智慧能源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究與分析

陳永波+劉建業(yè)+陳繼軍

能源物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是智慧能源互聯(lián)網(wǎng)（EoI）變革的重要支撐技術(shù)之一，低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⑵鸬疥P(guān)鍵作用。能源電力領(lǐng)域小數(shù)據(jù)眾多，包括用戶(hù)側(cè)數(shù)據(jù)、電力系統(tǒng)邊緣數(shù)據(jù)和智慧能源新技術(shù)及新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)包括電氣量和非電氣量，需要根據(jù)LPWA技術(shù)特點(diǎn)界定其適用范圍，全新規(guī)劃業(yè)務(wù)需求和模型。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)安全需要從終端接入、數(shù)據(jù)傳輸和平臺(tái)安全全面考慮。智慧能源互聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)化、高效化和清潔化發(fā)展創(chuàng)新了眾多新的能源業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)能源物聯(lián)網(wǎng)的需求將會(huì)十分顯著。

LPWA；LoRa；中國(guó)LoRa應(yīng)用聯(lián)盟（CLAA）；小數(shù)據(jù)；EoI；能源物聯(lián)網(wǎng)

Energy Internet of things （IoT） is one of the important supporting technologies for the intelligent energy of Internet （EoI）， and the low power wide area （LPWA） technology will play a key role in intelligent EoI. There are many small data in the energy and power industry fields， including user-side data， power system edge data and data of new technology and new business of intelligent energy. These data include electrical and non-electrical quantities， which could be acquisited according to the technical characteristics of the LPWA， and new business requirements and models could be planned. For the IoT security， terminal access， data transmission and platform security need to be fully considered. Marketization， high efficiency and cleaning development of EoI are creating numerous new energy business scenarios， and the demands for energy IoT will be very significant.

LPWA； LoRa； China LoRa application alliance （CLAA）； small data； energy Internet of things

隨著信息、連接和計(jì)算為主導(dǎo)的新一輪信息技術(shù)革命的興起，M-ICT技術(shù)在各個(gè)行業(yè)掀起了變革的浪潮。新能源技術(shù)革命與此深度融合，在能源電力領(lǐng)域形成了“能源互聯(lián)網(wǎng)”的革命性發(fā)展新趨勢(shì)。能源互聯(lián)網(wǎng)使得傳統(tǒng)能源電力的開(kāi)發(fā)、輸運(yùn)、存儲(chǔ)、交易、使用等均發(fā)生革命性的變化[1]；使得能源電力向開(kāi)放、對(duì)等、共享、高效、清潔、可持續(xù)方向發(fā)展。文獻(xiàn)[2]指出：能源互聯(lián)網(wǎng)需要海量的數(shù)據(jù)連接支持。這些海量數(shù)據(jù)具備“小數(shù)據(jù)”特征，包括：業(yè)務(wù)相關(guān)性強(qiáng)；連接難，分布廣，分散性強(qiáng)且不易供電；數(shù)據(jù)價(jià)值密度低，需要大數(shù)據(jù)技術(shù)分析；狀態(tài)變化緩慢穩(wěn)定，采集頻次低；越限影響大，日常關(guān)注度低。伴隨著“萬(wàn)物互聯(lián)”的需求，各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層出不窮。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將有數(shù)百億物體接入網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的接入技術(shù)有近距離無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)技術(shù)兩類(lèi)，這兩類(lèi)技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)與不足。前者包括Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等，提供近距離高速快速接入的能力；后者是移動(dòng)蜂窩網(wǎng)技術(shù)，滿(mǎn)足大范圍移動(dòng)語(yǔ)音/數(shù)據(jù)的接入需要。這兩種技術(shù)在功耗、成本、覆蓋廣度深度等方面受到限制[3]，這兩類(lèi)技術(shù)均無(wú)法為小數(shù)據(jù)的連接提供理想的解決方案。像智能表計(jì)這樣的萬(wàn)物互聯(lián)的小數(shù)據(jù)連接需求，催生了低功耗廣域（LPWA）技術(shù)的興起。文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步介紹了LPWA技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的組網(wǎng)方案和應(yīng)用，但對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的小數(shù)據(jù)能源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求、場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和分析。文章中，我們結(jié)合LPWA技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究分析，希望進(jìn)一步闡明LPWA技術(shù)在智慧能源互聯(lián)網(wǎng)的需求來(lái)源和具體業(yè)務(wù)內(nèi)容。

