電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)技術(shù)構(gòu)架實現(xiàn)方案

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摘要：在新能源快速發(fā)展和結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化的前提下，堅強智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的概念不斷被提出。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)主要是將現(xiàn)代信息技術(shù)和先進通信技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以實現(xiàn)電網(wǎng)運行更安全、能源利用更高效的目的。在此基礎(chǔ)上，對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本概念進行介紹，針對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，初步提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)技術(shù)構(gòu)架；然后結(jié)合其技術(shù)構(gòu)架給出了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實現(xiàn)方案。實驗表明，所提方案為加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，為落實“三型兩網(wǎng)、世界一流”戰(zhàn)略目標提供一個全新的思路。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；新能源；智能電網(wǎng)；信息技術(shù)；通信技術(shù)；三型兩網(wǎng)

引言

在通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展和國家大力支持新能源產(chǎn)業(yè)和清潔能源的發(fā)展背景下，必將推動新一輪的能源改革。目前，電網(wǎng)企業(yè)面臨著三重挑戰(zhàn)：隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對電力供應(yīng)的需求越來越大，電網(wǎng)架設(shè)規(guī)模也不斷擴大所帶來的電網(wǎng)形態(tài)復(fù)雜化挑戰(zhàn)；在電力市場逐步向民營企業(yè)開放的形勢下，電力市場化倒逼電網(wǎng)企業(yè)做出新的改革挑戰(zhàn)；數(shù)字化經(jīng)濟打造多邊市場的挑戰(zhàn)[1-3]。為應(yīng)對各種挑戰(zhàn)，提出了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，是推進“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的重要內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的目標和要求的基礎(chǔ)上，提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)構(gòu)架及實現(xiàn)方案，為電網(wǎng)企業(yè)的下一步改革提供參考與借鑒。

1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)構(gòu)架

泛在物聯(lián)是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息交換和通信。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是泛在物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)的具體體現(xiàn)和應(yīng)用落地。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，就是利用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)構(gòu)架包含信息感知層、邊緣計算層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、平臺應(yīng)用層四個不同的層次。

1.1信息感知層

對于電力物聯(lián)網(wǎng)中的信息感知層，是利用智能傳感設(shè)備對電網(wǎng)末端運行設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和感知。電網(wǎng)運行的數(shù)據(jù)流貫穿發(fā)電、變電、輸電、配電及用電全過程。對于電力系統(tǒng)一次設(shè)備信息，一部分屬于設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一部分是設(shè)備實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)需要相對應(yīng)的智能監(jiān)測設(shè)備對其監(jiān)測和感知，例如：紅外測溫儀、監(jiān)測攝像頭、巡檢機器人及無人機等。電力系統(tǒng)二次設(shè)備，例如：繼電保護裝置和電能監(jiān)測設(shè)備具備對電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的采集功能。用電側(cè)設(shè)備包括智能電表、智能家電、電動車充電樁等。一方面，它們能將系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和用戶電量消耗數(shù)據(jù)進行采集；另一方面，也能將設(shè)備運行數(shù)據(jù)、電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、用戶耗能及電力能源交易數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)平臺。

1.2邊緣計算層

邊緣計算是指在數(shù)據(jù)源附近進行計算、初步分析、存儲和應(yīng)用的開放式平臺。電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算層由電力終端設(shè)備、智能設(shè)備、邊緣節(jié)點處設(shè)備構(gòu)成，對系統(tǒng)終端層上傳的數(shù)據(jù)進行簡單計算和初步處理，同時將處理結(jié)果上送至云中心[4-5]。邊緣計算層將終端層與網(wǎng)絡(luò)層進行更全面、更細化的連接，經(jīng)過其簡單的計算分析，可大大緩解了云中心處理數(shù)據(jù)的壓力。隨著電網(wǎng)的逐步發(fā)展，電網(wǎng)架設(shè)安裝的設(shè)備越來越多，大量的數(shù)據(jù)需要傳輸和計算?？梢栽谶吘壒?jié)點處靈活部署設(shè)備，更接近終端設(shè)備、用戶設(shè)備，能準確及時對電力系統(tǒng)運行和用戶用電情況進行反饋，從而能更好的進行電力能源的調(diào)度。

