基于RFID/WSN和大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能電網(wǎng)用電調(diào)控

常亞峰，李軍祥，俞涵（上海理工大學(xué)，上海 200093）

?

基于RFID/WSN和大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能電網(wǎng)用電調(diào)控

常亞峰，李軍祥，俞涵
（上海理工大學(xué)，上海 200093）

摘 要整合逐步發(fā)展的RFID及WSN技術(shù)實現(xiàn)對整個電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集及智能抄表，再結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對得到的數(shù)據(jù)進行全面整合分析，分析整個電網(wǎng)系統(tǒng)中用戶電量的使用情況，從而對未來的用電需求做出預(yù)測，制定出合理的價格體系，引導(dǎo)用戶錯峰用電，以達到對電力負(fù)荷“削峰填谷”的效果，提高能源利用效率，節(jié)約能源消耗。

關(guān)鍵詞智能電網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；射頻識別技術(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前，科技的進步以及城市化、信息化水平的提高并不能解決我國的用電不均衡的問題，整個電網(wǎng)系統(tǒng)用電出現(xiàn)的“高峰低谷”現(xiàn)象使電能的使用效率很低。在新能源無法得到普及開發(fā)與利用時，有必要有效地提高傳統(tǒng)能源利用率。

智能電網(wǎng)，即電網(wǎng)智能化或“電網(wǎng)2.0”，它應(yīng)用決策支持系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)的控制方法和先進的測量與傳感技術(shù)，使電網(wǎng)更安全、可靠、高效、經(jīng)濟，更能滿足用戶的用電需求。它通過收集整理整個電力傳輸系統(tǒng)信息的海量數(shù)據(jù)，并進行分析，以達到電力資源的最優(yōu)配置。RFID及WSN是對大數(shù)據(jù)進行收集的兩種有效工具。本文將研究怎樣去利用這兩種技術(shù)到智能電網(wǎng)的用電調(diào)控中，通過對大數(shù)據(jù)進行收集、整理與分析，使電力資源達到更合理的配置。下面先簡要介紹這些技術(shù)，然后再將其應(yīng)用于智能電網(wǎng)的用電調(diào)度中。

1 智能用電的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 RFID技術(shù)

RFID （Radio Frequency Identification，無線射頻識別技術(shù)）是通過射頻信號在電磁場或空間交變磁場中無線傳輸獲取的數(shù)據(jù)信息，其信息交換方式是非接觸的。它通過存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，并利用無線電信號對特定目標(biāo)加以識別并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。由于RFID對工作環(huán)境無太高的要求，且工作時無需人工干預(yù)，所以適用范圍廣且極適于在自動化程度高的場合。這樣，對于目前仍采用人工巡視和手工紙介質(zhì)記錄的國內(nèi)電力企業(yè)來說，采用RFID技術(shù)會改善這一現(xiàn)狀，它能減少人為因素造成的故障，降低管理成本，監(jiān)督巡檢人員的工作，提高巡檢數(shù)據(jù)的信息化程度。

1.2 WSN技術(shù)

WSN（Wireless Sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）使用無線通信方式，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)通過許多微型傳感器節(jié)點產(chǎn)生的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知到的數(shù)據(jù)信息進行采集和處理后，發(fā)送到觀察者一方。由于采用WSN技術(shù)后，覆蓋區(qū)域大，檢測精度高，靈活性好，成本低，而且能進行并行處理。因此，可以借助于WSN網(wǎng)絡(luò)，在極惡劣環(huán)境下對電力企業(yè)布置高電壓下的各類信號線，通過智能電表進行用電和防竊電管理，防止人為的破壞，提供給用戶經(jīng)濟準(zhǔn)確的用電信息。

1.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和廣泛普及產(chǎn)生了大量的無法采用傳統(tǒng)工具或正常流程進行處理或分析的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)超出了正常大小和范圍，常被稱為“大數(shù)據(jù)”。大數(shù)據(jù)的收集、分析和處理是目前的研究熱點。通過大數(shù)據(jù)進行研究，可以從海量數(shù)據(jù)中提取出待處理的問題，并通過對數(shù)據(jù)的分析和挖掘，高效迅速地獲得有價值的信息，這就是大數(shù)據(jù)技術(shù)。目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)已在物流、通信、零售、醫(yī)療等行業(yè)發(fā)揮了重要的作用，它應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，必將對實現(xiàn)整個電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化，進行智能預(yù)測、用電調(diào)控及提高經(jīng)濟效益等方面具有重要意義。