1 LPWA技術(shù)及CLAA物聯(lián)

網(wǎng)方案

LPWA是一種能適配機(jī)器到機(jī)器（M2M）的業(yè)務(wù)，具有流量小，連接數(shù)量大等特性，可形成一張廣覆蓋、低速率、低功耗和低成本的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)[3]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用呈現(xiàn)“碎片化的大市場(chǎng)”特點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展本身就是多種技術(shù)的綜合利用和融合發(fā)展[4]。當(dāng)前階段，LPWA技術(shù)體系較多，常見(jiàn)的包括由第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）定義的基于授權(quán)頻段的LPWA技術(shù)，如基于長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）空口優(yōu)化的增強(qiáng)機(jī)器類(lèi)型通信（eMTC）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)，基于非授權(quán)頻段的LoRa、Sigfox等。針對(duì)LPWA物聯(lián)網(wǎng)的4個(gè)典型技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用碎片化的現(xiàn)實(shí)，如何根據(jù)不同的LPWA技術(shù)特點(diǎn)，選擇合適的技術(shù)體系，解決物聯(lián)網(wǎng)建網(wǎng)成本、功耗、覆蓋、部署等一系列問(wèn)題成為重要的研究方向。

為此，LoRa技術(shù)所有者Semtech、中興通訊在LoRa聯(lián)盟的支持下，聯(lián)合中國(guó)數(shù)百家各類(lèi)有志于LPWA物聯(lián)網(wǎng)的合作伙伴，成立了中國(guó)LoRa應(yīng)用聯(lián)盟（CLAA），并由中興通訊為主開(kāi)發(fā)了CLAA物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解決方案，嘗試解決此關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)部署難題。

除了感知技術(shù)、連接技術(shù)、平臺(tái)技術(shù)之外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)進(jìn)一步融合發(fā)展。未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將是物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的融合應(yīng)用[4]。CLAA物聯(lián)網(wǎng)采用一網(wǎng)共平臺(tái)多業(yè)務(wù)的思路建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，借助互聯(lián)網(wǎng)思維，融合云化技術(shù)，構(gòu)建了CLAA物聯(lián)網(wǎng)方案。文獻(xiàn)[2]介紹了“云管端一體化”的運(yùn)營(yíng)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)建網(wǎng)方案及相關(guān)網(wǎng)元，這也正是CLAA物聯(lián)網(wǎng)采用的核心架構(gòu)方案，如圖1所示。

CLAA物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的相關(guān)網(wǎng)元包括：終端注冊(cè)中心（JS），實(shí)現(xiàn)終端接入認(rèn)證、密鑰生成功能；多業(yè)務(wù)平臺(tái)（MSP），實(shí)現(xiàn)LoraWAN 媒體接入控制（MAC）功能、數(shù)據(jù)加解密功能和應(yīng)用數(shù)據(jù)上下行分發(fā)功能；網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS），實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)CLAA網(wǎng)絡(luò)的管理；位置計(jì)算服務(wù)器（LCS），實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)能力；客服和營(yíng)帳系統(tǒng)（BOSS），實(shí)現(xiàn)CLAA業(yè)務(wù)的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)功能；IWG（LoraWAN基站），實(shí)現(xiàn)LoRa物理層功能。

CLAA物聯(lián)網(wǎng)具備區(qū)別于傳統(tǒng)“小無(wú)線(xiàn)”、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)等無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的顯著特點(diǎn)。

（1）分層解耦，靈活方便。CLAA網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)小無(wú)線(xiàn)項(xiàng)目型無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，把應(yīng)用、運(yùn)營(yíng)、網(wǎng)絡(luò)、終端解耦，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)分工，并融合了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)，賦予用戶(hù)自主性、靈活性（用戶(hù)可根據(jù)需要像購(gòu)置移動(dòng)蜂窩網(wǎng)終端（手機(jī)等）一樣，隨時(shí)隨地部署傳感終端，采集所需數(shù)據(jù)）。傳感和應(yīng)用廠(chǎng)商則可以專(zhuān)注終端和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模發(fā)展，更能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

（2）統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)級(jí)的LPWA物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。CLAA物聯(lián)網(wǎng)在LoRaWAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，參考電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)協(xié)議，定義了基于LoRa技術(shù)的運(yùn)營(yíng)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為可規(guī)?；\(yùn)營(yíng)的LPWA物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)多業(yè)務(wù)共享，靈活方便；實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)級(jí)的LPWA物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。

目前已經(jīng)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議包括：《CLAA對(duì)中國(guó)470-510頻段的使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求》、《CLAA碼號(hào)命名規(guī)范及原則》、《CLAA對(duì)LoRaWAN的MAC命令擴(kuò)展規(guī)范》、《CLAA對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器外部服務(wù)接口定義》4個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，版本根據(jù)商用示范項(xiàng)目運(yùn)行情況和CLAA物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)情況持續(xù)更新。