1.3網(wǎng)絡(luò)傳輸層

傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)傳輸包括工業(yè)以太網(wǎng)、電力載波通信和光纖通信。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層傳輸層在已有的網(wǎng)絡(luò)傳輸基礎(chǔ)上著力發(fā)展電力無線專網(wǎng)和終端通信建設(shè)，增強帶寬，以實現(xiàn)深度全覆蓋，滿足新興業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是在感知層與平臺應(yīng)用層建立通信連接，對所采集到的數(shù)據(jù)、信息進行高效、安全的傳輸[6-7]。網(wǎng)絡(luò)傳輸除了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的搭建問題，最重要的是傳輸安全性及傳輸數(shù)據(jù)的速度。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)來源是多元化的，數(shù)據(jù)的格式是多樣的，因此需要網(wǎng)絡(luò)的融合性和數(shù)據(jù)兼容性更強。同時，多源的數(shù)據(jù)會給網(wǎng)絡(luò)帶來更大安全風(fēng)險。為了解決數(shù)據(jù)在各個環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的安全風(fēng)險，最優(yōu)的信息保密技術(shù)亟待研究和應(yīng)用。隨著國內(nèi)5G技術(shù)的快速發(fā)展，電5G通信也應(yīng)用于電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。5G通信具有無線覆蓋面廣、傳輸時延短、系統(tǒng)安全性高、傳輸速率高等特點，能較好應(yīng)用泛電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中。

1.4平臺應(yīng)用層

平臺應(yīng)用層是將電網(wǎng)各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一處理和應(yīng)用開發(fā)平臺，其包括企業(yè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理中心、物聯(lián)管控中心、企業(yè)中臺。平臺應(yīng)用層充分應(yīng)用“大、云、物、移、智”等現(xiàn)代信息技術(shù)，以實現(xiàn)各類采集數(shù)據(jù)精細分析和綜合處理，并更精準服務(wù)于企業(yè)業(yè)務(wù)的需要[8-12]。大量的數(shù)據(jù)和信息匯集至平臺，需要對數(shù)據(jù)和信息進行篩選、匹配，以達到一種良好的供需目的，并提高數(shù)據(jù)的利用效率和發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大潛力。平臺建設(shè)的重點是加強設(shè)備監(jiān)控、電網(wǎng)互動、賬戶管理、客戶服務(wù)等共性能力，最大限度的擴大為電網(wǎng)企業(yè)潛能。在應(yīng)用方面，打造核心業(yè)務(wù)智慧化運營，全面服務(wù)能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，促進管理提升和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

2泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實現(xiàn)方案

目前公司在智能變電站建設(shè)方面有一定基礎(chǔ)，同時打造了堅強電網(wǎng)架構(gòu)。為了建設(shè)樞紐型、平臺型、共享型企業(yè)，在堅強智能電網(wǎng)基礎(chǔ)上建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，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)。在現(xiàn)有電網(wǎng)發(fā)展水平的基礎(chǔ)上，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實現(xiàn)方案包括加強基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)、推動“平臺+生態(tài)”建設(shè)三個方面。

2.1加強基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)

加強基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)貫穿了發(fā)電、變電、輸電、配電及用電全過程。發(fā)電包含多能源發(fā)電廠和發(fā)電設(shè)備的的建設(shè)，充分利用多種能源發(fā)電并建設(shè)新型發(fā)電站，同時重點安裝更高效更智能發(fā)電設(shè)備。全面利用設(shè)備的信息化建設(shè)虛擬電廠，從而提高分布式新能源的友好并網(wǎng)水平和電網(wǎng)可調(diào)控容量占比，促進清潔能源的利用。在常規(guī)站到智能變電站建設(shè)趨勢下，達到站內(nèi)設(shè)備智能化、微機化、信息化的目的，同時繼續(xù)加強對站內(nèi)一次設(shè)備的智能監(jiān)控和二次設(shè)備的改造升級。確保對全站設(shè)備的全方位監(jiān)控管理，全面感知設(shè)備的運行狀態(tài)。在輸電線路上，除了做架設(shè)堅強輸電線路網(wǎng)架建設(shè)，同時應(yīng)著重實現(xiàn)線路和鐵塔智能在線監(jiān)測全覆蓋發(fā)展。配電和用電設(shè)備多而雜，需要對這些設(shè)備進行智能化改造，包括配網(wǎng)高壓線路、配變、開關(guān)，智能電表，及移動充電樁的建設(shè)，以逐步提高配電設(shè)備的智能化水平。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)

