淺談泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在智能配電系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)探究及展望

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要: 對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行體系架構(gòu)的探究，對(duì)面向配電網(wǎng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行條分縷析，就泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與配電網(wǎng)的融合情形或者說(shuō)典型應(yīng)用進(jìn)行具體展望。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；配電系統(tǒng)；智能算法

引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，配電網(wǎng)的角色在發(fā)生轉(zhuǎn)變：由單純的單向電能供應(yīng)轉(zhuǎn)向復(fù)雜的雙向能流服務(wù)，如分布式發(fā)電的接入、用戶(hù)側(cè)多樣需求的滿(mǎn)足等。但受制于歷史發(fā)展情狀，規(guī)模龐大的配電網(wǎng)難以立即適應(yīng)新角色，特別在信息化和自動(dòng)化水平上存在長(zhǎng)足進(jìn)展空間。正是基于此，內(nèi)蒙古電力公司積極響應(yīng)打造泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)，其實(shí)質(zhì)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，充分吸納人工智能、大數(shù)據(jù)分析等要素，達(dá)成電力生產(chǎn)到電力消費(fèi)各環(huán)節(jié)中各類(lèi)對(duì)象的信息互聯(lián)共享，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知與精細(xì)調(diào)控。但泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究尚不成熟，其與配網(wǎng)的融合更處于起步階段，需要進(jìn)行有益探索。

1、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念及體系架構(gòu)

在社會(huì)高度電氣化的當(dāng)下，推進(jìn)電網(wǎng)信息化智能化的升級(jí)己成為世界各共識(shí)。美、歐盟、日韓等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體均提出了相關(guān)愿景展望及工作計(jì)劃。我是電力大和電力強(qiáng)，在電網(wǎng)發(fā)展的前沿陣地自然占有席之地。內(nèi)蒙古電力公司關(guān)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的理解：將“源- 網(wǎng)- 荷”層面的人、物、設(shè)備等充分連接以達(dá)成泛在感知，借助可靠通信和高性能信息處理將海量數(shù)據(jù)在發(fā)、供、用之間共享，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)“能量流、信息流、業(yè)務(wù)流”的體化融合，為價(jià)值服務(wù)提升提供有效平臺(tái)。感知層。它是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)末梢”，其物理形態(tài)主要是廠(chǎng)站端各類(lèi)互感器、電能表、集中器以及用戶(hù)側(cè)智能電器。通過(guò)該層的全景式感知，控制決策單元將在廣度和深度上洞悉電網(wǎng)運(yùn)行各環(huán)節(jié)的情狀，為各類(lèi)電力應(yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層。該層負(fù)責(zé)為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的各型業(yè)務(wù)提供的信息交互通道，具體方式按實(shí)況、傳距、成本等考量因素進(jìn)行擇定。

圖2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信方式

平臺(tái)層。該層承載海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新、科學(xué)分析、共享管理，打破了信息孤島，解決了信息碎片化存儲(chǔ)問(wèn)題，助力電力系統(tǒng)向電力和數(shù)據(jù)并重的轉(zhuǎn)型。應(yīng)用層。該層的功能是基于全景大數(shù)據(jù)搭建各類(lèi)新型應(yīng)用平臺(tái)，達(dá)成電力系統(tǒng)各參與方的感知互動(dòng)。

2、面向配用電系統(tǒng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 感知層關(guān)鍵技術(shù)

相較于輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、入網(wǎng)設(shè)備更為多樣，為了實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)，傳感設(shè)備高度集成化：充分考量尺寸、兼容等因素研發(fā)新型設(shè)備；重點(diǎn)是底層傳感器部署技術(shù)的深化。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

配電網(wǎng)點(diǎn)多面廣，“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”有線(xiàn)通信方式難以鋪開(kāi)，應(yīng)采用“有線(xiàn)+ 無(wú)線(xiàn)”互補(bǔ)的模式，并重視防御的落實(shí)。

底層自組網(wǎng)與核心通信網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)。配電通信系統(tǒng)承載多種業(yè)務(wù)的信息傳輸任務(wù)( 需滿(mǎn)足多款QoS 需求)，且接入對(duì)象不斷豐富化( 如分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、智能終端、海量傳感器等)，為應(yīng)對(duì)泛在感知信息在數(shù)據(jù)量和呈現(xiàn)維度的指數(shù)式攀升，需設(shè)計(jì)健壯的自組網(wǎng)路由策略來(lái)確保底層接入網(wǎng)的狀態(tài)量和控制量獲得及時(shí)傳輸。在這方面，依托健壯性測(cè)度的構(gòu)建提出網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充的相關(guān)算法；基于通信系統(tǒng)與配網(wǎng)系統(tǒng)的耦合關(guān)系，以拓?fù)鋭?shì)概念為抓手，提出配網(wǎng)CPS系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方法。

