基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)智能運行與維護技術(shù)

李振江,李 愷

(國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司,山東 濰坊 261000)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)旨在構(gòu)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)電力用戶、發(fā)電企業(yè)及供應(yīng)商之間高效溝通的網(wǎng)絡(luò),對電力市場進行全面監(jiān)控,從而提升工作效率及競爭力。基于這一理念,電力物聯(lián)網(wǎng)注重將“能量流”“信息量”“業(yè)務(wù)流”有機結(jié)合在一起,為用戶提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),提高企業(yè)配網(wǎng)發(fā)展的科學(xué)性及配網(wǎng)系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。為實現(xiàn)配電網(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)展,需不斷完善智能化運行及維護管理技術(shù),大大降低系統(tǒng)風(fēng)險,保障電力安全,實現(xiàn)可靠供應(yīng)。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

1.1 感知層

在電力物聯(lián)網(wǎng)中,感知層承擔(dān)著神經(jīng)末梢的作用,可對系統(tǒng)的運行狀況進行全方位感知,對系統(tǒng)出現(xiàn)的意外情況做出預(yù)警。通過配電系統(tǒng)的智能化,將變壓器、電表等各類終端設(shè)備納入到感知層,通過對感知層的風(fēng)險評價,進一步提高智能配電網(wǎng)的抗風(fēng)險能力。圖1為電力物聯(lián)網(wǎng)的多級結(jié)構(gòu),可滿足不同的應(yīng)用需求。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)的分層架構(gòu)體系Fig.1 Hierarchical architecture of power Internet of Things

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層在電力物聯(lián)網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用,可確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及可靠性,主要分為兩種類型:內(nèi)部專網(wǎng)和外部互聯(lián)網(wǎng)。隨著技術(shù)的發(fā)展,通信方式發(fā)生了巨大的變化,這將直接影響系統(tǒng)的整體性能。電力線載波與230 MHz無線傳輸技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電力通信領(lǐng)域,極大改善了網(wǎng)絡(luò)性能。電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的安全管理至關(guān)重要,其不僅能夠防止黑客入侵,還能確保整個智能配電系統(tǒng)的正常運行。為有效減少智能配置系統(tǒng)中的互聯(lián)網(wǎng)攻擊風(fēng)險,需采用多種不同的通信協(xié)議。

1.3 平臺層

物聯(lián)網(wǎng)平臺層的強大功能令系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互與融合變得更加容易,利用大數(shù)據(jù)存儲與分析技術(shù)可以更加高效地處理傳統(tǒng)能源生產(chǎn)模式下的碎片化信息存儲,消除信息孤島。借助在線信息平臺與云數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)對電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的實時收集與處理,確保電網(wǎng)的安全、高效、可靠,通過電力數(shù)據(jù)共享機制,更好地推進電力行業(yè)的發(fā)展。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層可實現(xiàn)多種業(yè)務(wù),如為客戶提供能源服務(wù)、維護電力網(wǎng)絡(luò)及管理綜合能源系統(tǒng)等。在應(yīng)用層的引導(dǎo)下,用戶可實時與智能配電系統(tǒng)進行交互,獲得完整的系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息。

2 面向配用電系統(tǒng)的電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 感知層關(guān)鍵技術(shù)

感知層可確保系統(tǒng)獲取信息的準(zhǔn)確性,實現(xiàn)快速響應(yīng)。現(xiàn)代化智能配電系統(tǒng)的感知層監(jiān)控范圍越來越廣,監(jiān)控數(shù)據(jù)的復(fù)雜性越來越高。應(yīng)加強創(chuàng)新,滿足智能配電系統(tǒng)的多元需求,提高系統(tǒng)的運行效率及可靠性。在研發(fā)新型電力物聯(lián)網(wǎng)裝置時,應(yīng)充分考慮尺寸、環(huán)境條件及電磁兼容性等因素,達到最佳效果,滿足電力行業(yè)的發(fā)展需求。為了更好地監(jiān)控配電系統(tǒng)設(shè)備,需完善傳感器設(shè)置方案,按照空間正四面體傳感器節(jié)點部署思路,充分利用各種傳感器的優(yōu)勢,提高感知層的整體感知效果。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