電力網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在電網(wǎng)智能化發(fā)展過程中占很重要地位，不僅僅是解決電力數(shù)據(jù)的傳輸問題，更重要的是使得電網(wǎng)系統(tǒng)更加通暢。目前，電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的通信方式主要包括有線通信和無線通信。有線通信技術(shù)包括同步數(shù)字體系（SynchronousDigitalHierarchy,SDH）技術(shù)、電力線載波通信（PowerLineCommunication,PLC）技術(shù)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EthernetPassiveOpticalNetwork,EPON）技術(shù)。電力無線通信技術(shù)主要有ZigBee、蜂窩通信技術(shù)、通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GeneralPacketRadioService,GPRS）技術(shù)[13-14]。電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)則著重發(fā)展電力無線通信，相比于有線通信，電力無線專網(wǎng)具備安全性更高、接入更靈活、傳輸延時低、容量大等特點。目前，在建設(shè)電力無線專網(wǎng)時，可以設(shè)計多套無線核心網(wǎng)設(shè)備，將TD-LTE基站均分別接入這些核心網(wǎng)。各級網(wǎng)絡(luò)則對特定區(qū)域數(shù)據(jù)進行管理，且各核心網(wǎng)之間互為備用，以確保數(shù)據(jù)不會因網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障而中斷。

2.3“平臺+生態(tài)”建設(shè)

“平臺+生態(tài)”建設(shè)是要打造出共治共享的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，以達到能源生產(chǎn)、傳輸、消費的最優(yōu)分配。同時利用已有資源建設(shè)智慧能源綜合服務(wù)平臺，為各類新興業(yè)務(wù)主體提供更優(yōu)質(zhì)、更便捷的服務(wù)。它具體實現(xiàn)方式是多樣的，例如，利用泛電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)收集行業(yè)內(nèi)豐富的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過對各類數(shù)據(jù)的分析處理，統(tǒng)一對接總部級企業(yè)能效服務(wù)共享平臺，從而能更科學(xué)的，更經(jīng)濟的、更有效的進行業(yè)務(wù)來往。再者通過大量的智能終端采集的數(shù)據(jù)，將各種設(shè)備、電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)、負荷消耗等各類數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)平臺，可對設(shè)備進行集中監(jiān)控，對設(shè)備故障的反應(yīng)更智能。建設(shè)電力互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，利用公司強大的資源網(wǎng)，把電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、設(shè)備制造廠家、金融機構(gòu)、政府及用戶融合至一個良好的電力生產(chǎn)、服務(wù)、消費互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈。電力企業(yè)使用最先進的智能設(shè)備，同時在客戶端也存在大量智能設(shè)備，例如，充電樁、電動汽車、智能家居家電等。平臺能將電力生產(chǎn)與消費者消費特征相結(jié)合，做出最好的服務(wù)策略。電力能源調(diào)度統(tǒng)一平需要借助雙絞線、電纜、光纖等傳輸介質(zhì)，傳輸必須要媒介才可以。相較于傳統(tǒng)的CAN通信電路，本系統(tǒng)采用了DT3000與DT4000的數(shù)據(jù)采集通信模塊，主要負責將發(fā)電機組控制器連接到互聯(lián)網(wǎng)，模塊支持2G網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)以及無線GPRS網(wǎng)絡(luò)。

2.3Web管理模塊

Web管理模塊包括服務(wù)端和Web端兩部分，其主要是為用戶提供設(shè)備添加、設(shè)備刪除、設(shè)備控制和設(shè)備運行狀態(tài)的可視化管理界面。服務(wù)端通過onMessage（）方法將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給前端頁面和接受前端頁面發(fā)來的控制命令。Web端設(shè)計的開發(fā)環(huán)境利用Linux+Apache+PHP+MySQL搭建，并通過WebSocket協(xié)議與服務(wù)端進行雙向通信。

2.4遠程監(jiān)控模塊

遠程監(jiān)控模塊負責將控制器檢測到的數(shù)據(jù)，采用JSON格式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議與壓縮算法，通過RS485、RS232或者Link通信接口把數(shù)據(jù)信息經(jīng)過云貓，利用GPRS、4G、有線或無線（WiFi）網(wǎng)絡(luò)傳送到云服務(wù)器以供用戶查看。

3結(jié)語

本文設(shè)計了一種以云平臺為核心的發(fā)電機組控制系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)發(fā)電機組遠程監(jiān)控和在線控制的功能，具有智能、實時、節(jié)能的特點，很大大程度上滿足了“中國制造2025”的背景下發(fā)電機組行業(yè)的要求。

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作者：黃立 單位：廣東電網(wǎng)有限責任公司