基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效分析管理技術(shù)

時(shí) 翔，王 澎

（國(guó)網(wǎng)青島供電公司 營(yíng)銷部，山東 青島 266002）

基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效分析管理技術(shù)

時(shí) 翔，王 澎

（國(guó)網(wǎng)青島供電公司 營(yíng)銷部，山東 青島 266002）

目前電網(wǎng)系統(tǒng)正在發(fā)展成為容量巨大、運(yùn)行復(fù)雜、高能耗的大規(guī)模供電系統(tǒng)，電網(wǎng)中存在線損率較高的問題，造成了電網(wǎng)電能能效偏低。針對(duì)這一問題，構(gòu)建用于電能能效分析管理的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)遺傳算法對(duì)采集到的系統(tǒng)電能能效信息進(jìn)行優(yōu)化。首先，分別建立電能能效管理分析系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，組建物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，其次分析影響電能能效的關(guān)鍵因素及其與物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系，再對(duì)通過物聯(lián)網(wǎng)采集到的電網(wǎng)能效數(shù)據(jù)信息，設(shè)計(jì)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。最終，應(yīng)用MATLAB仿真軟件，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的電能能效分析管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，電網(wǎng)系統(tǒng)的線損率降低了48%，該技術(shù)可較好提高電能系統(tǒng)的電能使用效率。

物聯(lián)網(wǎng)；電網(wǎng)能效；線損率；遺傳算法；MATLAB仿真

近年來，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和工業(yè)生產(chǎn)能力的快速提升，電能供電系統(tǒng)正在日益發(fā)展成為容量巨大、運(yùn)行復(fù)雜、高能耗的大規(guī)模供電系統(tǒng)。相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)資料表明：在包含發(fā)電系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)的大型電能綜合系統(tǒng)中，各種電能裝備（例如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電能輸電線路、變壓器、電動(dòng)機(jī)等電能設(shè)備）所有的電能損耗占電能系統(tǒng)發(fā)電總量的28%～33%[1]。所以電能系統(tǒng)中的電能損耗巨大，降低電能損耗，提高電網(wǎng)能效利用效率潛力亦較大。

隨著近年來傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為了當(dāng)前世界科技發(fā)展的時(shí)代主流，且在眾多領(lǐng)域均得到了較為廣泛的應(yīng)用，例如城市智能交通網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能樓宇系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域，均取得了較好的使用效果[2]。為了提高電網(wǎng)電能利用效率，降低電網(wǎng)能量損耗，增強(qiáng)電網(wǎng)能效分析與管理能力，將目前先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)能效分析管理系統(tǒng)中，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效分析管理系統(tǒng)，針對(duì)典型的電能能效指標(biāo)參數(shù)，設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)其進(jìn)行分析處理和優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效分析管理系統(tǒng)

經(jīng)過多年的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)正逐漸完備，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也得到了廣泛的應(yīng)用，隨之而來的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正在成為一種日益興起且越發(fā)重要的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)能在物品和物品、物品和人類之間建立廣泛的相互連接，通過將物品與物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，可方便的對(duì)與其相連接的物品進(jìn)行辨識(shí)、管理和控制。所謂物聯(lián)網(wǎng)，是建立在無線射頻識(shí)別技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信等技術(shù)基礎(chǔ)之上，組成一個(gè)能涵括各種事物的巨大物品信息網(wǎng)絡(luò)[3-4]。更加深入來說，物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過將各種各樣的傳感器嵌入到了交通、建筑設(shè)施、供電系統(tǒng)、供水網(wǎng)絡(luò)等各式各樣的物體之中，從而建立了物品和物品、物品和人類之間連接的強(qiáng)大信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，然后將其與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)接并組合在一起，以該強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)之中的高性能服務(wù)器為基礎(chǔ)，完成裝備設(shè)施、機(jī)器構(gòu)件、涉及人員與基礎(chǔ)設(shè)備的動(dòng)態(tài)控制和管理。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)框架圖

