泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景

周海萍 饒璐 章燕

【摘 ?要】建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)的必要手段。從電力系統(tǒng)發(fā)展歷程和面臨的問題出發(fā)，論述了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的意義，提出了實(shí)施策略和可能遇到的問題。為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，風(fēng)電光電等可再生能源裝機(jī)容量不斷增加。這些能源的隨機(jī)性給電力系統(tǒng)的功率平衡造成巨大壓力，有時(shí)不得不棄掉一部分風(fēng)電光電。為了維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、提高風(fēng)電光電的利用率，必須對可控負(fù)荷和分散式發(fā)電進(jìn)行控制。因此，需要用互聯(lián)網(wǎng)連接可控負(fù)荷和分散式發(fā)電，形成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。常規(guī)發(fā)電廠、大型風(fēng)電場、光電站等已經(jīng)和電力系統(tǒng)連接了，調(diào)度可以直接控制。因此，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)主要任務(wù)是連接負(fù)荷和分散式發(fā)電，尤其是可控負(fù)荷。電動(dòng)汽車是可控負(fù)荷中最容易實(shí)現(xiàn)可控的，其次是熱水器、電熱鍋爐和空調(diào)等。利用泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，協(xié)同控制風(fēng)電光電、可控負(fù)荷、分散式發(fā)電等，可以提高風(fēng)電光電利用率，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】電力物聯(lián)網(wǎng);關(guān)鍵技術(shù);應(yīng)用前景

1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念

1.1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的定義

泛在物聯(lián)是指任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物之間的信息互聯(lián)和交互。而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是指電力用戶及其設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及其設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及其設(shè)備、供應(yīng)商及其設(shè)備、以及人和物的信息互聯(lián)和交互。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)各種信息傳感設(shè)備與通信信息資源的共享，從而形成具有自我標(biāo)識、感知和智能處理的物理實(shí)體。實(shí)體之間的協(xié)同和互動(dòng)，使得有關(guān)物體相互感知和反饋控制，形成一個(gè)更加智能的電力生產(chǎn)、生活體系。

1.2泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)

發(fā)揮泛在物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢是其建設(shè)的主要目標(biāo)。電力數(shù)據(jù)來源各異，包含控制、計(jì)量、監(jiān)測等不同類型、不同時(shí)空尺度，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析及深度挖掘，是其首要建設(shè)目標(biāo)。電力數(shù)據(jù)服務(wù)對象不同，打破數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)貫通是其第二階段建設(shè)目標(biāo)。最終將電力數(shù)據(jù)應(yīng)用于各行各業(yè)，推廣不同行業(yè)廣泛參與的商業(yè)模式是其最終建設(shè)目標(biāo)?？梢灶A(yù)見，隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，以機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)為代表的大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)等數(shù)據(jù)知識挖掘技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展。

2泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1智能芯片

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來越多的計(jì)量、保護(hù)、變換、控制、監(jiān)測、用電等設(shè)備接入電力系統(tǒng)，各種電力設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，目前多數(shù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備仍然基于傳動(dòng)的工業(yè)采集裝置，數(shù)據(jù)可靠性差，精度低，也使得終端設(shè)備的智能化程度低，而基于智能芯片的微型智能傳感及智能終端可以充分解決這一問題，其具備高精度、低功耗、微型化、智能計(jì)算的特點(diǎn)，一方面可以完成設(shè)備信息的采集、提取及傳遞;另一方面通過本地邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)終端智能化，完成本地自控，從而無需像傳統(tǒng)設(shè)備一樣只具備遙測搖信功能而不具備遙控功能。近年來，谷歌開發(fā)的EdgeTPU芯片、中科院開發(fā)的“寒武紀(jì)”芯片都具備海量數(shù)據(jù)處理與邊緣計(jì)算的能力，這些智能芯片的出現(xiàn)將快速促進(jìn)終端的全息感知與智能化。

2.25G與與LPWA

海量電力數(shù)據(jù)的傳遞需要一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。電力系統(tǒng)地域分布廣泛，往往涉及高山、森林、冰原等復(fù)雜環(huán)境，致使通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋全部，現(xiàn)場數(shù)據(jù)難以傳輸。現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)有2類主流技術(shù)：一類是工業(yè)以太網(wǎng)和電力載波為主的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另一類是以5G和低功耗廣域網(wǎng)（LPMA）為主的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)分布廣，分散性強(qiáng)，部分不易供電，連接難，采集頻次低[22]，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)難以適用，因此以無線網(wǎng)絡(luò)為主的現(xiàn)代通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的主要手段。