2 采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行智能用電調(diào)控分析

在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，大數(shù)據(jù)產(chǎn)生在整個電網(wǎng)系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)，比如電網(wǎng)在運行中檢測到的數(shù)據(jù)，電量營銷和電價的交易產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等。通過對巨量數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，可以了解客戶的用電需求和用電行為，對未來用電行為進行預(yù)測分析，近而合理地設(shè)計出一套智能電網(wǎng)用電調(diào)控系統(tǒng)。通過對不同時段制定合適的價格體系，引導(dǎo)用電者進行合理的用電消費配置，以平衡整個電網(wǎng)系統(tǒng)的用電。

基于WSN和RFID的智能抄表系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)采集工作站、Web工作站，采用Oracle或SQL Servicer等的大型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行的數(shù)據(jù)收集。這一系統(tǒng)的實現(xiàn)是在WSN傳感器的節(jié)點上集成了相關(guān)的 RFID芯片，以便進行實時信息收集、存儲、定位、傳遞和查詢等，實現(xiàn)對各時段數(shù)據(jù)的收集和傳輸，然后將這些數(shù)據(jù)輸入大數(shù)據(jù)分析軟件（如Hadoop）中進行挖掘、分析和統(tǒng)計，找出用電的峰值和谷值。接下來，通過制定不同時段的電價借助于WSN和RFID技術(shù)傳回用戶的電表系統(tǒng)或智能終端，讓消費者做出合理的用電決策。整個智能電網(wǎng)的用電調(diào)度如圖1所示。

圖1 整合RFID、WSN和大數(shù)據(jù)的智能電網(wǎng)用電調(diào)度

這樣，隨著大量智能電表及智能終端的安裝部署，通過RFID技術(shù)對負(fù)荷情況準(zhǔn)確、細(xì)致、及時的掌握與反饋，運用大數(shù)據(jù)技術(shù)對其進行系統(tǒng)全面分析可以指導(dǎo)電網(wǎng)的分布與定位構(gòu)建，減少不必要的浪費，擴大電容儲備量，同時，還可以幫助供電企業(yè)進行實時用電監(jiān)控，防止出現(xiàn)用戶竊電等情況發(fā)生。除此之外，借由WSN技術(shù)為普通居民和企業(yè)用戶安裝智能電表，可以由此收集到比以往粒度更細(xì)更密的超大容量的電力消費數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成智能電網(wǎng)中用戶側(cè)的超大容量大數(shù)據(jù)，于是，可以結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)分析制定分時電價的措施，把峰值負(fù)荷抑制到低點，以減少用電高峰時段的負(fù)荷需求的超高速增長。此外，還可以通過加強用戶需求側(cè)的管理，讓用戶隨時了解到自己使用的用電成本及用量，使用戶能夠相應(yīng)地為自己的使用做出一定的調(diào)整，讓他們可以選擇繼續(xù)用電，亦或是關(guān)閉一些不必要的使用設(shè)備，使得從高峰高價階段轉(zhuǎn)移到谷值低價階段。這一用電系統(tǒng)與限電手段既可以有效地降低用戶高峰時段不必要的用電，又能達到“削峰填谷”的效果，實現(xiàn)資源的合理分配，提高電量的利用率，使整個電網(wǎng)系統(tǒng)達到用電的平衡。比如用戶A習(xí)慣在中午使用電磁爐、電視機、洗衣機、熨燙機等各種耗電設(shè)備，該市供電公司經(jīng)過對大數(shù)據(jù)的分析，把中午12～13時及晚上18～19時的時段定位成高峰用電時段，并在這一時段運用了峰值提價的手段。用戶A通過RFID和WSN傳回智能電表上的數(shù)據(jù)了解到了他在這一時間段的用電量及電費消耗情況，根據(jù)電表上紅、黃、綠指示燈感知到是在高峰高價用電。于是他便會對自己的用電習(xí)慣進行調(diào)整，關(guān)閉此時不必要使用的電器（如洗衣機、熨燙機等設(shè)備），以此來降低電費，這樣，不僅該用戶電費得以控制，也會使得高峰用電峰值能有效的下降，大大提高電能利用率。