如圖1所示，經(jīng)典物聯(lián)網(wǎng)通常是由3種層次結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，這3種層次結(jié)構(gòu)分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。在這之中，感知層是完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和對(duì)相應(yīng)通信數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初始處理的相關(guān)工作，網(wǎng)絡(luò)層則是在感知層的基礎(chǔ)之上建立更加廣闊的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)，這樣就需要更加強(qiáng)大的傳感器連接網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行更加深入的整合。建立在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)之上[5]，應(yīng)用層是通過網(wǎng)絡(luò)層接收到感知層采集到的傳感器數(shù)據(jù)，從而建立能滿足相應(yīng)需求的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)資源庫，從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)資源庫中采納相關(guān)信息進(jìn)行應(yīng)用處理，為所需的業(yè)務(wù)建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，因此可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)管理和控制的功能目的。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效控制系統(tǒng)框架圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效控制系統(tǒng)的框架圖，如圖2所示。該物聯(lián)網(wǎng)也是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層次架構(gòu)組成的。其中，感知層中集成了大量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)既能實(shí)現(xiàn)對(duì)電能相關(guān)信息，例如電流、電壓、電能、無功、有功、諧波等電能信息和用戶信息的實(shí)時(shí)采集和動(dòng)態(tài)控制，也可對(duì)電網(wǎng)的能效參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析處理。在感知層的基礎(chǔ)之上，網(wǎng)絡(luò)層主要是由大數(shù)據(jù)處理設(shè)備及與其相配套的電力載波信息通訊網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)建得到的，網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是對(duì)各個(gè)電能傳感器采集到的終端電能信息和能效參數(shù)信息進(jìn)行搜集然后進(jìn)行相應(yīng)的打包處理，并可通過電力載波信息通訊網(wǎng)絡(luò)將電能傳感器搜集到的電能參數(shù)和電網(wǎng)能效參數(shù)信息傳輸?shù)綉?yīng)用層的電網(wǎng)能效參數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制服務(wù)器上。同時(shí)，也可起到將電網(wǎng)能效參數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制服務(wù)器向下一層發(fā)送的命令信息傳送到感知層的電能傳感器終端和電網(wǎng)能效參數(shù)監(jiān)控終端之上[6-8]。電網(wǎng)能效數(shù)據(jù)處理服務(wù)器與相應(yīng)客戶端構(gòu)建成了電網(wǎng)能效控制系統(tǒng)的應(yīng)用層，組成電網(wǎng)能效數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制服務(wù)器，其的主要功能是對(duì)通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的大量客戶電能傳感器搜集到的電能質(zhì)量參數(shù)和電網(wǎng)能效參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、整理和分析，然后根據(jù)優(yōu)化算法的分析結(jié)果來采取相應(yīng)的故障診治、線損控制、能效優(yōu)化等措施進(jìn)行相應(yīng)的處理工作。

從物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成方面分析，基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效控制系統(tǒng)主要是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分構(gòu)造組成的，從工作作用角度分析，電網(wǎng)能效控制網(wǎng)絡(luò)的感知層主要作用是實(shí)時(shí)采集電能用戶端的電能參數(shù)信息和電網(wǎng)能效參數(shù)信息，網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是傳輸來自感知層采集到的電能質(zhì)量信息和電網(wǎng)效能參數(shù)信息，典型的傳輸方式為無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，電力載波信息通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)龋?dāng)前選用的主要傳輸方式是電力載波信息通信網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，電網(wǎng)能效控制系統(tǒng)的應(yīng)用層功能則是應(yīng)用大型數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)來自網(wǎng)絡(luò)層的海量電能信息和電網(wǎng)能效參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理，可最終對(duì)電網(wǎng)各終端的能效信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)能效優(yōu)化的目標(biāo)[9]。

2 電網(wǎng)能效參數(shù)指標(biāo)與物聯(lián)網(wǎng)

電網(wǎng)能效參數(shù)指標(biāo)主要是線損和線損率，所謂線損，即在電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行電能傳輸和分配時(shí)，產(chǎn)生的有功功率損耗和電能損耗，也稱為線路損失，而線損率指的是在電網(wǎng)系統(tǒng)中線損的電量與電能系統(tǒng)供電量之比，其計(jì)算公式可表示為[10]：

