基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能終端設(shè)備感知技術(shù)現(xiàn)狀研究

黃書旭 劉燕平 吳仁煒 張新強 林遠興 劉林元 陳忠輝

摘? 要：在智能電網(wǎng)發(fā)展背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)中取得了廣泛應用，具有提升設(shè)備運行效率、減少能耗等作用?；诖?，本文從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用背景入手，結(jié)合智能終端設(shè)備系統(tǒng)，分析智能終端設(shè)備感知技術(shù)的應用內(nèi)容、應用方式、應用成果，總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能配電網(wǎng)建設(shè)中的應用要點，以實現(xiàn)配電網(wǎng)的智能化、信息化管理，提高智能配電網(wǎng)管理水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)? 終端設(shè)備? 傳感器 智能配電網(wǎng) 信息化管理

中圖分類號：TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0143-03

Abstract： Internet of things technology can improve the efficiency of equipment operation and reduce energy consumption. Based on this， this paper starts with the application background of the IOT technology， combines the intelligent terminal equipment system， analyzes the application content， application mode and application results of the intelligent terminal equipment perception technology， so as to achieve intelligent and information management of the distribution network.

Key Words： IOT; Terminal equipment; Sensors; Smart distribution; Information management

為滿足用戶的用電需求，降低系統(tǒng)能耗，增強用電安全性，智能電網(wǎng)建設(shè)成為電力企業(yè)發(fā)展重點。智能配電網(wǎng)是指基于計算機技術(shù)、通信技術(shù)與無線感知技術(shù)，全面采集用電用戶的終端數(shù)據(jù)、配電設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，進行整合分析，實現(xiàn)配電網(wǎng)的智能管控。在智能配電網(wǎng)運行中，各項數(shù)據(jù)的獲取離不開感知技術(shù)。

1? 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能終端設(shè)備系統(tǒng)

在智能配電網(wǎng)建設(shè)中，配電網(wǎng)的智能管控依托于感知技術(shù)對終端及設(shè)備數(shù)據(jù)的實時感知與監(jiān)測。就目前技術(shù)發(fā)展狀況而言，感知技術(shù)以物聯(lián)網(wǎng)為主，可利用多種信息感知設(shè)備，按照設(shè)定要求進行各項數(shù)據(jù)信息的感知，實現(xiàn)物與物、人與物間的交互，共享配電網(wǎng)的各項信息。通常來說，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的配電網(wǎng)大都選擇射頻識別設(shè)備、二維碼識別設(shè)備、GPS定位系統(tǒng)、傳感器設(shè)備及紅外感應器等信息感知設(shè)備，發(fā)揮感知技術(shù)作用，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的有效建設(shè)[1]。在此基礎(chǔ)上，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能終端設(shè)備系統(tǒng)可劃分為感知層、傳輸層、應用層三個層次。

2? 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能終端設(shè)備系統(tǒng)的感知層

2.1 感知層應用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在智能配電網(wǎng)終端設(shè)備系統(tǒng)建設(shè)中，感知層利用多個物聯(lián)網(wǎng)信息感知設(shè)備，進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的采集，信息采集對象涵蓋變壓器、開關(guān)柜、終端設(shè)備及電源設(shè)備等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用原理如下：將配電網(wǎng)一次設(shè)備、二次設(shè)備的數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)為基礎(chǔ)，感知獲取的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換后，傳輸至處理器單元，處理器單元對采集的數(shù)據(jù)進行補償及修正處理，通過網(wǎng)絡傳輸至MAC單元，實現(xiàn)感知層與傳輸層的有效交互[2]。在該過程中，技術(shù)原理如下：利用讀寫器將帶有EPC碼的射頻標簽進行處理，完成PEC碼的自動上傳，進而獲取所需的EPC碼信息。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用要點

在感知層應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時，數(shù)據(jù)的補償及修正是保障感知數(shù)據(jù)準確性，切實發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵?；谂潆娋W(wǎng)的數(shù)據(jù)特點及工作實踐，關(guān)于數(shù)據(jù)的補償與修正有多個方案，技術(shù)人員可根據(jù)智能配電網(wǎng)建設(shè)需求，選擇其中一種。

其一，節(jié)點協(xié)作補償。有研究學者將電網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點，制定協(xié)作補償方案，重點在于不同節(jié)點間的協(xié)作及數(shù)據(jù)傳輸中路由的選擇。

其二，構(gòu)建優(yōu)化模型。有研究學者構(gòu)建了日前優(yōu)化模型，以可延時負荷群跟蹤調(diào)度信號為核心，可體現(xiàn)發(fā)電側(cè)的調(diào)度要求，進而優(yōu)化配電網(wǎng)的調(diào)度，為節(jié)點協(xié)作補償提供參考。

