煤改電智能服務(wù)研究與應(yīng)用

張祿，李香龍，朱潔，于希娟，陸斯悅，陳少坤

(1.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100075； 2.北京恒華龍信數(shù)據(jù)科技有限公司，北京 100088)

0 引 言

氣候惡化是當(dāng)今影響最為深遠(yuǎn)的全球性問題，在北方居民的冬季取暖推行清潔取暖方法，是農(nóng)村用戶采暖方式的重大變革，是優(yōu)化人民生活方式的重要方式[1-5]。

目前“煤改電”工程也存在各區(qū)域?qū)嵤┻M(jìn)度分離，工程統(tǒng)一管控困難；對改造成果監(jiān)管評價(jià)難；以及在農(nóng)村“煤改電”推廣過程中，供暖季會出現(xiàn)負(fù)荷增長、負(fù)荷波動加大、三相不平衡加重等問題，影響電網(wǎng)線路設(shè)備，出現(xiàn)運(yùn)行安全問題；以及在為用戶安裝前存在采暖方案選取、運(yùn)行中存在用戶采暖效果狀況監(jiān)測、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測，用戶用電策略推薦等問題，難以為用戶提供更多決策支撐等問題。需要提出新的設(shè)計(jì)理念[6-7]。為有效管控“煤改電”工程，監(jiān)測清潔采暖用能情況，積極引導(dǎo)電采暖用戶有序用電，保證用電安全性，亟須適應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和互聯(lián)互通。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)具備通過智能設(shè)備采集居民采暖數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)的能力。電力消費(fèi)者需求呈現(xiàn)多樣化趨勢，電網(wǎng)已不再是傳統(tǒng)意義上的單一的傳輸功能，而是增加了多種社會元素，承載了多種數(shù)據(jù)信息，承擔(dān)了更多的社會責(zé)任，建設(shè)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”勢在必行?；凇懊焊碾姟敝悄芊?wù)平臺為電力用戶、電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行和新業(yè)務(wù)新模式發(fā)展，為企業(yè)生態(tài)環(huán)境構(gòu)建提供信息和決策支持，是在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)簡介

國家電網(wǎng)公司在2019年兩會報(bào)告中提出建設(shè) “泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略[8-12]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基于通信技術(shù)的全業(yè)務(wù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，應(yīng)用移動終端、人工智能等先進(jìn)的信息和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的環(huán)節(jié)互聯(lián)、人機(jī)交互，建設(shè)電力智慧服務(wù)系統(tǒng)[13-15]。

2 智能采集與通訊

2.1 智能采集與通訊方案

智能采集與智能技術(shù)是利用智能化的現(xiàn)代手段獲取信息，并將采集的信息進(jìn)行通訊傳輸?shù)碾娮有畔⒓夹g(shù)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的不斷成熟和飛速發(fā)展，現(xiàn)代通信傳輸技術(shù)種類也復(fù)雜多樣，本項(xiàng)目中的實(shí)施區(qū)域跨度大、地形復(fù)雜、通信基礎(chǔ)良莠不齊，煤改電工程推進(jìn)過程中，各地區(qū)電采暖設(shè)備品牌不一、型號多樣，通過結(jié)合地理位置、地貌特征、設(shè)備情況綜合分析，針對不同地區(qū)用戶分別選取適合中、遠(yuǎn)距離進(jìn)行信息傳遞的Wi-Fi、ZigBee、PLC實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)傳輸匯聚[16-19]，通過對LoRaWAN、WiFi、PLC、NB-IoT、4G等多種通信方案及其組合方案的物理特性試驗(yàn)對比(表1)和優(yōu)缺點(diǎn)對比分析(表2)，提出了采用國內(nèi)和行業(yè)范圍比較先進(jìn)的NB-IoT和LoRaWAN兩種通信技術(shù)進(jìn)行用戶端到平臺層數(shù)據(jù)通信傳輸方案，通過通信質(zhì)量監(jiān)測試驗(yàn)驗(yàn)證了這種組合技術(shù)的穩(wěn)定性和安全性。通過綜合判斷推薦適合“煤改電”場景的“基于多種組合通信方案”的智能化通信網(wǎng)絡(luò)層穩(wěn)定性組合策略，解決了“煤改電”數(shù)據(jù)高頻采集傳輸困難、大規(guī)模推廣成本高等難題。

2.2 智能采集終端

信息智能化采集的實(shí)現(xiàn)必須以智能終端電子設(shè)備為基礎(chǔ)，因此，研發(fā)兼容多種通信協(xié)議和多網(wǎng)融合的電采暖智能采集終端和溫濕度智能采集終端。通過在用戶家中安裝研發(fā)的分布式智能終端(圖1～圖3)，采用多種無線、有線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了與采暖用戶家中多種取暖方式、各種品牌、各類型號的電采暖設(shè)備全面兼容與信息傳輸[20]，并兼顧功耗、成本、存儲空間等因素，實(shí)現(xiàn)用能數(shù)據(jù)和采暖數(shù)據(jù)的5 min高頻精準(zhǔn)采集。