線損率=（線損電量/供電量）*100%=[（供電量-售電量）/供電量]*100%

線損分由可變損耗、固定損耗和不明損耗三個(gè)部分組成，在線損之中，可變損耗部分是電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行電能輸配電過程之中一定存在的，其與負(fù)荷的變化有關(guān)，隨著負(fù)荷的變動(dòng)而變動(dòng)，與電能系統(tǒng)中各個(gè)組成元件之中的負(fù)荷功率或元件的工作電流平方成正比，當(dāng)工作電流增大時(shí)可變損耗也隨之增大，因此可變損耗也被稱之為銅損。所有流過線圈的電流損耗，導(dǎo)線損耗、調(diào)相機(jī)、電抗器、互感器等的電能損耗，各種升壓變壓器、降壓變壓器及配電變壓器的銅損均是可變損耗的組成部分。

而固定損耗是不因負(fù)荷的變化而發(fā)生變化的，在電能系統(tǒng)之中，電能設(shè)備存在電壓則需消耗電能所產(chǎn)生的損失，也被稱之為鐵損和空載損耗。固定損耗從組成部分角度可分為電暈損耗、調(diào)壓器、電抗器消弧線圈鐵損，變壓器鐵損等[11]。

不明損耗通常指的是由于電網(wǎng)管理方法上的漏洞從而產(chǎn)生的損耗，計(jì)量電能裝置故障以及計(jì)量誤差、用戶竊電、電力設(shè)備絕緣不良產(chǎn)生泄露損失等均會(huì)引起不明損耗的產(chǎn)生。

3 基于遺傳算法的電網(wǎng)能效優(yōu)化方法

在基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)構(gòu)建完成之后，應(yīng)用層的服務(wù)器可接收到從網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的感知層電能傳感器的電能損耗數(shù)據(jù)，即線損和線損率，針對(duì)采集到的信息數(shù)據(jù)可應(yīng)用成熟的優(yōu)化算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后控制感知層的電能傳感器和電能設(shè)備進(jìn)行電能損耗控制，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能耗優(yōu)化控制的目的。

遺傳算法（Genetic Algorithm）是從代表問題可能潛在解集的一個(gè)種群開始的，而一個(gè)種群則由經(jīng)過基因編碼的一定數(shù)目的個(gè)體組成[12]。遺傳算法是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型，是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法[12]。每個(gè)個(gè)體實(shí)際上是染色體帶有特征的實(shí)體。染色體作為遺傳物質(zhì)的主要載體，即多個(gè)基因的集合，其內(nèi)部表現(xiàn)（即基因型）是某種基因組合，其決定了個(gè)體的形狀外部表現(xiàn)，如黑頭發(fā)的特征是由染色體中控制這一特征的某種基因組合決定的。因此，在一開始需要實(shí)現(xiàn)從表現(xiàn)型到基因型的映射即編碼工作。由于仿照基因編碼的工作復(fù)雜，通常需進(jìn)行簡(jiǎn)化，如二進(jìn)制編碼，初代種群產(chǎn)生之后，按照適者生存和優(yōu)勝劣汰的原理，逐代演化產(chǎn)生出越來越好的近似解。在每一代，根據(jù)問題域中個(gè)體的適應(yīng)度大小選擇個(gè)體，并借助于自然遺傳學(xué)的遺傳算子進(jìn)行組合交叉和變異，產(chǎn)生出代表新解集的種群。這一過程將導(dǎo)致種群像自然進(jìn)化一樣的后生代種群比前代更加適應(yīng)于環(huán)境，末代種群中的最優(yōu)個(gè)體經(jīng)過解碼，可作為問題近似最優(yōu)解[13]。遺傳算法首先構(gòu)建模型，并對(duì)問題對(duì)象進(jìn)行染色體編碼，然后初始化種群，計(jì)算個(gè)體適應(yīng)值，通過執(zhí)行遺傳算法選擇、交叉、變異等操作之后，判斷是否滿足終止條件，若滿足終止條件，則選擇結(jié)束，若不滿足終止條件，則重新進(jìn)行個(gè)體適應(yīng)值的計(jì)算，其流程圖如圖3所示。

