基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統(tǒng)

鄭濤 孫剛 張暉

摘要

文章給出一種基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統(tǒng)，綜合運(yùn)用NB-IoT技術(shù)結(jié)合WEBGIS技術(shù)，通過采集電力設(shè)備電壓、電流、電量、環(huán)境、工況、臺(tái)帳等信息，將各種孤立的能源信息進(jìn)行有效的整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力節(jié)能設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，合理選擇統(tǒng)計(jì)方法和分析模型對(duì)設(shè)備能效進(jìn)行評(píng)估，并且通過WEBGIS形象直觀地展示了電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系及電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，該系統(tǒng)的建設(shè)不僅提高了能源管理水平，而且實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)企業(yè)節(jié)能減排任務(wù)，加快配電網(wǎng)建設(shè)和智能化改造，全面提升了配電變壓器能效水平.

【關(guān)鍵詞】NB-IoT WEBGIS 節(jié)能服務(wù) 電網(wǎng)建設(shè) 能效水平

目前，智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均被提升到國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略層面，如何將這兩者進(jìn)行結(jié)合起來是電力發(fā)展中要解決的重要問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指的是通過網(wǎng)絡(luò)將人與物、物與物互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息交互的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其作為“智能信息的感知末端”，將逐步深入到電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，形成“智慧能源物聯(lián)網(wǎng)”。智慧能源物聯(lián)網(wǎng)可以全面地提高智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的信息的感知深度、廣度及密度，促進(jìn)并推運(yùn)智慧能源的發(fā)展。文章綜合運(yùn)用NB-IoT技術(shù)結(jié)合WEBGIS技術(shù)，通過采集電力節(jié)能設(shè)備電壓、電流、電量、環(huán)境、工況、臺(tái)帳等信息，對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，合理選擇統(tǒng)計(jì)方法和分析模型對(duì)設(shè)備能效進(jìn)行評(píng)估，并且通過WEBGIS形象直觀地展示了電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系及電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，建設(shè)基于NB-IoT的WEBGIS節(jié)能服務(wù)管理系統(tǒng)，在一定程度上解決了能源管理水平，初步形成“智慧能源物聯(lián)網(wǎng)”。

1 NB-IoT

與傳統(tǒng)的蜂窩通信不同，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有支持海量連接數(shù)、低終端成本、低終端功耗和超強(qiáng)覆蓋能力等特殊需求?；诜涓C的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180KHz的頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間短、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。據(jù)說NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。NB-IoT解決了深度覆蓋、低功耗、低成本、大連接的物聯(lián)網(wǎng)需求，未來還可以進(jìn)一步升級(jí)滿足5G需求。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

由于目前現(xiàn)有電力節(jié)能設(shè)備在采集終端上存在著盲區(qū)，比如客戶服務(wù)單一、信息量少，系統(tǒng)內(nèi)部存在信息孤島，并缺乏信息共享，不能構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)的完整的有機(jī)統(tǒng)一體，所以在目前情況下能源管控系統(tǒng)智能化程度還不夠局。

針對(duì)以上情況搭建基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統(tǒng)，是利用物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)全面感知，全實(shí)時(shí)的“智慧能源”系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境感知性、多業(yè)務(wù)和多網(wǎng)絡(luò)融合性有效地植入能源管控系統(tǒng)中，從而解決數(shù)據(jù)采集盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力節(jié)能設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控及雙向互動(dòng)，并通過WEBGIS技術(shù)形象直觀地展示給業(yè)務(wù)人員。

基于NB-IoT的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

電力節(jié)能設(shè)備終端通過NB-IoT模塊連接到基站，IoT核心網(wǎng)承擔(dān)終端與非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺(tái)進(jìn)行處理，IoT平臺(tái)匯聚從各接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)大體可以分為三層，由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層三層組成?；贜B-IoT的WEBGIS能源管控系統(tǒng)的應(yīng)用功能框架根據(jù)各大環(huán)節(jié)不同提出了不同的應(yīng)用需求，根據(jù)系統(tǒng)的不同階段完成的功能，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的模型將系統(tǒng)分為三層，如圖2所示。

感知層包括三相不平衡裝置、無功協(xié)調(diào)控制柜、串聯(lián)無功補(bǔ)償裝置、10kV線路并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置，低壓雙向電力電子調(diào)壓器等電力節(jié)能設(shè)備傳感器終端;網(wǎng)絡(luò)層基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，包含接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)，分別實(shí)現(xiàn)接入和傳輸功能，負(fù)責(zé)將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸?shù)綉?yīng)用層;應(yīng)用層功能有兩個(gè)方面一方面是數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的處理，另一方面是能源管控方面的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)能源管控運(yùn)行的環(huán)節(jié)中，對(duì)電力節(jié)能設(shè)備數(shù)據(jù)的采集需要依托信息的感知、安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸、低功耗的、低成本的、大連接的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于NB-IoT的技術(shù)恰好在多種場(chǎng)合滿足能源管控的需求。