表1 不同采集通訊方案物理特性對比

表2 不同采集通信方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

圖1 煤改電智能采集設(shè)備：家庭智能網(wǎng)關(guān)

圖2 煤改電智能采集設(shè)備：溫濕度無線采集器

圖3 煤改電智能采集設(shè)備：溫濕度采集智能插座

3 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的煤改電智能服務(wù)云平臺

如圖4所示，煤改電智能服務(wù)平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，踐行“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略，感知層通過在用戶安裝智能采集終端，傳輸層通過LORAWAN和NB-IOT網(wǎng)絡(luò)通道，將用戶電壓、電流、功率、電量、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_層，在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析。從用戶側(cè)源頭進(jìn)行問題發(fā)現(xiàn)、問題跟蹤，從管理側(cè)進(jìn)行問題治理。以“煤改電”智能服務(wù)為基礎(chǔ)保障、以優(yōu)化流程規(guī)范固化機(jī)制為制度保障、以煤改電實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺發(fā)布倒逼服務(wù)提升和運(yùn)維為監(jiān)督保障、以物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為技術(shù)保障，解決“煤改電”管理中的電網(wǎng)安全、投訴、運(yùn)維問題。

3.1 平臺整體架構(gòu)

針對“煤改電”應(yīng)用場景，搭建具備海量數(shù)據(jù)存儲功能、集成“煤改電”分析挖掘算法的分布式、多節(jié)點(diǎn)平臺架構(gòu)的大數(shù)據(jù)分析與管理平臺。平臺建設(shè)過程中應(yīng)用了分布式的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)[21]，基于集群式的服務(wù)架構(gòu)[22]，以HDFS為存儲核心[23]，結(jié)合Hive與Impala，搭建具備海量數(shù)據(jù)存儲功能、集成“煤改電”分析挖掘算法的分布式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對“煤改電”數(shù)據(jù)的管理、快速查詢及大數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用5臺集群服務(wù)器，搭建9個(gè)節(jié)點(diǎn)，具備CPU80核，內(nèi)存544 GB，硬盤78.2 TB，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)治理、存儲、計(jì)算、分析能力，應(yīng)用Zookeeper，實(shí)現(xiàn)集群高可用，保證平臺的平穩(wěn)運(yùn)行。通過構(gòu)建的分布式一體化泛在電力物聯(lián)網(wǎng)平臺，全面監(jiān)測“煤改電”用戶采暖數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)。

圖4 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的煤改電智能服務(wù)平臺框架

煤改電智能服務(wù)平臺整體分為感知及傳輸層、數(shù)據(jù)存儲及交互層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、展現(xiàn)層4層架構(gòu)[24](見圖5)。

圖5 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的煤改電智能服務(wù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知及傳輸層：采用環(huán)境監(jiān)測儀、電壓電流監(jiān)測設(shè)備、電采暖監(jiān)測設(shè)備的多種監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測并采集居民市內(nèi)及實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，通過4G或者無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)存儲及交互層：對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后存儲，數(shù)據(jù)庫中涵蓋采暖用戶家庭數(shù)據(jù)、采暖消耗的電力數(shù)據(jù)、各類設(shè)備數(shù)據(jù)、戶內(nèi)采暖溫度數(shù)據(jù)、外部環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、日志告警及其他數(shù)據(jù)等?；诜涸陔娏ξ锫?lián)網(wǎng)的煤改電智能服務(wù)平臺與其他系統(tǒng)或外部系的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)層進(jìn)行交互。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：在這一層是針對用戶業(yè)務(wù)的具體的的功能模塊，分為WEB端和移動端兩部分。WEB端包含地圖展示、工程概況、智能監(jiān)測、用戶檔案、綜合管理、節(jié)能成效、大屏展示、系統(tǒng)功能8部分。

展現(xiàn)層：展現(xiàn)層是用戶直接交互的界面，用戶可通過終端直接訪問，操作煤改電智能服務(wù)平臺。支持通過Web展示和通過移動端訪問兩種方式。

3.2 平臺功能

煤改電智能服務(wù)平臺通過硬件采集電采暖設(shè)備的運(yùn)行、檢修數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室用電數(shù)據(jù)，以及當(dāng)?shù)貧庀蟓h(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)對煤改電覆蓋區(qū)域的統(tǒng)一監(jiān)測與管理，并用可視化手段進(jìn)行直觀的展示。包括地圖展示、工程概況、智能監(jiān)測、用戶管理、設(shè)備管理、大數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理、移動端管理8個(gè)部分。