（3）網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案為采用彈性云端、全網(wǎng)服務(wù)。CLAA物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)充分采用當(dāng)前先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)，采用彈性云端、全網(wǎng)服務(wù)的方案。CLAA物聯(lián)網(wǎng)的云端服務(wù)網(wǎng)絡(luò)功能（核心網(wǎng)）部署在公用或?qū)Ｓ性贫朔?wù)器，所有CLAA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（CLAA基站）和應(yīng)用業(yè)務(wù)均可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)與云端服務(wù)器連接，組成統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。CLAA物聯(lián)網(wǎng)云端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的部署規(guī)模則是彈性的，可根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基站部署數(shù)量、傳感終端接入數(shù)量、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)接入數(shù)量等進(jìn)行彈性擴(kuò)充。可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的快速部署商用，又能靈活擴(kuò)展演進(jìn)。CLAA物聯(lián)網(wǎng)為全網(wǎng)服務(wù)方案，按照上述統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)一張同平臺(tái)多業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

（4）工程實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)為采用按需部署，即裝即用。CLAA物聯(lián)網(wǎng)基站（網(wǎng)關(guān)）為小型化即裝即用設(shè)備，是輕量級(jí)接入物聯(lián)網(wǎng)基站。用戶(hù)或集成商可根據(jù)項(xiàng)目按需部署，而不必等待網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成才能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)部署，業(yè)務(wù)部署和網(wǎng)絡(luò)部署可同步進(jìn)行。項(xiàng)目后期也可根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)盲、擴(kuò)充等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。物聯(lián)網(wǎng)基站僅需現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)間工程安裝和配置操作便可接入云端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

（5）獨(dú)立式云化應(yīng)用。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)接入和應(yīng)用，大多按照獨(dú)立項(xiàng)目模式進(jìn)行限定場(chǎng)所、場(chǎng)景的部署，所采集數(shù)據(jù)也難以云化。CLAA物聯(lián)網(wǎng)則為專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的獨(dú)立式云化應(yīng)用提供了網(wǎng)絡(luò)方案基礎(chǔ)，各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如消防傳感、市政設(shè)施、城市環(huán)境等數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)大眾公有，按需開(kāi)放的新型商業(yè)或管理模式。針對(duì)專(zhuān)業(yè)行業(yè)性的大范圍管理也將提供十分便捷的方案，如物流、消防部門(mén)、生產(chǎn)安全管理、物業(yè)管理等?？梢栽O(shè)想，未來(lái)所有建筑、工廠(chǎng)等處的煙感、溫感等傳感器狀態(tài)信息均可傳遞到消防部門(mén)，對(duì)預(yù)防火災(zāi)、火災(zāi)報(bào)警、防災(zāi)快速反應(yīng)都將起到不可估量的作用。

2 智慧能源物聯(lián)網(wǎng)連接需求

能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)思維和方法構(gòu)建的新一代多能流集成的綜合能源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)能源技術(shù)和通信信息技術(shù)深度融合，從而提升整個(gè)能源系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，改善系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行、管理和服務(wù)水平，最終實(shí)現(xiàn)能源綠色化、市場(chǎng)化以及用能高效化[6]。通過(guò)信息通信技術(shù)（ICT）將多種能源系統(tǒng)有機(jī)地融合在一起，使各個(gè)能源系統(tǒng)共享信息，協(xié)調(diào)運(yùn)行，使其智能化和市場(chǎng)化成為可能[5]。在能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)據(jù)采集和連接需要深度下沉，實(shí)現(xiàn)廣泛海量的萬(wàn)物連接，以實(shí)現(xiàn)能源開(kāi)發(fā)利用的市場(chǎng)化、高效化、清潔化，滿(mǎn)足大規(guī)模隨機(jī)間歇性新能源接入能源網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度管理需要。

能源電力系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)連接，但是還有海量的“小數(shù)據(jù)”需要連接支持，實(shí)現(xiàn)能源電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的深度下沉[2]。這些海量的“小數(shù)據(jù)連接”包括3個(gè)方面：一是用戶(hù)側(cè)的能源電力設(shè)備，也包括用戶(hù)本身（因使用、監(jiān)測(cè)控制、維護(hù)等）的連接需要，如工廠(chǎng)供用電及電器、建筑供用電及電器、社區(qū)供用電網(wǎng)和家庭電器等；二是傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)的邊緣數(shù)據(jù)，如電器電纜溫度、設(shè)備設(shè)施的環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)等；三是智慧能源新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的連接，包括分布式發(fā)電設(shè)施、風(fēng)力發(fā)電、充電樁、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、需求響應(yīng)、能效管理、節(jié)能服務(wù)等。

