔案、綜合管理、節能成效、大屏展示、系統功能8部分。

展現層：展現層是用戶直接交互的界面，用戶可通過終端直接訪問，操作煤改電智能服務平臺。支持通過Web展示和通過移動端訪問兩種方式。

3.2 平臺功能

煤改電智能服務平臺通過硬件采集電采暖設備的運行、檢修數據，實驗室用電數據，以及當地氣象環境信息，實現對煤改電覆蓋區域的統一監測與管理，并用可視化手段進行直觀的展示。包括地圖展示、工程概況、智能監測、用戶管理、設備管理、大數據分析、系統管理、移動端管理8個部分。

(1)地圖展示

利用地圖接口與經緯度相互結合的方法獲取居民用戶和采集設備的地理信息，在地圖上進行整體分布展示。在地圖的基礎操作、用戶查詢、村莊查詢、設備查詢的同時浮動圖表都會進行實時聯動。

(2)工程概況

本模塊中展示“煤改電”工程的整體進度，支持進行工程計劃實時查看，用戶根據工程實際進度進行進度填報，展示“煤改電”工程的整體技術方案、煤改電工程整體進度管理、各區域安裝進度管理、典型用戶示范。

(3)智能監測

煤改電智能服務平臺實現了示范區域用戶采暖設備、室內環境、外部環境的綜合監測，包含用戶家庭基礎信息監測(圖6)、用戶用能實時監測、用戶采暖效果實時監測(圖7)。通過采集設備、監測設備將居民的用電用能信息和環境信息進行采集并上傳至煤改電智能服務平臺，監測項包括電壓、電流、電量數據監測，對采暖設備的出/回水溫度等參數進行了監測，此外還包括室內溫濕度、室外氣溫、濕度和PM2.5等信息，實時實現對“煤改電”區域家庭的智能監測管理。

圖6 用戶信息智能監測

圖7 采暖效果和用電信息智能監測

(4)用戶管理

本模塊對用戶信息進行統一管理，按照所屬區域(區縣、鎮、村)以目錄樹的形式進行管理，可以進行不同用戶用電信息、溫度信息等監測結果進行查詢。

(5)設備管理

設備管理模塊有電采暖設備管理、采集設備管理、通信設備管理、設備資料管理4部分。

(6)大數據分析

大數據分析模塊是基于采集到的數據結合業務應用，利用專業的數學和統計學分析方法構建算法模型，進行大數據分析及預測。包含采暖電量分析，采暖效果綜合分析、清潔節能成效分析用能預測、采暖費用及補貼分析等。

(7)系統管理

系統管理是對系統運行起到支撐運行的關鍵項功能進行管理配置，覆蓋使用人員、使用授權、關聯關系、等級劃分等。

(8)移動端應用

除了PC應用外，煤改電”智能服務平臺還有移動app，可以直接在移動端安裝登錄。工作人員可以用手機進行登錄，隨時隨地查看煤改電用戶的興趣點分析、用電智能監測情況、節能效果、大數據分析成果。

4 智能分析與應用

借助基于泛在電力物聯網的煤改電智能服務平臺，通過選取某省份200戶典型煤改電用戶，對典型用戶2018～2019采暖季的用電數據和電費數據進行了計算和分析。

4.1 電量分析

2018～2019年采暖季，“煤改電”用戶采暖季戶均總用電量7 609.68千瓦時，戶均日用電量為50.4千瓦時，采暖季戶日均用電電量為采暖季前8.19倍。采暖季谷段戶均總用電量4 467.53千瓦時，在谷段居民用戶平均每一天消耗29.59千瓦時電量，占每天總用電量的比例是58.71%[23-24]。

4.2 電費分析

2018～2019年采暖季，電占比58.71%，平段戶均總用電量為3 107.25千瓦時，占比41.29%。按照平段電價和補貼后的谷段電價分別進行計算，2018～2019年采暖季平均每個用戶用電費用是1 964.02元。

5 結束語

文章基于泛在電力物聯網技術進行了煤改電智能服務研究與應用。在采集層和通信層利用Wifi、LoRa、NBIot物聯網技術將不同采暖類型用戶家庭采暖的電流、電壓、功率、溫度、濕度等數據進行采集和上傳，并支持5 min高頻率采集，提高了采集的精準度。通過構建分布式架構的煤改電智能服務平臺進行用戶基礎信息、用電信息和采暖信息的智能管理和智能監測，結合大數據技術進行用電分析、電費分析、采暖效果分析、補貼成效分析等，為能源電力管理部門的管理和政府部門的財政補貼提供科學支撐。