其三，消除協(xié)作冗余。在感知層采集數(shù)據(jù)時，會使大量數(shù)據(jù)涌入網(wǎng)絡，加大網(wǎng)絡流量，采用相關(guān)方案進行節(jié)點協(xié)作補償時，會產(chǎn)生大量冗余信息，加大系統(tǒng)能耗，降低智能配電網(wǎng)的運行效率。就此，技術(shù)人員可將簇層次為基礎(chǔ)，進行網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的重新劃分，使同一簇內(nèi)的節(jié)點將采集數(shù)據(jù)整合至簇的首節(jié)點，進而實現(xiàn)冗余消除的目的。

另外，在感知層物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用中，信息感知設(shè)備的配置，會對數(shù)據(jù)感知效果產(chǎn)生直接影響，技術(shù)人員應結(jié)合智能配電網(wǎng)終端設(shè)備配置狀況、信息感知設(shè)備特點，選擇合適信息感知設(shè)備安裝位置，并合理設(shè)置sink節(jié)點，進一步完善感知層結(jié)構(gòu)，保障數(shù)據(jù)采集的全面性、準確性及有效性[3]。

3? 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能終端設(shè)備系統(tǒng)的傳輸層

3.1 傳輸層應用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在智能配電網(wǎng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳輸層的應用方式較為多樣，常用方式有以下三種：其一，針對用電用戶的家庭特點，選擇電力復合光纖通信技術(shù)、電力線載波通信技術(shù)或無線寬帶通信技術(shù)，用于傳輸智能配電網(wǎng)的各項信息，該技術(shù)應用方案可將傳輸層和用電用戶的家庭智能產(chǎn)品相連接，提升配電網(wǎng)的智能化水平;其二，針對智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸面臨的數(shù)據(jù)過多、傳輸受限問題，技術(shù)人員可引進光傳送網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)具備大容量、高效率優(yōu)勢，適用于感知層數(shù)據(jù)較多的區(qū)域;其三，針對傳輸層環(huán)境復雜的區(qū)域，技術(shù)人員可將傳輸層協(xié)議為基礎(chǔ)，制定動態(tài)附加傳輸通道保障制度，妥善處理傳輸層環(huán)境中的各類阻礙，提高數(shù)據(jù)傳輸速率與質(zhì)量。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用要點

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳輸層中的不同方案原理，其應用要點在于通信路由的合理選擇與有效控制、用戶側(cè)信息的有效接入。

在路由的合理選擇與有效控制方面，技術(shù)人員可將以太網(wǎng)無線數(shù)據(jù)基站為基礎(chǔ)，將EPON網(wǎng)絡的ONU為通信技術(shù)，實現(xiàn)感知層采集數(shù)據(jù)的有效傳輸。對于未覆蓋光纖網(wǎng)絡的區(qū)域，可結(jié)合配電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)場的狀況，選擇合適的無線通信方式，進行數(shù)據(jù)的傳輸。在該模式下，可在主站與區(qū)域內(nèi)分散的用電用戶中構(gòu)建雙向信息流，減少傳輸層數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀尽?/p>

在用戶側(cè)信息的有效接入方面，技術(shù)人員可將動態(tài)附加傳輸通道保障機制為基礎(chǔ)，引進漂白技術(shù)，通過傳輸過程中節(jié)點顏色的定義，為數(shù)據(jù)通信提供最佳的通道，提高數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量，避免數(shù)據(jù)在通信過程中出現(xiàn)抖動、丟失等問題。在漂白技術(shù)應用中，代理器的控制為重點，技術(shù)人員應確保代理器在數(shù)據(jù)通信期間始終保持較高的復合量度，對于代理器的相關(guān)數(shù)據(jù)，全部交由殘余帶寬接收。同時，技術(shù)人員也可利用二類代理器，在數(shù)據(jù)通信中構(gòu)建二類通道，避免節(jié)點多次訪問，解決傳輸擁堵問題，提高傳輸層的數(shù)據(jù)通信效率。

4? 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能終端設(shè)備系統(tǒng)的應用層

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能終端設(shè)備系統(tǒng)中，應用層主要負責在線監(jiān)測與預警管理工作，對傳輸層傳輸?shù)脑O(shè)備進行深入挖掘與綜合處理，及時發(fā)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的運行問題，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知作用，保障智能配電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行，促進其可持續(xù)發(fā)展。細化來說，應用層主要具備如下功能。

