物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在分布式能源系統(tǒng)中的應(yīng)用*

李世興，王 宏，王 穎，苑明哲

(1.中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng)110016;2.沈陽(yáng)中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110179;3.北京送變電公司，北京102401;4.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京100039)

0 引 言

分布式能源被引入到國(guó)內(nèi)已經(jīng)有10 余年的時(shí)間，它具有能源利用效率高、環(huán)境負(fù)面影響小、能源供應(yīng)可靠性高和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，是未來(lái)世界能源技術(shù)的重要發(fā)展方向，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由選擇。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)新的領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將傳感技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)、智能芯片嵌入技術(shù)集于一體，使任何物體之間都可以實(shí)現(xiàn)信息交換和共享，為分布式能源系統(tǒng)的建設(shè)提供了有力的技術(shù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)由傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)和信息處理等系統(tǒng)構(gòu)成，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)督控制和信息共享與存儲(chǔ)管理等功能。它使目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的功能得到極大拓展，使通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控各種環(huán)境、設(shè)施狀態(tài)參數(shù)及內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理成為可能。也就是說(shuō)，原來(lái)與網(wǎng)絡(luò)相距甚遠(yuǎn)的能源系統(tǒng)、交通管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑物安全、旱澇預(yù)警等都能夠得到有效的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，有的甚至能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1 分布式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)是世界能源發(fā)展的最新方向。相對(duì)于傳統(tǒng)集中式能源供應(yīng)系統(tǒng)，分布式能源系統(tǒng)是將小規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)以分散的形式在用戶端建設(shè)，按照用戶對(duì)能源產(chǎn)品的不同需求，貼近用戶進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換并梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行和輸出冷、熱、電等能源產(chǎn)品的供能系統(tǒng)［1］。分布式能源節(jié)能、高效、環(huán)保，都是多聯(lián)產(chǎn)或多功能系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢(shì)是用在冷熱電聯(lián)產(chǎn)中，具有效率高、占地少、保護(hù)環(huán)境、變負(fù)荷特性靈活、輸電損失小、供電可靠性高、初投資低等［2］。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家將分布式能源綜合利用效率提高到90%以上，大大超過(guò)了傳統(tǒng)用能方式的效率［3］。

國(guó)際分布式能源聯(lián)盟WADE定義“分布式能源”由下列發(fā)電系統(tǒng)組成，而這些系統(tǒng)能夠在消費(fèi)地點(diǎn)或附近的地方發(fā)電:1)高效利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能來(lái)生產(chǎn)熱和電的系統(tǒng);2)具有現(xiàn)場(chǎng)端的可再生能源發(fā)電系統(tǒng);3)包括利用現(xiàn)場(chǎng)廢氣、廢熱以及多余壓差來(lái)發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不考慮規(guī)模、燃料、技術(shù)及系統(tǒng)是否聯(lián)網(wǎng)等條件［4］。

北京燃?xì)饧瘓F(tuán)給出的定義為:分布式能源相對(duì)于傳統(tǒng)的集中供電方式而言，是指將冷熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量(數(shù)千瓦至50 MW)、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨(dú)立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)。分布式能源的先進(jìn)技術(shù)包括太陽(yáng)能利用、風(fēng)能利用、燃料電池和燃?xì)饫錈犭娙?lián)供等多種形式［4］。

分布式能源系統(tǒng)的燃料多樣化，石化能源、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、沼氣、風(fēng)能等都可以實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)，進(jìn)行冷熱電三聯(lián)供。其中，以天然氣為燃料的熱電冷三聯(lián)供方式發(fā)展最快，在我國(guó)的分布式能源領(lǐng)域占有較大比例。采用天然氣為燃料的分布式能源系統(tǒng)，一般采用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，在發(fā)電的同時(shí)，利用發(fā)電產(chǎn)生的煙氣余熱生產(chǎn)冷熱產(chǎn)品就近滿足用戶電冷熱需求。分布式能源系統(tǒng)是能源綜合梯級(jí)利用技術(shù)的一個(gè)典型例子如圖1所示［5］。

圖1 分布式能源系統(tǒng)能源綜合梯級(jí)利用示意圖Fig 1 Diagram of energy comprehensive cascaded utilization of distributed energy system

2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系包括三層:信息采集處理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用處理層，如圖2所示。

信息采集處理層:利用RFID、傳感器以及其他傳統(tǒng)信息采集裝置，協(xié)作的感知、采集所檢測(cè)環(huán)境中的信息，同時(shí)不同傳感器之間可以通信，實(shí)現(xiàn)物物相連。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖Fig 2 Framework diagram of Internet of things

網(wǎng)絡(luò)層:通過(guò)不同的接入方式將信息采集處理層傳遞上來(lái)的數(shù)據(jù)接入到基礎(chǔ)架構(gòu)統(tǒng)一的傳輸網(wǎng)絡(luò)中［6］，由于不同的感知端裝置不同且數(shù)量很大，需要利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)和基礎(chǔ)核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括Internet，3G，藍(lán)牙，UWB等接入技術(shù)［7］。

應(yīng)用層:該層面對(duì)眾多的數(shù)據(jù)來(lái)源和龐大的數(shù)據(jù)量，一方面需要結(jié)合具體的需求，以特定的流程和規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和利用，另一方面需要具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和分發(fā)能力［8］。因此，該層將會(huì)利用以云計(jì)算為代表的數(shù)據(jù)計(jì)算處理分析和信息分發(fā)平臺(tái)技術(shù)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式能源系統(tǒng)

在分布式能源系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)能有效解決分布式能源網(wǎng)絡(luò)信息的過(guò)程化、高密度、精細(xì)化、快速化采集等問(wèn)題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式能源系統(tǒng)分為分布式能源系統(tǒng)感知層、分布式能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層和分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用層，如圖3所示，其作用可形象表述為信息傳感、傳輸和監(jiān)控與優(yōu)化調(diào)度。

