LPWAN技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用研究

邵 嘉，龐成鑫，盧小姣，白若琛

（上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

0 引 言

近年來，隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展、現(xiàn)代化進程的進一步加速，隨之而來的能源過度浪費等問題逐漸凸顯。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)迎來了一個開創(chuàng)性的時代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得以飛速發(fā)展。 物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，能源物聯(lián)網(wǎng)進入了蓬勃發(fā)展時期。

1 概述

1.1 國外能源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

能源物聯(lián)網(wǎng)是在能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以實現(xiàn)能量雙向流動的對等交換與共享網(wǎng)絡(luò)[1]。能源物聯(lián)網(wǎng)采用先進的物聯(lián)傳感器技術(shù)，將能源生產(chǎn)端、傳輸端、消費端的各類電氣設(shè)施銜接起來，構(gòu)成了能源互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)基礎(chǔ)[2]。

1.1.1 美國FREEDM系統(tǒng)

FREEDM系統(tǒng)是由美國北卡羅納州立大學(xué)提出的新型微型電網(wǎng)模型[3]。FREEDM系統(tǒng)與現(xiàn)有電網(wǎng)的差異在于：傳統(tǒng)電力網(wǎng)中電能的流向只是單向的，由發(fā)電廠流向用戶側(cè)。而在FREEDM系統(tǒng)中，電能的流動可以是多向的[4]，它是一個能源互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，每個電力用戶既扮演能源消費者的角色，也扮演能源供應(yīng)者的角色，而且電力用戶能夠?qū)a(chǎn)生的多余電能回賣給電力公司[5]。通過綜合管制能源的消費、傳輸和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，完成對能源的高效和綜合利用。

1.1.2 德國E-Energy計劃

E-Energy是2008年德國聯(lián)邦環(huán)境部與經(jīng)濟技術(shù)部在智能電網(wǎng)概念基礎(chǔ)上推出的一個技術(shù)創(chuàng)新促進計劃[6]。該計劃的目標(biāo)是打造一個適應(yīng)新時代的新型能源網(wǎng)絡(luò)，在能源供給體系中實現(xiàn)綜合數(shù)字化互聯(lián)以及計算機監(jiān)測和控制[7]。同時，E-Energy計劃也是德國綠色IT先鋒行動方案中極其重要的一部分。該行動計劃包含智能電網(wǎng)、智慧發(fā)電、智慧儲能和智能消費四個方面[8]。

1.1.3日本 Digital Grid

日本Digital Grid計劃是東京大學(xué)阿部力也教授于2011年提出，該計劃參與成員主要包括日立橫濱研究實驗室、日本國家儀器公司、日本電氣公司、歐力士綜合金融公司等[9]，該實驗組還成功展示了一項關(guān)鍵技術(shù)——“數(shù)字電網(wǎng)路由器”（DGR）。DGR能夠提供異步連接，協(xié)調(diào)電網(wǎng)內(nèi)部以及不同局域網(wǎng)管理用戶用電需求。智能電網(wǎng)只實現(xiàn)了模擬電力信息系統(tǒng)的數(shù)字化，而Digital Grid則實現(xiàn)了信息系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、結(jié)算系統(tǒng)的全部數(shù)字化。

1.2 國內(nèi)能源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

早在2014年，國家電網(wǎng)公司就提出了全球能源互聯(lián)網(wǎng)的概念，著力發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2015年，國家電網(wǎng)公司總裁劉振亞撰寫的《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》一書，對全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方案、技術(shù)創(chuàng)新等進行了系統(tǒng)論述[10]。同時，國內(nèi)各大科研單位對能源物聯(lián)網(wǎng)進行了研究，提出了許多具有代表性的科研成果。天合光能在基于能源物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提出了“發(fā)、儲、配、用、云”能源物聯(lián)網(wǎng)一體化解決方案——天合能源物聯(lián)網(wǎng)TrinaIoT?，F(xiàn)階段，天合光能已在多個城市部署了相關(guān)成功案例，如合肥新站區(qū)智慧能源國家示范項目、天合常州工廠智慧能源項目、馬爾代夫微電網(wǎng)項目等[11]。

2 LPWAN技術(shù)

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)中能源消耗低和通信距離長的需求而研發(fā)的一種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[12]。LPWAN技術(shù)的主要特點包括節(jié)點功耗低、傳輸距離遠、布網(wǎng)簡單、模組成本低等[13]。在LPWAN技術(shù)提出之前，現(xiàn)有的無線通信技術(shù)在低功耗和遠距離方面不可兼得，而LPWAN技術(shù)的出現(xiàn)正好彌補了現(xiàn)有無線通信技術(shù)的缺點，為物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署奠定了堅實的基礎(chǔ)。

如今，隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，在LPWAN領(lǐng)域相繼出現(xiàn)了多種無線通信技術(shù)。LPWAN技術(shù)按工作頻譜可分為如下兩類：