信息傳輸中有許多不同的業(yè)務(wù)類型,需要配電通信系統(tǒng)的支持。隨著可用接口越來越多,泛在感知的信息量及數(shù)據(jù)的多樣性不斷攀升。開發(fā)強大的路由策略來支持自組網(wǎng)已成為一種必然,需確保底層接入網(wǎng)的控制及狀態(tài)信息的及時傳遞。為了更好地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)潛力,人們不斷探索新的技術(shù)手段,提出相應(yīng)的算法,基于配網(wǎng)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系提出拓?fù)鋭莘椒?以實現(xiàn)系統(tǒng)間的協(xié)同規(guī)劃。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入,需充分關(guān)注與其相關(guān)聯(lián)的信息安全風(fēng)險,實現(xiàn)安全訪問及信息控制。而一系列技術(shù)的應(yīng)用則是解決這些問題的關(guān)鍵,主要方法包括數(shù)據(jù)加密、安全路由、身份認(rèn)證及訪問控制等。

2.3 平臺層關(guān)鍵技術(shù)

平臺層處理的數(shù)據(jù)量十分龐大,呈現(xiàn)高冗余度、多樣化格式等特點,其關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等,可加速對大規(guī)模系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行聚合及整理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的最大價值。在數(shù)據(jù)融合技術(shù)的支持下,配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息可實現(xiàn)三個層次的有效整合,即數(shù)據(jù)層、特征層及決策層。此外,加權(quán)平均、聚類分析及貝葉斯估計等多種融合方法也能夠發(fā)揮出一定的作用。NoSQL是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的技術(shù),包括BigTable、F1、Cosmos等大型數(shù)據(jù)存儲模型,可有效支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及分析。目前智能配電網(wǎng)的監(jiān)控覆蓋面有限,需大力開發(fā)平臺層的數(shù)據(jù)分析技術(shù),以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.4 應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)

在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中,態(tài)勢感知與主動優(yōu)化運行是核心技術(shù)。態(tài)勢感知技術(shù)可及時發(fā)現(xiàn)并有效識別可能存在的安全隱患,對其采取必要的措施進行處理。可將智能配網(wǎng)的態(tài)勢感知劃分為三個階段,即觀察、理解及預(yù)測,確保整個系統(tǒng)的最佳性能。采用主動優(yōu)化運行技術(shù)可根據(jù)用戶需求實施合理的供電價格調(diào)整,更好地滿足用戶需求,有效提升用戶滿意度,提升電力企業(yè)經(jīng)濟效益,實現(xiàn)智能配電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

3 電力物聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)智能運行的應(yīng)用

3.1 配電網(wǎng)運行狀態(tài)在線監(jiān)測與風(fēng)險評估

目前,配電網(wǎng)決策進程中沒有獲得足夠的信息技術(shù)支持,因此當(dāng)電力設(shè)備出現(xiàn)故障時必須進行維修。新型負(fù)荷的出現(xiàn)令配電網(wǎng)的安全性及可靠性面臨著更大的挑戰(zhàn),電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為配電系統(tǒng)的智能運行提供保障,可即時檢視電力裝置的運作狀況,評估其對配電網(wǎng)的影響,排除可能存在的計時誤差風(fēng)險,豐富了在線檢測手段。在穩(wěn)定的通信系統(tǒng)中,可通過站點來進行不同的檢測,及時發(fā)現(xiàn)故障。還可對網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險進行評估,對配網(wǎng)運行歷史數(shù)據(jù)進行提取分析,對現(xiàn)場風(fēng)險進行實時評估,及時發(fā)現(xiàn)容易受到攻擊的系統(tǒng),運用人工智能技術(shù)提升電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。