3.1 分布式能源系統(tǒng)感知層

感知層解決的是各類物理量、標(biāo)識(shí)、音頻和視頻數(shù)據(jù)的獲取問(wèn)題，也可以說(shuō)是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題。分布式能源系統(tǒng)感知層的數(shù)據(jù)采集子層包括用于電量雙向計(jì)量的智能電表、雙向功率表、制冷與供熱計(jì)量?jī)x表、電壓頻率和相位以及波動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表、分布式能源設(shè)備的溫度、振動(dòng)等設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)監(jiān)測(cè)儀表等。感知層位于三層架構(gòu)的最底層，是分布式能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)獲取信息的基礎(chǔ)和來(lái)源，具有物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力。它作為物聯(lián)網(wǎng)的最基礎(chǔ)一層，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的整體構(gòu)架具有十分重要的作用。

圖3 應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)Fig 3 System framework diagram of Internet of things applied in distributed energy system

分布式能源系統(tǒng)感知層還包括傳感器、各類儀表短距離組網(wǎng)技術(shù)。低速與中高速短距離傳輸技術(shù)主要是指所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)和協(xié)同信息處技術(shù)。自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則可提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和抗毀性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_力，而且建網(wǎng)時(shí)間短、抗毀性強(qiáng)，然而，它在組網(wǎng)中的同步技術(shù)的重要性卻日益突出［9］。在傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理子層中組織傳感器組網(wǎng)以及多個(gè)傳感器利用協(xié)同信息處理技術(shù)對(duì)感知到的信息進(jìn)行加工處理，經(jīng)傳感器中間件進(jìn)行轉(zhuǎn)換和過(guò)濾篩選之后傳遞到網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行遠(yuǎn)距傳輸［10］。分布式能源系統(tǒng)感知層利用底層的終端設(shè)備完成了分布式能源系統(tǒng)的信息獲取與匯集、數(shù)據(jù)融合處理與短距離傳輸功能。

3.2 分布式能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，它與當(dāng)代主流的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、各類專網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)一樣，能夠無(wú)障礙、高效安全地進(jìn)行信息傳輸。分布式能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層一方面需要完成分布式能源系統(tǒng)感知層與應(yīng)用層之間的信息通信功能，另一方面需要具有高度承載能力的通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成信息的海量、安全、高速度的傳輸，需要傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合。承載網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)行的Internet網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、各行業(yè)專網(wǎng)等。網(wǎng)絡(luò)層利用高度融合的承載網(wǎng)，將會(huì)充分發(fā)揮已建設(shè)起的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用價(jià)值，也為物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了一個(gè)高水平的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸過(guò)程中新的發(fā)展需求［9］。

3.3 分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用層

應(yīng)用層是一個(gè)具有高度計(jì)算能力和處理能力的云計(jì)算信息加工廠，用戶端得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)大量融合處理的非原始數(shù)據(jù)。分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用層包括分布式能源總控平臺(tái)子層、應(yīng)用支撐子層和云計(jì)算子層。分布式能源總控平臺(tái)即分布式能源信息化管理系統(tǒng)，包括電量、功率、電能質(zhì)量等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度平臺(tái)，綜合考慮能源需求、燃料消耗、電價(jià)、電能質(zhì)量等因素，實(shí)現(xiàn)分布式能源雙向計(jì)量、就地消納和優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。應(yīng)用支撐子層提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、權(quán)限管理和報(bào)表等服務(wù)。

隨著分布式能源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)規(guī)模的擴(kuò)大和監(jiān)測(cè)力度的細(xì)化，從底層傳來(lái)的數(shù)據(jù)量越來(lái)越龐大，所需處理計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)。在分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用層，高效處理海量數(shù)據(jù)的技術(shù)和算法模型將會(huì)出現(xiàn)并將大規(guī)模應(yīng)用。最近幾年，云計(jì)算技術(shù)的提出和快速發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算提供了全新的思路［11］。云計(jì)算是以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)為載體提供基礎(chǔ)架構(gòu)平臺(tái)軟件等服務(wù)為形式，整合大規(guī)模可擴(kuò)展的計(jì)算存儲(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用等資源進(jìn)行協(xié)同工作的超級(jí)計(jì)算模式［12］。云計(jì)算具有可擴(kuò)展性、高度靈活性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，因此，基于云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建分布式應(yīng)用具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)將會(huì)在面向分布式能源系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)中得到大規(guī)模地使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

分布式能源系統(tǒng)因靈活的變負(fù)荷性、低的初投資、很高的供電可靠性、很小的輸電損失和適合可再生能源等特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)越來(lái)越受到重視［13］。在能源日益緊張與信息化深度發(fā)展的今天，物聯(lián)網(wǎng)與分布式能源不期而遇，這既是一個(gè)機(jī)遇，又是一種必然趨勢(shì)。從本質(zhì)上來(lái)講，將物聯(lián)網(wǎng)用于分布式能源系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)信息與電能的雙向流動(dòng)，需要信息技術(shù)和能源技術(shù)的深度融合。物聯(lián)網(wǎng)可以借助信息手段，對(duì)分布式能源系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)做出反應(yīng)，幫助商業(yè)、工業(yè)和居民等消費(fèi)者直觀地觀察到能源消費(fèi)的數(shù)量和價(jià)格，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選擇最適合自己的能源方案，或者實(shí)現(xiàn)能源方案的自動(dòng)選擇，同時(shí)還能保證徹底的安全性，避免能源質(zhì)量問(wèn)題，適應(yīng)各類設(shè)備的耗能需求［14］。

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