（1）能源用戶(hù)側(cè)的小數(shù)據(jù)連接

能源電力用戶(hù)側(cè)包括居民生活、商業(yè)、工農(nóng)生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施，同樣也包括用戶(hù)本身。居民生活供能系統(tǒng)包括社區(qū)網(wǎng)絡(luò)和家庭電器，目前此類(lèi)供電、供氣、供熱等供能設(shè)施的居民用戶(hù)側(cè)數(shù)據(jù)連接除智能電表外，其他基本處在空白狀態(tài)，例如社區(qū)及家庭中低壓供電網(wǎng)絡(luò)及設(shè)施、街邊電氣設(shè)備、公共用電電器、家庭取暖/電器/燃?xì)饩?、家庭用電供氣管網(wǎng)及附屬設(shè)備（開(kāi)關(guān)、閥門(mén)等）。在建筑智能化程度較高的商業(yè)建筑中，部分供能系統(tǒng)安裝了有限的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如建筑能效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能空調(diào)系統(tǒng)等，但數(shù)據(jù)連接依然很不全面，如樓宇供用電網(wǎng)絡(luò)和電器，包括配電房、電纜井、母線(xiàn)、各級(jí)配電箱、空調(diào)暖通設(shè)備、泵房、公共照明、IT設(shè)備及機(jī)房供電、應(yīng)急照明等，還包括給排水管網(wǎng)，部分商業(yè)建筑包括供氣管網(wǎng)。能源用戶(hù)最重要的是工業(yè)企業(yè)，中國(guó)工業(yè)能耗占全社會(huì)總能耗的70%以上[6]，工廠(chǎng)供能網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)連接存在相當(dāng)不足，甚至部分工業(yè)供能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)處在空白狀態(tài)。諸如管網(wǎng)壓力、溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)，電氣參數(shù)如電壓、電流、電量、開(kāi)關(guān)、故障等等大多沒(méi)有得到有效連接，特別是和生產(chǎn)不直接相關(guān)的供能供電設(shè)施及其環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，大多處在連接缺失狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行全面的能耗能效監(jiān)測(cè)、能源考核，也無(wú)法進(jìn)行智能化、精細(xì)化的供能系統(tǒng)管理和維護(hù)。機(jī)場(chǎng)、公路、供水、排灌、市政等各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施也是較大的能耗用戶(hù)，其用能系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接同樣不容樂(lè)觀。用能單位的運(yùn)行維護(hù)檢修人員、居民用戶(hù)自身等人員連接同樣缺乏，相關(guān)人員無(wú)法快速準(zhǔn)確獲取能源設(shè)備參數(shù)，進(jìn)行快速響應(yīng)。

（2）傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)的邊緣小數(shù)據(jù)連接

文獻(xiàn)[2]指出：傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)，諸如變電站、電廠(chǎng)的運(yùn)行生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了廣泛連接，但是變電站、電廠(chǎng)、輸電線(xiàn)路、配電網(wǎng)絡(luò)的邊緣小數(shù)據(jù)卻沒(méi)有得到廣泛有效的連接。這些邊緣數(shù)據(jù)包括電氣設(shè)施周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，如氣溫、噪聲、水浸、濕度、酸堿度、煙霧、粉塵等；電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，如設(shè)備溫度、絕緣強(qiáng)度、傾斜狀態(tài)、沉降、凝露、污穢等；附屬設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)，如電纜隧道環(huán)境數(shù)據(jù)、安全防范數(shù)據(jù)、電氣建筑物狀態(tài)數(shù)據(jù)、周?chē)乩憝h(huán)境和狀態(tài)數(shù)據(jù)（山體滑坡、地陷）；電氣設(shè)施的微氣象微氣候數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、氣溫、濕度、能見(jiàn)度、降水等。

上述數(shù)據(jù)均對(duì)傳統(tǒng)電力能源設(shè)施的正常運(yùn)行、故障產(chǎn)生、設(shè)備壽命、巡視檢修等產(chǎn)生或多或少的影響，相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)對(duì)能源電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大威脅，如環(huán)境濕度、氣溫變化會(huì)導(dǎo)致設(shè)備凝露，造成設(shè)備絕緣性能下降，易導(dǎo)致電氣設(shè)備的短路觸電事故；山體滑坡、地陷導(dǎo)致管網(wǎng)、廠(chǎng)站受到毀壞性威脅。如果能夠?qū)@些邊緣小數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)廣泛的連接，可以有效進(jìn)行提前預(yù)防、報(bào)警和事前處理，防止故障、事故，甚至災(zāi)害的發(fā)生，同樣也能提高日常的巡檢、運(yùn)維、運(yùn)行效率。