圖3 遺傳算法流程框圖

通過基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)的構(gòu)建，對(duì)選取的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，處理某電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。應(yīng)用MATLAB仿真軟件，設(shè)計(jì)相應(yīng)的遺傳優(yōu)化算法，針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)之中的線損和線損率進(jìn)遺傳算法優(yōu)化處理，可得到優(yōu)化前后線損率變化的情況，如圖4所示。

圖4 遺傳算法處理前后線損率變化圖

根據(jù)圖 4中線損率變化的情況可知，應(yīng)用MATLAB仿真軟件，經(jīng)過遺傳優(yōu)化處理之后，電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)中的電網(wǎng)線損率平均降低48%。由此可知，應(yīng)用遺傳算法，基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效管理技術(shù)可較好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中的電網(wǎng)能效優(yōu)化處理。

4 結(jié)束語

文中針對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)中存在的容量巨大、運(yùn)行復(fù)雜、高能耗的問題，構(gòu)建適用于電網(wǎng)能效控制的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，建立用于電網(wǎng)能效控制的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，分析影響電網(wǎng)能效的線損和線損率，設(shè)計(jì)優(yōu)化線損率相應(yīng)的遺傳算法，并應(yīng)用MATLAB仿真軟件，對(duì)電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)能效管理技術(shù)可較好的降低電網(wǎng)的線損率并實(shí)現(xiàn)提高電網(wǎng)能效的目的。

[1]王濤.電網(wǎng)企業(yè)降損節(jié)能研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2008.

[2]周有學(xué).配電網(wǎng)的線損理論計(jì)算及降損措施[D].重慶:重慶大學(xué)，2001.

[3]彭濤.電網(wǎng)線損分析及降損措施 [J].科技信息，2008，21（6）:316-317.

[4]宋淑杰，范荻.城市電網(wǎng)線損分析與降損技術(shù)措施[J].華北電力技術(shù)，2008（5）:37-39.

[5]張慧穎，黃南天.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2015，32（10）:137-142.

[6]曾楊楊，陳宇晨，洪煒，等.一種基于采樣修正的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì) [J].儀表技術(shù)與傳感器，2016，12（1）:29-32.

[7]黃磊，楊維翰，許昆.基于ARM9電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集[J].電子科技，2009，22（12）:23-25.

[8]秦銀山，張國(guó)文，呂玉祥，等.基于快速傳輸海量存儲(chǔ)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [J].電子科技，2011，24（7）:68-71.

[9]管春.電能質(zhì)量綜合檢測(cè)與分析系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2011.

[10]冉兵，宋曉輝.配電網(wǎng)線損影響因素分析[J].華中電力，2009，22（6）:30-33.

[11]邢磊.電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].成都:西華大學(xué)，2013.

[12]何嘉.基于遺傳算法優(yōu)化的中文分詞研究[D].成都:電子科技大學(xué)，2012.

[13]莫漢培，陳秋良，張子臻.遺傳算法求解電力設(shè)施選址問題[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2016，18（2）:36-38.

Energy efficiency analysis and management technology of power grid based on internet of things

SHI Xiang，WANG Peng
（State Grid Power Company Marketing Qingdao，Qingdao 266002，China）

At present，the power system is being developed into a large capacity，complex operation，high energy consumption of large-scale power supply system，the power grid in the high rate of storage problems，resulting in power grid energy efficiency is low.Aiming at this problem，the Internet of things，which is used to manage the energy efficiency analysis and management，is constructed.First of all，the establishment of power energy management analysis system of perception layer，network layer and application layer，to form a networking architecture，followed by analysis of affecting electric energy energy efficiency of key factors and the relationship between things and，through the acquisition of the Internet of things to the power grid efficiency data information，design genetic algorithm optimization. Eventually，the application of MATLAB simulation software based on the networking of electric energy efficiency analysis management system analysis and simulation，the simulation results show that the power system line loss rate reduced by 48%.The technology can better improve the power system of electric energy efficiency in the use.

internet of things；energy efficiency of power grid；line loss rate；genetic algorithm；MATLAB simulation

TN911

：A

：1674-6236（2017）06-0071-04

2016-04-02稿件編號(hào)：201604023

時(shí) 翔（1975—），男，山東青島人，高級(jí)工程師。研究方向：節(jié)能及電能替代。