(1)地圖展示

利用地圖接口與經(jīng)緯度相互結(jié)合的方法獲取居民用戶和采集設(shè)備的地理信息，在地圖上進(jìn)行整體分布展示。在地圖的基礎(chǔ)操作、用戶查詢、村莊查詢、設(shè)備查詢的同時(shí)浮動圖表都會進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動。

(2)工程概況

本模塊中展示“煤改電”工程的整體進(jìn)度，支持進(jìn)行工程計(jì)劃實(shí)時(shí)查看，用戶根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行進(jìn)度填報(bào)，展示“煤改電”工程的整體技術(shù)方案、煤改電工程整體進(jìn)度管理、各區(qū)域安裝進(jìn)度管理、典型用戶示范。

(3)智能監(jiān)測

煤改電智能服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)了示范區(qū)域用戶采暖設(shè)備、室內(nèi)環(huán)境、外部環(huán)境的綜合監(jiān)測，包含用戶家庭基礎(chǔ)信息監(jiān)測(圖6)、用戶用能實(shí)時(shí)監(jiān)測、用戶采暖效果實(shí)時(shí)監(jiān)測(圖7)。通過采集設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備將居民的用電用能信息和環(huán)境信息進(jìn)行采集并上傳至煤改電智能服務(wù)平臺，監(jiān)測項(xiàng)包括電壓、電流、電量數(shù)據(jù)監(jiān)測，對采暖設(shè)備的出/回水溫度等參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測，此外還包括室內(nèi)溫濕度、室外氣溫、濕度和PM2.5等信息，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對“煤改電”區(qū)域家庭的智能監(jiān)測管理。

圖6 用戶信息智能監(jiān)測

圖7 采暖效果和用電信息智能監(jiān)測

(4)用戶管理

本模塊對用戶信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，按照所屬區(qū)域(區(qū)縣、鎮(zhèn)、村)以目錄樹的形式進(jìn)行管理，可以進(jìn)行不同用戶用電信息、溫度信息等監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行查詢。

(5)設(shè)備管理

設(shè)備管理模塊有電采暖設(shè)備管理、采集設(shè)備管理、通信設(shè)備管理、設(shè)備資料管理4部分。

(6)大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)分析模塊是基于采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合業(yè)務(wù)應(yīng)用，利用專業(yè)的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法構(gòu)建算法模型，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析及預(yù)測。包含采暖電量分析，采暖效果綜合分析、清潔節(jié)能成效分析用能預(yù)測、采暖費(fèi)用及補(bǔ)貼分析等。

(7)系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是對系統(tǒng)運(yùn)行起到支撐運(yùn)行的關(guān)鍵項(xiàng)功能進(jìn)行管理配置，覆蓋使用人員、使用授權(quán)、關(guān)聯(lián)關(guān)系、等級劃分等。

(8)移動端應(yīng)用

除了PC應(yīng)用外，煤改電”智能服務(wù)平臺還有移動app，可以直接在移動端安裝登錄。工作人員可以用手機(jī)進(jìn)行登錄，隨時(shí)隨地查看煤改電用戶的興趣點(diǎn)分析、用電智能監(jiān)測情況、節(jié)能效果、大數(shù)據(jù)分析成果。

4 智能分析與應(yīng)用

借助基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的煤改電智能服務(wù)平臺，通過選取某省份200戶典型煤改電用戶，對典型用戶2018～2019采暖季的用電數(shù)據(jù)和電費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算和分析。

4.1 電量分析

2018～2019年采暖季，“煤改電”用戶采暖季戶均總用電量7 609.68千瓦時(shí)，戶均日用電量為50.4千瓦時(shí)，采暖季戶日均用電電量為采暖季前8.19倍。采暖季谷段戶均總用電量4 467.53千瓦時(shí)，在谷段居民用戶平均每一天消耗29.59千瓦時(shí)電量，占每天總用電量的比例是58.71%[23-24]。

4.2 電費(fèi)分析

2018～2019年采暖季，電占比58.71%，平段戶均總用電量為3 107.25千瓦時(shí)，占比41.29%。按照平段電價(jià)和補(bǔ)貼后的谷段電價(jià)分別進(jìn)行計(jì)算，2018～2019年采暖季平均每個(gè)用戶用電費(fèi)用是1 964.02元。

5 結(jié)束語

文章基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了煤改電智能服務(wù)研究與應(yīng)用。在采集層和通信層利用Wifi、LoRa、NBIot物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將不同采暖類型用戶家庭采暖的電流、電壓、功率、溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳，并支持5 min高頻率采集，提高了采集的精準(zhǔn)度。通過構(gòu)建分布式架構(gòu)的煤改電智能服務(wù)平臺進(jìn)行用戶基礎(chǔ)信息、用電信息和采暖信息的智能管理和智能監(jiān)測，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行用電分析、電費(fèi)分析、采暖效果分析、補(bǔ)貼成效分析等，為能源電力管理部門的管理和政府部門的財(cái)政補(bǔ)貼提供科學(xué)支撐。