（3）智慧能源新業(yè)務(wù)小數(shù)據(jù)連接

智慧能源互聯(lián)網(wǎng)的各類(lèi)新型業(yè)務(wù)需要廣度和深度的數(shù)據(jù)連接支持，包括智能表計(jì)、碳排放、智能運(yùn)維、能耗監(jiān)測(cè)、能效管理、需求響應(yīng)、用戶(hù)側(cè)電器、分散式充電樁等。能源電力的市場(chǎng)化建設(shè)，對(duì)各類(lèi)、各級(jí)用戶(hù)的精確用能計(jì)量數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)；而實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)交易需要高頻智能電表（15 min采集一次）的數(shù)據(jù)支持；分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能運(yùn)維，需要采集光伏組件的狀態(tài)、并網(wǎng)發(fā)電數(shù)據(jù)和逆變器狀態(tài)等，輸配電網(wǎng)等能源網(wǎng)絡(luò)的智能運(yùn)維與此類(lèi)似；發(fā)電預(yù)測(cè)和虛擬電廠(chǎng)業(yè)務(wù)需要大范圍的氣象氣候監(jiān)測(cè)；大范圍中小商業(yè)和居民的用電需求響應(yīng)業(yè)務(wù)，需要通過(guò)廣泛的用電電器連接、用戶(hù)連接等以實(shí)現(xiàn)人、電器、電網(wǎng)、儲(chǔ)能、分布發(fā)電等的多維信息交互，進(jìn)行需求響應(yīng)互動(dòng)操作；碳市場(chǎng)交易所需的廣泛的清潔能源發(fā)電和碳排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如采集大量分布式發(fā)電的發(fā)電量數(shù)據(jù)，打包后可參與碳市場(chǎng)交易，包括分布式光伏、分布式風(fēng)力發(fā)電、分散型風(fēng)/光互補(bǔ)小型發(fā)電系統(tǒng)等。

3 智慧能源物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)

分析

能源物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類(lèi)型包括數(shù)據(jù)類(lèi)別、業(yè)務(wù)模式、數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)采集頻次，在不同場(chǎng)景中均有不同，甚至差異明顯。

3.1 能源電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型

上述能源物聯(lián)網(wǎng)中需要連接的小數(shù)據(jù)類(lèi)型包括電氣參數(shù)、非電量參數(shù)和其他參數(shù)類(lèi)型。

（1）電氣參數(shù)

·交流量：交流電氣系統(tǒng)中的交流電量參數(shù)，包括三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和頻率等。交流電量參數(shù)是反映電氣回路、電器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的基本參數(shù)，可用于故障判斷、電氣保護(hù)、狀態(tài)指示、參數(shù)計(jì)算、自動(dòng)控制和反饋等。在電子信息系統(tǒng)中，一個(gè)交流電量參數(shù)可以作為一個(gè)模擬量，我們用4 Byte的浮點(diǎn)數(shù)表示。

·直流量：直流電氣系統(tǒng)中的直流電氣參數(shù)包括直流電壓、直流電流、直流功率等，是反映直流電氣回路和直流電器設(shè)備的基本參數(shù)，可用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障和保護(hù)、參數(shù)計(jì)算、自動(dòng)控制和反饋等。在電子信息系統(tǒng)中，一個(gè)直流電量參數(shù)可以作為一個(gè)模擬量，用4 Byte的浮點(diǎn)數(shù)表示。

·開(kāi)關(guān)量：在交流或直流系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)量參數(shù)是一個(gè)表示開(kāi)關(guān)位置的數(shù)字量，如斷路器位置、刀閘位置、開(kāi)關(guān)分合、行程開(kāi)關(guān)位置等，一般用1位比特表示一個(gè)位置狀態(tài)，一臺(tái)電氣設(shè)備一般有多個(gè)位置信號(hào)，如斷路器的分位、合位、故障位、儲(chǔ)能位等。

·狀態(tài)量：反映電氣系統(tǒng)或設(shè)備的工況狀態(tài)的信號(hào)量，一般是參數(shù)變化反映的某一狀態(tài)，如交直流量越限報(bào)警、壓力濃度等模擬量越限狀態(tài)、元件故障狀態(tài)報(bào)警、設(shè)備在線(xiàn)狀態(tài)、鏈路狀態(tài)等，一般用1位比特表示。

·控制量：控制量用于電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程或自動(dòng)控制，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、人機(jī)操作界面、自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)等根據(jù)程序或人工主動(dòng)發(fā)出的控制量信號(hào)，完成設(shè)備的啟停、開(kāi)關(guān)、狀態(tài)切換等控制操作，一般采用1位比特來(lái)表示。

（2）非電量參數(shù)

·模擬量：能源電力系統(tǒng)中模擬量普遍存在，種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的非電量模擬量有溫度、濕度、壓力、速度、加速度、濃度、液位、位移、應(yīng)力、形變、垂直度、水平度等。各種模擬量在能源電力系統(tǒng)中生產(chǎn)運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、檢修維護(hù)等均起到重要作用，是重要的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)連接領(lǐng)域之一，一個(gè)模擬量一般用4 Byte的浮點(diǎn)數(shù)表示。

