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

王柯 吳濤濤 張二勇 吳濤 陳超峰 劉杰

摘要：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，結(jié)合智能終端傳感器、通信網(wǎng)、人工智能和云平臺技術(shù)構(gòu)成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)，其具有全息感知、泛在連接、開放共享、融合創(chuàng)新的特點。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（UPIoT）;新能源消納;實物ID;5G切片;云平臺

引言

隨著交直流輸電規(guī)模的迅速擴(kuò)大，分布式發(fā)電設(shè)備接入類型與數(shù)量快速增加，導(dǎo)致電網(wǎng)復(fù)雜程度不斷提升，對傳統(tǒng)電網(wǎng)形態(tài)提出了挑戰(zhàn)。另一方面人工智能技術(shù)的發(fā)展也對電網(wǎng)功能和運行方式提出新的要求。因此，結(jié)合泛在物聯(lián)技術(shù)將現(xiàn)有電力系統(tǒng)建設(shè)成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是未來電力能源體系的發(fā)展趨勢，也是當(dāng)前階段國家電網(wǎng)最緊迫、最重要的任務(wù)。

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)是指任何時間、任何地點、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體。實體之間的協(xié)同和互動，使得有關(guān)物體相互感知和反饋控制，形成一個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)的基本特征

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)立足現(xiàn)有電網(wǎng)實體與通信技術(shù)，將不同能源系統(tǒng)物理互聯(lián)、時空信息互聯(lián)、商業(yè)互聯(lián)相融合，具有全息感知、泛在連接、開放共享、融合創(chuàng)新的特征。全息感知是指通過RFID、傳感器等，動態(tài)獲取“發(fā)–輸–變–用”各個環(huán)節(jié)不同設(shè)備、不同用戶的狀態(tài)信息。泛在連接指通過電力專網(wǎng)或移動網(wǎng)絡(luò)將電力系統(tǒng)中所有設(shè)備、用戶的信息和數(shù)據(jù)全時空連接。開放共享指在統(tǒng)一平臺上利用智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和管理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，挖掘有效信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上下貫通，全方位實時交互。融合創(chuàng)新即通過不同設(shè)備、用戶，不同時空信息，對內(nèi)實現(xiàn)全業(yè)務(wù)在線，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。對外建成智慧綜合能源服務(wù)平臺，開拓電力市場，促進(jìn)電力改革。

1.3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、計量、監(jiān)測等不同類型、不同時空尺度，實現(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)。

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、智能計算的特點，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算，實現(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?，F(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，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)?；诓煌瑘鼍暗?G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。

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)處理和云端計算，以及實現(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)實踐中展開應(yīng)用。移動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物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)，實現(xiàn)小鎮(zhèn)交通、環(huán)境、水務(wù)、能源等多個城市管理項目的在線運營。

3泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景

3.1提高電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運行水平

目前我國電網(wǎng)存在能源分布不均，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力不足等問題。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效解決這些問題，促進(jìn)電力系統(tǒng)“發(fā)–輸–變–配”各個環(huán)節(jié)的安全穩(wěn)定運行。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)風(fēng)能、太陽能、負(fù)荷實時監(jiān)測和功率預(yù)測系統(tǒng)，建立以火電機(jī)組為底層支撐的能源統(tǒng)一調(diào)控系統(tǒng)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高輸電環(huán)節(jié)可靠性、設(shè)備狀態(tài)自動診斷技術(shù)，利用智能傳感及智能終端提升保護(hù)、通信等二次設(shè)備的感知能力和終端智能，實現(xiàn)聯(lián)合處理、數(shù)據(jù)傳輸、綜合判斷等功能，提高電網(wǎng)的智能化水平和可靠性程度。

3.2促進(jìn)清潔能源消納

目前我國電網(wǎng)中風(fēng)電、光伏等清潔能源占比低，且三北地區(qū)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將極大促進(jìn)清潔能源消納。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的全息感知，可以實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲的靈活互動;利用人工智能等技術(shù)，對風(fēng)電、光伏進(jìn)行超短期發(fā)電預(yù)測，結(jié)合負(fù)荷情況，通過市場激勵用戶主動參與清潔能源消納;將分布式新能源聚合成實體，形成虛擬電廠，以多能互補(bǔ)的形式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，并且優(yōu)化調(diào)度實現(xiàn)跨區(qū)域協(xié)調(diào)控制，促進(jìn)集中式新能源省間交易和分布式新能源省內(nèi)交易。

結(jié)語

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，結(jié)合智能終端傳感器、通信網(wǎng)、人工智能、云平臺技術(shù)，構(gòu)成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過電力系統(tǒng)設(shè)備信息交互、人物信息交互，實現(xiàn)能源生產(chǎn)與消耗的實時平衡，保障電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運行;另一方面也可以促進(jìn)電力市場的開放，實現(xiàn)供需交易的快速響應(yīng)，以及清晰明了的電網(wǎng)資產(chǎn)評估。泛在物聯(lián)技術(shù)與電力系統(tǒng)的結(jié)合，最終將會構(gòu)建多方參與的能源生態(tài)體系。作為第三次能源革命的核心技術(shù)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]丁婧，王欣，鄭淑文，等.DG接入對微電網(wǎng)電流保護(hù)的影響[J].發(fā)電技術(shù)，2019，40（1）：22-27.