根據(jù)我們對上海某一小區(qū)的用電量調(diào)查和數(shù)據(jù)的分析，得出如圖2的數(shù)據(jù)和圖3的用電情況。

目前上海市針對居民實行的峰谷差別電價的方案為：從早上6時到晚上22時，實行峰時電價，為0.617 元/度。從晚上22時到次日凌晨6時，實行谷時電價，為0.307元/度，客戶削峰填谷的用電積極性雖有一定的提高，但該方案區(qū)分度不夠，對用戶用電意識的調(diào)動影響甚微，削峰填谷用電仍有進一步挖掘的空間和潛力。我們建議把早上6～8時，中午11～13時，晚上17 ～21時定為峰值時段，其余為谷值時段。結(jié)合對小區(qū)居民的用電意識和消費習(xí)慣，得出的用電量分布圖如圖4所示。使高峰負(fù)荷大大降低，用電波動趨于平均，來提高用電效率。

總之，智能用電數(shù)據(jù)不僅可以檢測到哪個時段用電高峰，還可以通過智能電表的數(shù)據(jù)獲得用戶的用電習(xí)慣，以推斷出整個電網(wǎng)系統(tǒng)在將來一段時間內(nèi)的大致所需要的用電量，以便在滿足各個客戶用電需求的同時，避免不必要的能源浪費，實現(xiàn)環(huán)保的目的，促進生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

圖2 2015年度上海某小區(qū)每月居民用電量柱狀圖

圖3 上海某小區(qū)7月份每時某日用電量分析

圖4 調(diào)整后用電量分布折線圖

3 結(jié)語

在建設(shè)智能電網(wǎng)的過程中，RFID及WSN技術(shù)為整個智能電網(wǎng)的構(gòu)造以及發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。再結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行挖掘、處理和分析更是會將智能電網(wǎng)發(fā)展推向一個新高度。然而，智能電網(wǎng)的發(fā)展將會是一個漫長的過程，需要不斷的加強與完善，以使智能電網(wǎng)的環(huán)保性與穩(wěn)定性得到提高。只有通過多種技術(shù)共存，結(jié)合大數(shù)據(jù)的整合分析，并在時效性、數(shù)據(jù)一致性和安全性等方面不斷創(chuàng)新，才能使智能電網(wǎng)更經(jīng)濟健康的發(fā)展，并真正實現(xiàn)普及，造福大眾。

參考文獻

[1] 鮑冠南, 陸超, 袁志昌, 等. 基于動態(tài)規(guī)劃的電池儲能系統(tǒng)削峰填谷實時優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2012,36(12):11-16．

[2] 劉振亞．智能電網(wǎng)技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[3] 李國杰．大數(shù)據(jù)研究的科學(xué)價值[J]．中國計算機學(xué)會通訊，2012,8(9):8-15.

[4] 郭獻崇, 康俊霞, 謝芳. 基于RFID技術(shù)的智能電網(wǎng)MIS的構(gòu)建[J].電源技術(shù), 2012(6):832-833.

[5] 左桐宇. 基于WSN技術(shù)的智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)建設(shè)研究,信息通信,2014,(2):113-114.

[6] Peijian Wang．D-pro：dynamic data center operations with demandresponsive electricity prices in smart grid[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2012,3(4):1743-1754.

Electricity monitoring in smart power based on RFID/WSN and big data technology

CHANG Ya-feng, LI Jun-xiang, YU Han
(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

AbstractRFID and WSN technologies are integrated to monitor remotely, collect data of used electricity and read automatically the users’meters. Then, in via of big data analysis technology, the data are analyzed to know the usage of each user in the whole electricity system. Thus, according to the electricity requirement forecast, a reasonable price system is made to balance the electricity, improve the usual rate of energy and reduce the cost.

Keywordssmart power; big data; RFID; WSN

中圖分類號TN99

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1008-5599（2016）04-0082-04

收稿日期：2016-03-07

* 基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(編號：71572113, 71303157, 11171221, 71271138，71202065, 71371140, 71432007)，上海市高峰學(xué)科項目(編號： XTKX2012)，上海市教委創(chuàng)新基金(編號:14YZ089，14YZ088)和上海市大學(xué)生創(chuàng)新項目(編號：151025213, SH2015056, SH2014054, SH2014062, XJ2015083)。