5G被視為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。基于不同場景的5G切片網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)被認(rèn)為是解決電力系統(tǒng)全息感知、泛在連接的關(guān)鍵所在。對于智能分布式配電自動(dòng)化、毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制等控制類業(yè)務(wù)，可以選擇具有超低時(shí)延的URLLC切片;對于海量用電信息采集、智能汽車充電站/樁、分布式電源接入等信息采集類業(yè)務(wù)可以選擇mMTC海量機(jī)器類通信接入切片;對于需要高清視頻回傳的輸變電線路狀態(tài)監(jiān)控、無人機(jī)遠(yuǎn)程巡檢、變電站機(jī)器人巡檢等現(xiàn)場業(yè)務(wù)，可以選擇eMBB增強(qiáng)移動(dòng)帶寬切片;對于需要語音信息的調(diào)度電話、管理電話、應(yīng)急通信等，可以選擇具有高安全、高可靠、高接通率和高清通話質(zhì)量保障的為Voice語音切片。針對不同的應(yīng)用場景，5G切片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以選擇不同的切片，在5G網(wǎng)絡(luò)通道上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并接入同樣的5G數(shù)據(jù)平臺。

2.3物聯(lián)網(wǎng)平臺

隨著電力系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)接入一體化數(shù)據(jù)平臺，通過對大量數(shù)據(jù)的合理分析、深層挖掘，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電力信息的有效利用。一體化數(shù)據(jù)平臺應(yīng)當(dāng)具備大數(shù)據(jù)處理和云端計(jì)算，以及實(shí)現(xiàn)風(fēng)光預(yù)測、電力系統(tǒng)故障診斷等的人工智能能力。目前百度的“天工”智能物聯(lián)網(wǎng)平臺，移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺，阿里link物聯(lián)網(wǎng)平臺等一體化數(shù)據(jù)平臺相繼在生產(chǎn)實(shí)踐中展開應(yīng)用。移動(dòng)OneNET與“Hi”電展開合作，協(xié)助其解決“設(shè)備狀態(tài)檢測”、“設(shè)備位置監(jiān)管”、“設(shè)備信息管理”、“反向控制設(shè)備”等問題;阿里云于無錫鴻山打造首個(gè)物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)，實(shí)現(xiàn)小鎮(zhèn)交通、環(huán)境、水務(wù)、能源等多個(gè)城市管理項(xiàng)目的在線運(yùn)營。對于實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)一體化平臺的搭建，必須結(jié)合“大數(shù)據(jù)+云計(jì)算+人工智能”的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的使命

智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)相輔相成、融合發(fā)展，形成強(qiáng)大的價(jià)值創(chuàng)造平臺，共同構(gòu)成能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流“三流合一”的能源互聯(lián)網(wǎng)。從三代電力系統(tǒng)發(fā)展歷程可見，能源轉(zhuǎn)型是必須的。發(fā)展風(fēng)電和光電是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)的必要手段。風(fēng)電光電比例增加導(dǎo)致了棄風(fēng)棄光，為了實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)，必須減少棄風(fēng)棄光。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)要解決的主要問題就是如何減少棄風(fēng)棄光，提高新能源利用率，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)。風(fēng)電場、光電站、火電廠、水電廠和大型用戶等已經(jīng)和調(diào)度連接了，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)主要是連接用戶和分散發(fā)電，尤其是可控負(fù)荷用戶。把可控負(fù)荷和分散發(fā)電有效控制起來，以實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷協(xié)同，減少棄風(fēng)棄光。

4風(fēng)險(xiǎn)防范

4.1泛在電力物聯(lián)必須保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和對用戶的安全可靠供電，尤其是網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)的防范。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是信息物理系統(tǒng)（CPS），但其職能是在實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)的過程中提供安全可靠的電能。泛在電力物聯(lián)的同時(shí)必須考慮安全防范措施，做到安全措施與泛在電力物聯(lián)同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投入運(yùn)行。

4.2提高效率和使用方便是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)獲得社會(huì)認(rèn)可和積極使用的基礎(chǔ)。泛在電力物聯(lián)應(yīng)該為用戶帶來便利。不是根據(jù)實(shí)際需要的大規(guī)模建設(shè)和不成熟技術(shù)的廣泛推廣，都可能造成巨大的浪費(fèi)。

結(jié)語

本文將發(fā)電側(cè)與用戶側(cè)數(shù)據(jù)資源納入現(xiàn)有以電網(wǎng)數(shù)據(jù)為主的電力物聯(lián)網(wǎng)中，提出了具有終端泛在接人、平臺開放共享、計(jì)算云霧協(xié)同、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)、應(yīng)用隨需定制等特征的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念，構(gòu)建了涵蓋感知延伸層、邊緣計(jì)算層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層與平臺應(yīng)用層在內(nèi)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)，并結(jié)合電力系統(tǒng)常規(guī)業(yè)務(wù)與能源互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)態(tài)的發(fā)展需求，從功能設(shè)計(jì)與建設(shè)時(shí)序兩方面，提出了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施方案建議。本文所提架構(gòu)與實(shí)施方案有望為能源互聯(lián)網(wǎng)新一代信息通信系統(tǒng)的建設(shè)提供一種可行的技術(shù)選擇。需要指出，本文主要僅從平臺功能層面設(shè)計(jì)了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施方案，如何結(jié)合人工智能、5G通信、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，從技術(shù)層面提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的解決方案是下一步研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周孝信，陳樹勇，魯宗相，等.能源轉(zhuǎn)型中我國新一代電力系統(tǒng)的技術(shù)特征[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38（7）：1893-1904，2205.

（作者單位：國網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司）