·狀態(tài)量：非電量狀態(tài)是指能源電力系統(tǒng)中非電氣設(shè)備的狀態(tài)量參數(shù)，如模擬量越限、越位、就位、故障、突變等，這些狀態(tài)量對(duì)能源電力系統(tǒng)的多個(gè)業(yè)務(wù)如巡檢、故障預(yù)防、檢修搶險(xiǎn)、設(shè)備運(yùn)行等都是關(guān)鍵信號(hào)，是重要的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)連接領(lǐng)域之一，一個(gè)狀態(tài)量用1位比特表示。

（3）其他類(lèi)型參數(shù)

·計(jì)量數(shù)據(jù)：計(jì)量數(shù)據(jù)在能源電力生產(chǎn)運(yùn)行和經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)中是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，包括供應(yīng)商和用戶(hù)間的結(jié)算、公司內(nèi)的效率效益考核、生產(chǎn)線(xiàn)的配方配料等業(yè)務(wù)，計(jì)量數(shù)據(jù)均是基礎(chǔ)信息。計(jì)量數(shù)據(jù)包括電表有功電量、無(wú)功電量、水量、氣量、熱量、體積、重量、計(jì)數(shù)等，一般一個(gè)計(jì)量數(shù)據(jù)采用4 Byte的浮點(diǎn)數(shù)表示。

·檔位數(shù)據(jù)：在能源電力系統(tǒng)中，有一類(lèi)設(shè)備可以進(jìn)行輸入或輸出的多梯度或線(xiàn)性調(diào)節(jié)，為系統(tǒng)提供靈活的適應(yīng)能力，如變壓器的檔位調(diào)節(jié)、閥門(mén)的流量調(diào)節(jié)等。檔位數(shù)據(jù)包括當(dāng)前檔位信息和換擋指令信息，前者反饋當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行檔位，后者對(duì)設(shè)備運(yùn)行檔位進(jìn)行調(diào)整，檔位信息根據(jù)不同的設(shè)備采用1個(gè)或多個(gè)Byte表示。

3.2 能源電力物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)模式

能源電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接業(yè)務(wù)模式根據(jù)其不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)場(chǎng)景、不同的數(shù)據(jù)通信協(xié)議有所不同。如監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、故障診斷業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程控制調(diào)度業(yè)務(wù)等對(duì)數(shù)據(jù)連接的需求和方式不同。不同的工業(yè)通信協(xié)議、電力通信協(xié)議也規(guī)定了不同的數(shù)據(jù)連接方式，包括常見(jiàn)的Modbus RTU/ASSIC協(xié)議、CAN-BUS協(xié)議、M-Bus、DNP、CDT/XT9702、IEC60870-5-101/102/103/104規(guī)約、IEC61850系列協(xié)議、廠(chǎng)商自定義協(xié)議等。這些不同的通信協(xié)議/規(guī)約對(duì)能源電力物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)模式產(chǎn)生不同的影響和需求，文中不做詳細(xì)闡述。

基于LoRa技術(shù)的CLAA物聯(lián)網(wǎng)在傳感終端側(cè)有3種工作模式：CLASS A、CLASS B、CLASS C。CLASS A模式傳感器定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，在每次傳送數(shù)據(jù)后預(yù)留接收基站下行數(shù)據(jù)時(shí)隙窗口，可以響應(yīng)主站端指令，功耗最低；CLASS B在每次上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)或定時(shí)開(kāi)啟接收基站下行數(shù)據(jù)的時(shí)隙窗口，響應(yīng)主站端指令更靈活，功耗略多一點(diǎn)；CLASS C實(shí)時(shí)偵聽(tīng)基站指令，隨時(shí)接收指令，響應(yīng)性最強(qiáng)，但犧牲了低功耗優(yōu)勢(shì)。

分析不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)場(chǎng)景和相關(guān)通信規(guī)約的影響，結(jié)合CLAA物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范，從傳感終端側(cè)角度，能源電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接業(yè)務(wù)模式可分為主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)、被召喚數(shù)據(jù)、下行控制數(shù)據(jù)3類(lèi)，每種類(lèi)別又可以根據(jù)響應(yīng)時(shí)間、使用環(huán)境、數(shù)據(jù)流量等進(jìn)行細(xì)分。