3.2 配電系統(tǒng)規(guī)劃與綜合能源協(xié)調(diào)運行

為了滿足人們的日常需求,需對電力、交通、供暖、燃氣等基礎(chǔ)設(shè)施進行規(guī)劃建設(shè)。電力物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)對電力、氣力、水力、熱力等多種資源的有效管理,對其進行有效分配及協(xié)調(diào)優(yōu)化,可為城市的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展,各種不同類型的能源日益融合,出現(xiàn)了大量的協(xié)同利用,提高智能配電網(wǎng)的靈活性及自主性是亟待解決的問題。未來,配電網(wǎng)將與其他系統(tǒng)相結(jié)合,適應(yīng)綜合能源的使用需求。在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下,配電網(wǎng)必須具有較高的自主性,以其感知的各類大數(shù)據(jù)為依據(jù),構(gòu)建高精度的綜合分布與預(yù)測模型,借助邊緣計算提高非平穩(wěn)環(huán)境下配電網(wǎng)的靈活性。結(jié)合云計算技術(shù)對多種不同類型的能量進行分析,實現(xiàn)合理利用。通過對電力系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析,建立一個精確的電力失控分布模型,更好地掌握電力系統(tǒng)運行狀況。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行計算,建立分布式電源及儲能系統(tǒng),準(zhǔn)確控制用戶負(fù)載。利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對風(fēng)光機組進行精細化分類,更準(zhǔn)確地調(diào)整配電網(wǎng)絡(luò),獲取有效數(shù)據(jù)。

3.3 用戶個性化用能服務(wù)

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)中,用戶受電終端只能被動參與配電網(wǎng)運行,雖然分時電價可以將電量從峰值轉(zhuǎn)移到低谷,最大限度地利用電能,但此方法還不完善。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴大,其終端及網(wǎng)絡(luò)能夠與用戶建立更加緊密的聯(lián)系,可增設(shè)屋頂光伏電站,安裝小型風(fēng)機,拓寬用戶獲取電能的途徑。隨著智能終端的普及,如智能空調(diào)、熱水器及電動汽車等,用電信息不斷變化,將成為電力物聯(lián)網(wǎng)的重要信息來源。配電網(wǎng)需為客戶提供多樣化的服務(wù),引導(dǎo)客戶參與配電網(wǎng)的運營,以定制化的個性化服務(wù)為核心,實現(xiàn)對配電網(wǎng)的最優(yōu)配置,提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

電價調(diào)整機制是對用電客戶的一種激勵,通過建立一個分層的配電網(wǎng)架構(gòu),將電網(wǎng)側(cè)的資源與用戶側(cè)的設(shè)備有效整合在一起,實現(xiàn)集成調(diào)度的目標(biāo)。如將建筑暖通、電冰箱、熱水器等作為資源平衡的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu),對其功率進行精確計算,實現(xiàn)對配電網(wǎng)絡(luò)的有效調(diào)整,從而有效控制儲能系統(tǒng)的建設(shè)投資成本,實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

4 配電系統(tǒng)的運行維護技術(shù)

4.1 周期性維護技術(shù)

為有效解決配電系統(tǒng)運行中的問題,應(yīng)加強周期性維護技術(shù)的應(yīng)用,按照規(guī)定定期巡視,及時發(fā)現(xiàn)并處理智能運行中存在的問題,確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。為了更好地發(fā)揮周期性維護技術(shù)的作用,必須確保其覆蓋面廣泛,精細化水平達到最佳,不斷加強巡檢維護與配電系統(tǒng)智能運行之間的聯(lián)動。各部門協(xié)同配合,共同完成配電系統(tǒng)的智能運行維護,充分發(fā)揮周期性維護技術(shù)的重要作用。

4.2 特殊性維護技術(shù)

如果在監(jiān)控配電系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)了安全隱患,需分析其表現(xiàn)形式及影響,制定適當(dāng)?shù)木S修方案,降低風(fēng)險,確保配電系統(tǒng)的運行符合電力物聯(lián)網(wǎng)的需求。配電系統(tǒng)較為復(fù)雜,涉及的設(shè)備眾多,需建立一套完善的智能管理體系,對所有設(shè)備進行全面監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)故障,保證系統(tǒng)的正常運行。充分利用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),大大提升配電網(wǎng)的智能化運營及故障維修水平,有效推動電力工業(yè)的智能化發(fā)展。

5 結(jié)束語

在電力物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,配電網(wǎng)長期運行會產(chǎn)生一些故障,需基于電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷優(yōu)化配電系統(tǒng)的智能運行及技術(shù)維護,防止外部因素干擾,確保配系統(tǒng)智能運行與維護技術(shù)之間的相關(guān)性,凸顯配電系統(tǒng)運行的智能化,滿足電力物聯(lián)網(wǎng)對配電系統(tǒng)運行的需求。