訪(fǎng)問(wèn)與信息控制技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入會(huì)在定程度上帶來(lái)信息風(fēng)險(xiǎn)。解決途徑：身份認(rèn)證與訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)(提出的基于哈希函數(shù)與非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)的雙向身份認(rèn)證與訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議) ；數(shù)據(jù)加密技術(shù)。即對(duì)傳輸數(shù)據(jù)施以加密算法，由接收方解密；路由技術(shù)。主要要借助路由協(xié)議的合理設(shè)計(jì)來(lái)保證信息的“源→宿”路徑可被正確發(fā)現(xiàn)。

2.3 平臺(tái)層關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)。通過(guò)泛在感知的海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是多源、異構(gòu)、高冗余，必須依托數(shù)據(jù)融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行前置處理（圖3）；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理與挖掘分析技術(shù)。為應(yīng)對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新存儲(chǔ)，可采取策略：基于Hadoop 平臺(tái)的數(shù)據(jù)壓縮方法；采用NoSQL 技術(shù)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)管理。為提取大數(shù)據(jù)蘊(yùn)含價(jià)值，可吸納K-means聚類(lèi)來(lái)分析用電行為，可借助Apriori 算法尋找誘發(fā)諧波的主要原因等。

2.4 應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，諧波注入、潮流雙向流動(dòng)、頻率/ 電壓波動(dòng)加劇等情況會(huì)較普遍，需要采取新技術(shù)予以克服：態(tài)勢(shì)感知技術(shù)。就是通過(guò)“態(tài)勢(shì)察覺(jué)→態(tài)勢(shì)理解→態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)”來(lái)達(dá)成對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、分析及處置。可采取方法為基于電壓降方程和回歸分析方法；主動(dòng)化運(yùn)行技術(shù)。為應(yīng)對(duì)新型能源與負(fù)荷的大規(guī)模接入，提升現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)節(jié)容量和調(diào)控靈活性，發(fā)展方向：依托泛在電力物聯(lián)網(wǎng)高性能硬件進(jìn)行運(yùn)行方式的實(shí)時(shí)計(jì)算和網(wǎng)架元件的精細(xì)化調(diào)控；經(jīng)由價(jià)格激勵(lì)提高系統(tǒng)備用容量。

圖3 三個(gè)層級(jí)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)

3、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與配電網(wǎng)的融合

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的融合將*改變現(xiàn)階段供用電情形，展望于三大層面（圖4）。

圖4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景

A 層面。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)擁有健壯的通信系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)感知各類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，再依托它的數(shù)據(jù)挖掘特長(zhǎng)，就能不依靠電氣量提取或人工現(xiàn)場(chǎng)巡查來(lái)快速辨識(shí)系統(tǒng)潛伏性異常、評(píng)估電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)程度，從而規(guī)避當(dāng)下電力設(shè)備隨壞隨修的不利局面，使得狀態(tài)檢修能夠在真正意義上開(kāi)展。

B 層面。在時(shí)代快速發(fā)展的當(dāng)下，電網(wǎng)與用戶(hù)間的界限逐漸模糊，異質(zhì)能源日趨混雜并協(xié)同應(yīng)用，這需要提升配電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行的靈活性：基于各類(lèi)感知到的大數(shù)據(jù)，建立高精細(xì)的負(fù)荷分布及預(yù)測(cè)模型，借助邊緣計(jì)算技術(shù)，提升不確定環(huán)境下配電網(wǎng)運(yùn)行彈性；借助云計(jì)算技術(shù)對(duì)異質(zhì)能源進(jìn)行各類(lèi)分析，目的是達(dá)成多種能源的合理應(yīng)用。

C 層面。為形成用戶(hù)合理用能局面，并使用戶(hù)以充分的深度和廣度參與配電網(wǎng)運(yùn)行，應(yīng)基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)制定個(gè)性化用能服務(wù)：以智能算法分析用戶(hù)用能習(xí)慣，達(dá)成個(gè)性化用能（圖5）。基于配電網(wǎng)主動(dòng)化運(yùn)行技術(shù)與價(jià)格激勵(lì)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)“源- 荷”體化調(diào)度（圖6）。

圖5 用戶(hù)用電行為分析技術(shù)框架

圖6 配電網(wǎng)協(xié)同化控制架構(gòu)

4、安科瑞配電系統(tǒng)智能運(yùn)維產(chǎn)品選型及平臺(tái)介紹

近兩年來(lái)，安科瑞已經(jīng)陸續(xù)參與各縣市電力公司的用戶(hù)端能源管理平臺(tái)、云南省網(wǎng)綜合能源服務(wù)平臺(tái)、上海嘉定區(qū)147所學(xué)校電力運(yùn)維平臺(tái)等相關(guān)平臺(tái)的建設(shè)，提供了包括云平臺(tái)、智能網(wǎng)關(guān)、終端設(shè)備等產(chǎn)品，各類(lèi)用戶(hù)端云平臺(tái)在全各地運(yùn)行案例700多套，并且根據(jù)用戶(hù)需求不斷完善產(chǎn)品功能，這些都是未來(lái)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的部分。安科瑞可為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層提供相應(yīng)的產(chǎn)品，采用有線(xiàn)及網(wǎng)線(xiàn)的模式，達(dá)到各環(huán)節(jié)信息共享。