·主動(dòng)上報(bào)：傳感器時(shí)間觸發(fā)方式上報(bào)數(shù)據(jù)，如定時(shí)、參數(shù)越限、狀態(tài)改變、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等事件。其中定時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)的方式最為常見(jiàn)，根據(jù)LPWA物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，一般少則10多分鐘，多則數(shù)小時(shí)或每天上報(bào)一次數(shù)據(jù)。也可以采用定時(shí)和其他條件結(jié)合的觸發(fā)上報(bào)模式，定時(shí)上報(bào)可以定期更新監(jiān)測(cè)傳感器工作狀態(tài)，其他條件觸發(fā)滿(mǎn)足意外或重要事件的及時(shí)響應(yīng)，如能源電力的廠(chǎng)站屋頂和設(shè)備處的消防報(bào)警器，平時(shí)每天上報(bào)一次自檢數(shù)據(jù)，表明自身的工作狀態(tài)，當(dāng)有消防險(xiǎn)情時(shí)，溫感煙感越限要及時(shí)（數(shù)秒內(nèi)）上報(bào)險(xiǎn)情，通知相關(guān)系統(tǒng)或人員快速處理。這種模式是CLAA網(wǎng)絡(luò)的主要支持方式，大部分CLAA物聯(lián)網(wǎng)傳感終端采用這種業(yè)務(wù)模式。

·被召喚上報(bào)數(shù)據(jù)：一些應(yīng)用業(yè)務(wù)場(chǎng)景和通信協(xié)議采用主站端召喚方式獲取傳感終端數(shù)據(jù)，傳感終端被動(dòng)響應(yīng)主站召喚上傳數(shù)據(jù)。此類(lèi)業(yè)務(wù)模式讓主站端具備物聯(lián)通信數(shù)據(jù)采集的調(diào)度管理功能，主站可以根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需要，采用定時(shí)、條件觸發(fā)等方式主動(dòng)召喚所需傳感終端數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足業(yè)務(wù)功能。這種業(yè)務(wù)模式需要傳感終端在線(xiàn)監(jiān)測(cè)通過(guò)CLAA物聯(lián)網(wǎng)微基站傳遞的主站召喚指令，傳感終端需要采用CLASS C模式工作，犧牲低功耗的優(yōu)勢(shì)。在傳感終端工作在CLASS A、CLASS B模式時(shí)，主站的召喚指令需要等待傳感終端打開(kāi)接收時(shí)隙窗口時(shí)才能得到響應(yīng)。

·下行控制數(shù)據(jù)：類(lèi)似智能路燈、建筑照明、水泵監(jiān)測(cè)控制等應(yīng)用，需要遠(yuǎn)程控制功能，還有一些應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)程主站根據(jù)業(yè)務(wù)需要對(duì)傳感終端進(jìn)行參數(shù)修改、定值設(shè)定，傳感終端需要響應(yīng)主站通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)微基站傳遞的遠(yuǎn)程控制指令或參數(shù)定值。傳感終端在CLASS A、CLASS B、CLASS C3種工作模式下均可實(shí)現(xiàn)對(duì)下行數(shù)據(jù)的接收響應(yīng)，可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和需求選擇不同的工作模式。

3.3 數(shù)據(jù)流量和采集頻次

不同的傳感業(yè)務(wù)需求、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量不同，數(shù)據(jù)傳輸速率根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型和采集頻次確定。CLAA物聯(lián)網(wǎng)IWG 200微基站具備8個(gè)并行的下行通道和1個(gè)上行通道，每個(gè)通道數(shù)據(jù)傳輸速率300 bit/s～5.5 kbit/s，傳感終端在不同的網(wǎng)絡(luò)位置，信號(hào)強(qiáng)弱不同，數(shù)據(jù)速率有所差異。CLAA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中規(guī)定了數(shù)據(jù)幀頭、終端地址、版本、校驗(yàn)等內(nèi)容，這部分網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)約30 Byte左右。在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，根據(jù)設(shè)置的不同擴(kuò)頻因子（SF），有效載荷最大值不同：SF為12時(shí)，有效載荷約50 Byte；SF為7時(shí)，有效載荷約220 Byte。

不同的傳感類(lèi)型、數(shù)據(jù)類(lèi)型和應(yīng)用通信協(xié)議有效載荷值不同。例如，采用Modbus RTU協(xié)議，最小有效載荷值可以為6個(gè)Byte（地址1 Byte、功能碼1 Byte、長(zhǎng)度值1 Byte、內(nèi)容1 Byte、CRC校驗(yàn)2 Byte），可以傳輸8位狀態(tài)量或開(kāi)關(guān)量；有效載荷值最大可以為260 Byte左右，可以傳輸約60個(gè)4 Byte浮點(diǎn)數(shù)模擬量（交流量、直流量）。典型應(yīng)用如智能路燈，每盞路燈監(jiān)測(cè)包括單相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)5個(gè)模擬量，監(jiān)測(cè)開(kāi)燈狀態(tài)、故障指示等多個(gè)狀態(tài)數(shù)字量（建議用1個(gè)Byte，8位狀態(tài)量），這樣智能路燈監(jiān)測(cè)控制每次上傳數(shù)據(jù)有效載荷約26 Byte，加上網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，每次智能路燈控制終端與基站之間傳送的數(shù)據(jù)包大小不到60 Byte。這樣即使在CLAA網(wǎng)絡(luò)基站邊緣側(cè)，采用SF為12也可以一次完成數(shù)據(jù)傳送。