（1）工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，如GSM，UMTS，LTE，NB-IoT等；

（2）工作于未授權(quán)頻譜的SigFox，LoRa等技術(shù)[14]。目前，國內(nèi)外熱度最高的當(dāng)屬LoRa技術(shù)和NB-IoT技術(shù)。

LoRa是由美國Semtech公司研發(fā)的一種基于物理層調(diào)制方式的廣域網(wǎng)通信技術(shù)，LoRaWAN是針對LoRa物理層協(xié)議而設(shè)計的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議，LoRaWAN使用免費的非授權(quán)頻譜，采用異步ALOHA通信協(xié)議[15]。LoRa技術(shù)支持自主組網(wǎng)，相對于NB-IoT技術(shù)全國性的網(wǎng)絡(luò)部署而言，LoRa更適合區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)部署。

NB-IoT是一種全新的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是3GPP組織定義的國際標(biāo)準(zhǔn)[16]，可以在全球范圍內(nèi)廣泛部署，在授權(quán)的頻譜內(nèi)運營，也可直接部署在LTE網(wǎng)絡(luò)，部署成本低，具有平滑升級的能力。NB-IoT技術(shù)的主要特點包括覆蓋廣、功耗低、成本低、連接大[17]。LoRa與NB-IoT在技術(shù)上都具有其獨特的優(yōu)勢，兩者之間最大的區(qū)別在于是否工作于授權(quán)頻譜[14]。因為存在干擾等問題，基于非授權(quán)頻譜的產(chǎn)品比較容易出現(xiàn)問題，但工作于授權(quán)頻譜的產(chǎn)品需要額外付費。兩者屬性對比見表1所列。

表1 LoRa技術(shù)與NB-IoT技術(shù)對比

3 基于LPWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3.1 能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)點

能源物聯(lián)網(wǎng)是在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的新型能源監(jiān)測與管理系統(tǒng)。主要目的在于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少能源浪費、提高能源利用效率，從而改善能源物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。能源物聯(lián)網(wǎng)的基本原理是根據(jù)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)智能感知，通過自適應(yīng)調(diào)控電機、照明設(shè)備的電源及工作狀態(tài)，達到有效節(jié)電的目的。關(guān)鍵技術(shù)包含通用節(jié)電模型庫技術(shù)、傳感器技術(shù)、節(jié)電控制網(wǎng)關(guān)技術(shù)、智能人機交互配置技術(shù)等[18]。

能源物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)能源網(wǎng)相比具有獨特的創(chuàng)新點：

（1）利用傳感網(wǎng)絡(luò)采集家庭及工業(yè)用電設(shè)備的能耗信息；

（2）采用節(jié)能控制網(wǎng)關(guān)技術(shù)將變頻等電機節(jié)能技術(shù)與傳感網(wǎng)相結(jié)合，從而將節(jié)能控制統(tǒng)一在同一個平臺，實現(xiàn)與其他低壓電器的聯(lián)動；

（3）將智能照明與工業(yè)節(jié)能相結(jié)合，為居民樓房、商業(yè)建筑、工業(yè)廠房等提供通用的一體化節(jié)電方案；

（4）通用節(jié)電模型等技術(shù)使得系統(tǒng)具備精準(zhǔn)的節(jié)電控制能力；

（5）采用軟硬件相結(jié)合的方式實現(xiàn)智能控制，系統(tǒng)具有硬件速度快，軟件配置靈活等優(yōu)點[19]。

3.2 基于LPWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

基于互聯(lián)網(wǎng)概念的能源物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)可劃分為能源網(wǎng)層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)接入層、信息處理層。LPWAN技術(shù)具有低功耗、廣覆蓋、低成本的優(yōu)勢，相對于現(xiàn)階段的能源物聯(lián)網(wǎng)，基于LPWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)采集層和網(wǎng)絡(luò)接入層具有獨特優(yōu)勢，其系統(tǒng)框架如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層主要由水、電、氣等各種能源計量傳感器以及LoRa，NB-IoT終端組成，數(shù)據(jù)采集層內(nèi)的各類傳感器裝置必須具備通信功能。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給采集器，采集器將接收的數(shù)據(jù)進行匯總、儲存，并通過LoRa或者NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)通信層是能源物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的中間層，用于安全傳輸數(shù)據(jù)。基于LoRa技術(shù)的終端節(jié)點能夠與采集器直接相連組網(wǎng)，組成星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；對于距離較遠的節(jié)點，可使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為中繼器進行中繼組網(wǎng)連接。當(dāng)要實現(xiàn)長距離連接時，星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有助于延長電池壽命。利用LoRa技術(shù)進行自組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)相比其他傳統(tǒng)無線通信技術(shù)具有更多優(yōu)點。在傳統(tǒng)的無線組網(wǎng)方式中，數(shù)據(jù)均按照特定鏈路連接方式傳輸，一旦傳輸過程中有節(jié)點出現(xiàn)故障，那么與它相關(guān)的所有節(jié)點都會隨之癱瘓[20]。在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點沒有相關(guān)聯(lián)的專用網(wǎng)關(guān)，相反，一個節(jié)點可以向多個網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)。每個網(wǎng)關(guān)把從終端節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)通過一些回程（以太網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)、衛(wèi)星等）轉(zhuǎn)發(fā)到基于云計算的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)整理和分析[21]。