基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)：可以使設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)電力能源的消耗及數(shù)量進(jìn)行全面的掌握;對(duì)電力節(jié)能設(shè)備信息進(jìn)行管理;對(duì)節(jié)能量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和分析從而提高能源管理水平。針對(duì)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)，現(xiàn)將系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

客戶端：用于訪問應(yīng)用系統(tǒng)和處理人機(jī)交互的客戶端，包括瀏覽器、桌面應(yīng)用程序、無線應(yīng)用等。

展示控制層：在J2EE技術(shù)體系，并采用MVC應(yīng)用框架，由界面控制器組件、界面操作組件、JSP頁面組件和服務(wù)代理單元組成。其中界面的顯示由JSP網(wǎng)頁組件及WEBGIS展示組件完成，網(wǎng)頁上的具體操作由界面操作組件通過服務(wù)代理單元調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的具體服務(wù)來完成，由界面控制器組件負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)用不同的界面操作組件和JSP網(wǎng)頁組件。

業(yè)務(wù)邏輯層：用于部署業(yè)務(wù)邏輯組件，可細(xì)分為業(yè)務(wù)處理邏輯組件和基礎(chǔ)應(yīng)用支撐組件。

業(yè)務(wù)處理邏輯：具體的業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)，總體上包括運(yùn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、防真分析、項(xiàng)目管理、資產(chǎn)管理、系統(tǒng)支撐等業(yè)務(wù)處理邏輯。應(yīng)用支撐：為各個(gè)組件提供統(tǒng)一共享的公共服務(wù)和平臺(tái)支撐，包括參數(shù)配置、權(quán)限控制、查詢服務(wù)、報(bào)表服務(wù)、圖形服務(wù)、統(tǒng)計(jì)服務(wù)等，提高系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性，此外還提供統(tǒng)一的集成服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與其它業(yè)務(wù)應(yīng)用的全面集成，使得整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)整體。

數(shù)據(jù)服務(wù)層：數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)映射層和數(shù)據(jù)源構(gòu)成，數(shù)據(jù)映射層完成對(duì)數(shù)據(jù)源的訪問封裝，并使得業(yè)務(wù)邏輯層的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更集中于系統(tǒng)本身的功能。同時(shí)，數(shù)據(jù)映射層的存在屏蔽了業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式的依賴，使應(yīng)用系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 WEBGIS在系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力節(jié)能設(shè)備只有在地理圖上建立了模型，才能準(zhǔn)確地描述各電力節(jié)能設(shè)備與系統(tǒng)及WEBGIS模塊之間通過數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)之間的關(guān)系并進(jìn)行集成展示，從而實(shí)現(xiàn)有效的對(duì)節(jié)能設(shè)備的管理，達(dá)到能源管控的目標(biāo)。由于電力節(jié)能設(shè)備傳感器上能夠發(fā)送GPS定位信息，所以電力節(jié)能設(shè)備在地圖上的模型就很容易建立。

系統(tǒng)中WEBGIS功能層分為三層，底層為數(shù)據(jù)層包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù);中間層為GIS服務(wù)層，該層提供數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)，數(shù)據(jù)服務(wù)向上層操作提供空間數(shù)據(jù)，功能服務(wù)向上層提供對(duì)空間數(shù)據(jù)的處理和操作功能。最上層為WEB服務(wù)層，WEB服務(wù)對(duì)GIS服務(wù)層的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為用戶提供查詢展示等功能。

WEBGIS在能源管控系統(tǒng)中的應(yīng)用，使WEB系統(tǒng)可以與GIS進(jìn)行整合，系統(tǒng)用戶可以通過網(wǎng)頁就可以查看電力節(jié)能設(shè)備的位置、狀態(tài)信息、節(jié)能量等信息及對(duì)各種空間數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和分析，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的增值服務(wù)。

WEBGIS模塊系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

6 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，利用先進(jìn)的NB-IoT技術(shù)，結(jié)合地理信息WEGGIS技術(shù)建立通暢、穩(wěn)定、高速、安全可靠的能源管控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能效管理的保障和趨勢(shì)。文章充分考慮了能源管控的應(yīng)用需求，提出了基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，在電力節(jié)能設(shè)備終端實(shí)現(xiàn)了全方位的信息采集，通過安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，系統(tǒng)通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理分析，并通過WEBGIS進(jìn)行展示，結(jié)合評(píng)估模型對(duì)能效進(jìn)行有效評(píng)估，在一定程度上解決了能源管理水平，初步形成“智慧能源物聯(lián)網(wǎng)”，既滿足了客戶需求，又適應(yīng)了未來的發(fā)展。

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