不同的應(yīng)用場(chǎng)景采集數(shù)據(jù)的頻次需求也不相同，采集頻次影響網(wǎng)絡(luò)容量和傳送數(shù)據(jù)的效率。表1顯示了CLAA網(wǎng)絡(luò)1座微基站的網(wǎng)絡(luò)容量情況。

建議在能源電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，改變傳統(tǒng)有線(xiàn)連接的數(shù)據(jù)采集方式，全新考慮業(yè)務(wù)需求，詳細(xì)核算數(shù)據(jù)包大小。通過(guò)重新規(guī)劃業(yè)務(wù)模型，采用相關(guān)技術(shù)方法盡可能減少數(shù)據(jù)傳送頻次和數(shù)據(jù)包大小。例如采用2 Byte整數(shù)配合固定系數(shù)的方式采集模擬量（交直流電量）；采用越限觸發(fā)上送模擬量數(shù)據(jù)的傳送模式，或者僅傳送越限相對(duì)值（如絕對(duì)值、比例值等）；數(shù)秒傳送一次改變?yōu)閿?shù)分鐘或數(shù)小時(shí)傳送一次；設(shè)備在非工作時(shí)間停止或大幅降低傳送數(shù)據(jù)的頻次（如白天的路燈）。通過(guò)改變業(yè)務(wù)模式和相關(guān)的一些技術(shù)方法，可大幅提升網(wǎng)絡(luò)效率，提升網(wǎng)絡(luò)容量，提升物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的可用性。

4 物聯(lián)網(wǎng)安全

2016年10月，發(fā)生在美國(guó)的借助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)動(dòng)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)攻擊造成了美國(guó)上千家大網(wǎng)站集體“掉線(xiàn)”[7]。這一事件引起了廣泛的討論，物聯(lián)網(wǎng)安全也受到了相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和用戶(hù)的普遍重視。物聯(lián)網(wǎng)安全包括終端安全、數(shù)據(jù)傳輸安全、網(wǎng)絡(luò)管理及運(yùn)營(yíng)平臺(tái)安全、應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)安全等方面。

物聯(lián)網(wǎng)各環(huán)節(jié)的安全風(fēng)險(xiǎn)和防范涉及到整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，發(fā)生安全事件可能導(dǎo)致較大的運(yùn)營(yíng)、生產(chǎn)和生活影響，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致事故，對(duì)社會(huì)造成巨大影響。因此，物聯(lián)網(wǎng)安全需要全力關(guān)注，做好全面的安全防范工作，也需要物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈內(nèi)的企業(yè)、用戶(hù)、運(yùn)營(yíng)商等多方參與，共同完善安全解決方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

能源物聯(lián)網(wǎng)可以為智慧能源的許多應(yīng)用場(chǎng)景提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)的市場(chǎng)化、高效化、清潔化開(kāi)發(fā)應(yīng)用。可以通過(guò)能源物聯(lián)網(wǎng)連接各種各樣的用電電器，采集電器運(yùn)行參數(shù)，如電量、功率等，實(shí)現(xiàn)工業(yè)、建筑等能耗監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)能效管理功能，促進(jìn)節(jié)能降耗，輔助實(shí)現(xiàn)能源電力的高效化消費(fèi)。通過(guò)大范圍的城區(qū)電力用戶(hù)大功率電器的物聯(lián)網(wǎng)連接，為大范圍城區(qū)電力用戶(hù)參與電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)連接。在新能源領(lǐng)域，能源物聯(lián)網(wǎng)可以為分布式發(fā)電系統(tǒng)，分散的離網(wǎng)型微型新能源系統(tǒng)，如風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)監(jiān)測(cè)控制、光伏揚(yáng)水等提供幾乎不受地域范圍限制的數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)新能源系統(tǒng)的智能監(jiān)測(cè)控制、智能運(yùn)維、發(fā)電預(yù)測(cè)等功能。

以L(fǎng)oRa技術(shù)為代表的LPWA物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因其廣泛覆蓋、超低功耗、較低的價(jià)格和海量接入的能力優(yōu)勢(shì)，極大地釋放能源電力運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)采集需求，使得海量低成本的能源電力傳感器部署成為可能。CLAA物聯(lián)網(wǎng)方案提出了互聯(lián)網(wǎng)思維的運(yùn)營(yíng)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)新思路，為L(zhǎng)PWA物聯(lián)網(wǎng)的多方共同參與、互利共贏提供了生態(tài)鏈平臺(tái)。能源電力領(lǐng)域中，致力于創(chuàng)新業(yè)務(wù)，快速獲取能源電力數(shù)據(jù)的各方可以快速布網(wǎng)，連接所需數(shù)據(jù)，這必將為智慧能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供強(qiáng)大助力。

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