4.1安科瑞智能網(wǎng)關(guān)、終端設(shè)備選型

4.2 安科瑞智能運(yùn)維平臺(tái)介紹

平臺(tái)結(jié)構(gòu)

變配電站通過(guò)安裝多溫濕度傳感器，水浸傳感器，煙霧傳感器，門(mén)磁開(kāi)關(guān)等傳感器，通過(guò)網(wǎng)關(guān)經(jīng)無(wú)線(xiàn)（3G/4G）或有線(xiàn)的方式將數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器上，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)、統(tǒng)管理。具有權(quán)限的用戶(hù)可通過(guò)PC、PAD、移動(dòng)端等各類(lèi)終端設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)、接收?qǐng)?bào)警信息，監(jiān)控變配電站環(huán)境狀態(tài)。

平臺(tái)功能

安科瑞變電所運(yùn)維云平臺(tái)（AcrelCloud-1000）根據(jù)市場(chǎng)需求反饋，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，為電力運(yùn)維公司提供配套線(xiàn)上運(yùn)維服務(wù)。該平臺(tái)作為連接運(yùn)維單位和用電企業(yè)的紐帶，監(jiān)視用戶(hù)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)，為客戶(hù)提供更好的運(yùn)維服務(wù)，平臺(tái)提供系統(tǒng)總覽、電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析、用電統(tǒng)計(jì)分析和日/月/年電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表、異常預(yù)警、事故報(bào)警和事件記錄、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)維巡檢派單等功能，并支持多平臺(tái)、多終端數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。

• 電力監(jiān)測(cè)

通過(guò)矢量配電圖監(jiān)測(cè)變電所用電情況，畫(huà)面響應(yīng)遙信變位、遙測(cè)越限報(bào)警，點(diǎn)擊某個(gè)配電回路后可以查詢(xún)?cè)撆潆娀芈返母黝?lèi)詳細(xì)用電參數(shù)，包括實(shí)時(shí)值、平均值；

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行情況，包括功率、負(fù)荷率、需量、繞組溫度等。

提供多種類(lèi)型的查詢(xún)報(bào)表，可以查詢(xún)各配電回路的各類(lèi)電力參數(shù)(電壓、電流、功率、頻率、諧波、三相不平衡度等),系統(tǒng)可以對(duì)某電力參數(shù)按照天、月進(jìn)行極值統(tǒng)計(jì)。

可實(shí)現(xiàn)漏電監(jiān)測(cè)、線(xiàn)纜及母排溫度監(jiān)測(cè)。

• 故障報(bào)警

平臺(tái)可配置遙信變位報(bào)警（水浸、煙霧、門(mén)磁、開(kāi)關(guān)跳閘等）、遙測(cè)越限報(bào)警（過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、線(xiàn)纜溫度過(guò)高、繞組溫度過(guò)高等）、運(yùn)行報(bào)警（儀表離線(xiàn)、網(wǎng)關(guān)離線(xiàn)等），并將接收到的報(bào)警通過(guò)短信、網(wǎng)頁(yè)推送，報(bào)警上下限可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活配置。

• 能效分析

按照配電回路、區(qū)域、部門(mén)、分項(xiàng)（照明、空調(diào)、動(dòng)力等）統(tǒng)計(jì)每時(shí)、每天、每月、每年用電數(shù)據(jù)，并進(jìn)行同環(huán)比分析；

按尖、峰、平、谷統(tǒng)計(jì)各配電回路的用電量及用電金額； 

統(tǒng)計(jì)四象限電能并計(jì)算每天、每月的平均功率因數(shù)；

按月統(tǒng)計(jì)每個(gè)回路的需量及發(fā)生值，為需量申報(bào)提供依據(jù)。

l 設(shè)備檔案

系統(tǒng)可配置每個(gè)變電所內(nèi)變壓器、進(jìn)線(xiàn)柜、出線(xiàn)柜、計(jì)量柜、高壓電纜等設(shè)備信息，記錄設(shè)備的廠(chǎng)家、型號(hào)、投運(yùn)日期等，并可靈活定義設(shè)備的巡檢項(xiàng)、缺陷類(lèi)別等信息。

l 巡檢消缺 

通過(guò)系統(tǒng)編制巡檢計(jì)劃，并將計(jì)劃下發(fā)到巡檢人員移動(dòng)端上，巡檢人員在變電所現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)巡檢要求執(zhí)行巡檢任務(wù)，如果在巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷，可記錄缺陷并在系統(tǒng)中生成消缺任務(wù)。

l 用戶(hù)報(bào)告

• 移動(dòng)端

通過(guò)移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)配電圖查看、視頻監(jiān)視及回放、電力參數(shù)查詢(xún)、需量統(tǒng)計(jì)、用能分析，并可通過(guò)移動(dòng)端接收?qǐng)?bào)警、執(zhí)行巡檢、記錄缺陷.

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉細(xì)鳳，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司