4 LPWAN技術(shù)能源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、送變電線路、供配電所和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費系統(tǒng)[22]。每個環(huán)節(jié)的作用至關(guān)重要，通過兩個案例來分析LPWAN技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。

4.1 輸電環(huán)節(jié)

輸電環(huán)節(jié)是電力系統(tǒng)中極其關(guān)鍵的一部分，為確保電力能源安全可靠的輸送，在電力輸送環(huán)節(jié)中往往會部署一些監(jiān)測設(shè)備，對輸電系統(tǒng)中的環(huán)境因素進行監(jiān)測和分析，如電壓等級、溫度、濕度等。輸電環(huán)節(jié)監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測點眾多、高度分散、分布范圍廣、條件惡劣等特點[23]，使用傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)無法滿足對輸電環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測的需求?；贚PWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)可以滿足各類監(jiān)測傳感器的長距離、低成本、長壽命、易維護等要求，使得基于LPWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用成為可能。應(yīng)用一般包括四個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 基于LPWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架圖

整體架構(gòu)主要分為三層，從下到上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

（1）感知層是系統(tǒng)的最底層，負責(zé)輸電線路信息的采集，由各類傳感器組成，通過RS 485接口與LoRa射頻模塊相連，發(fā)送數(shù)據(jù)；

（2）網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是把感知層采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)安全、可靠地傳輸給應(yīng)用層；

（3）應(yīng)用層的主要任務(wù)是對網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行儲存、整理和分析，實現(xiàn)對輸電網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)測。

圖2 基于LPWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用系統(tǒng)框圖（智能監(jiān)控輸電網(wǎng)絡(luò)解決方案）

4.2 用電環(huán)節(jié)

在社區(qū)云平臺設(shè)置電氣防災(zāi)功能模塊，實現(xiàn)社區(qū)內(nèi)各類電器設(shè)備的防災(zāi)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析和高級應(yīng)用。社區(qū)云通過電信公用通信網(wǎng)、智慧社區(qū)通信網(wǎng)等與物聯(lián)網(wǎng)、相關(guān)部門、居民進行信息互聯(lián)互通。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于LPWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在用電環(huán)節(jié)的應(yīng)用系統(tǒng)框圖（智慧社區(qū)用電解決方案）

基于LPWAN技術(shù)的能源物聯(lián)網(wǎng)可采用電信運營商的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，包括NB-IoT，eMTC，4G/5G等，也可根據(jù)需要自建覆蓋本社區(qū)的專用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如LoRa網(wǎng)絡(luò)等。能源物聯(lián)網(wǎng)可通過與電氣防災(zāi)傳感器或終端通信，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)信息的采集。

在社區(qū)內(nèi)各類配用電設(shè)備處部署智能剩余電流電氣探測器、智能溫感、故障電弧檢測器等電氣防災(zāi)物聯(lián)網(wǎng)終端或傳感器，實現(xiàn)電氣設(shè)備的漏電、過載、超溫、電弧、起火等異常情況數(shù)據(jù)采集和上傳。部分重點配電箱和高風(fēng)險配電箱安裝智能電力儀表、智能開關(guān)、智能漏電保護器，采集供電線路供電電壓、電流、功率、電量、漏電狀態(tài)等，可實現(xiàn)遠程控制，自動斷開供電等，配合云平臺實現(xiàn)智慧用電。各種物聯(lián)網(wǎng)傳感智能終端或智能傳感器應(yīng)具備物聯(lián)網(wǎng)通信連接能力，方便接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與社區(qū)云平臺的互聯(lián)互通。

5 結(jié) 語

能源物聯(lián)網(wǎng)是基于“互聯(lián)網(wǎng)+”理念，結(jié)合目前電網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)能源和信息深入融合的新型能源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本文討論LPWAN技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)體系中的應(yīng)用，實現(xiàn)對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與按需采集，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過LoRa終端節(jié)點和LoRa網(wǎng)絡(luò)安全傳輸給云端，在云端進行數(shù)據(jù)存儲和處理?；贚PWAN的能源物聯(lián)網(wǎng)可以實時監(jiān)測電網(wǎng)中的能源消耗，實現(xiàn)對電網(wǎng)電能的實時調(diào)度。能源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以有效緩解目前能源浪費嚴重、能源短缺等問題?；贚PWAN的能源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用不僅提升了能源的使用效率，而且還響應(yīng)了智慧城市的發(fā)展要求。