4.1 運行狀況監(jiān)測功能

在智能配電網(wǎng)管理中，運行狀態(tài)監(jiān)測包括配網(wǎng)設(shè)備、電纜導線、用戶用電信息三類。監(jiān)測的運行狀態(tài)參數(shù)包括溫度、濕度、電流、電壓等，技術(shù)人員在配網(wǎng)設(shè)備、電纜導線及用戶終端設(shè)備等區(qū)域，安裝傳感器及計量器，收集運行狀態(tài)參數(shù)。同時，在管理系統(tǒng)中設(shè)定運行狀態(tài)參數(shù)閾值，將接收到的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，與規(guī)定閾值進行對比，在超出正常范圍后，管理系統(tǒng)立即報警，并基于人工智能技術(shù)，進行故障自診斷，實施自修復[4]。對于自修復成功的故障，則消除報警信號，并在顯示屏中修改故障信息，標注為已修復;對于自修復失敗的故障，立即隔離故障區(qū)域，并通知工作人員立即安排運維人員到現(xiàn)場排除故障。

對于用戶終端設(shè)備而言，監(jiān)測內(nèi)容還應涵蓋用戶的用電量、用電高峰與用電低谷等信息，實時感知智能配電網(wǎng)的電力分布狀況，為智能配電網(wǎng)的電力調(diào)度提供參考，實現(xiàn)電力資源的最優(yōu)化配置。同時，用戶用電量的實時監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)竊電行為，實現(xiàn)規(guī)范用電，保障企業(yè)權(quán)益。

4.2 環(huán)境狀況監(jiān)測功能

在智能配電網(wǎng)管理中，環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測包括機房等設(shè)備環(huán)境、發(fā)電站環(huán)境及自然環(huán)境三類。在設(shè)備環(huán)境中，感知機房環(huán)境的溫濕度、水位、煙霧狀況，及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境內(nèi)存在的安全隱患，如火災隱患、漏水隱患等，采取針對性措施處理隱患，保障機房穩(wěn)定可靠運行[5];在發(fā)電站環(huán)境中，感知對象以新能源發(fā)電站為主，感知內(nèi)容包括風速、儲能狀況、能耗狀況、功率及污染物等，獲取新能源發(fā)電站運行參數(shù)，實施針對性管理;在自然環(huán)境中，感知內(nèi)容包括風速、覆冰狀況等，掌握天氣條件對智能配電網(wǎng)的影響，及時采取保護措施，避免故障的出現(xiàn)。

4.3 定位管理功能

在智能配電網(wǎng)管理中，定位管理包括設(shè)備定位、故障定位等功能，應用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括GPS定位技術(shù)、RFID技術(shù)及GIS地圖。在故障定位中，為保障感知信息的有效利用，技術(shù)人員通常將接收到的感知信息劃分為三層，分別是交換機等設(shè)備數(shù)據(jù)信息;電壓、電流等狀態(tài)參數(shù)信息;故障記錄器的記錄信息與用戶反饋的信息。將三類感知信息整合，以GIS地圖為基礎(chǔ)，構(gòu)建故障定位模塊，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)故障的準確定位。GIS地圖可整合智能配電網(wǎng)設(shè)備的各項屬性，如物理屬性、邏輯屬性等，為設(shè)備臺賬管理提供各類數(shù)據(jù)信息。在故障管理中，運維人員可基于GIS地圖，掌握故障的具體位置，規(guī)劃所在位置到故障現(xiàn)場的最短路線，提高故障處理效率。

同時，在處理現(xiàn)場故障前，運維人員可利用GPS定位系統(tǒng)與RFID技術(shù)，了解故障設(shè)備的各項信息、故障時的設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)，初步判斷故障原因與故障類型，準備針對性故障排除工具，抵達故障現(xiàn)場后，立即采取相應方案進行故障診斷，盡快排除故障，使智能配電網(wǎng)恢復運行。

4.4 防盜報警功能

在智能配電網(wǎng)管理中，防盜報警包括門蓋狀態(tài)監(jiān)測、外力破壞監(jiān)測與視頻監(jiān)控等功能。在智能配電網(wǎng)運行中，需對機房門、機柜門、電纜井蓋等區(qū)域進行重點監(jiān)測，實時感知其閉合狀態(tài)、動作次數(shù)，感知設(shè)備應選擇無線門磁傳感器，評估門蓋是否因非正常外力打開，及時發(fā)現(xiàn)異常。同時，對于智能配電網(wǎng)的重點區(qū)域，電力企業(yè)應布設(shè)監(jiān)控設(shè)備及紅外線傳感器，及時報警，避免不法分子進入站所盜竊或誤入站所，保障電力設(shè)備的安全[6]。

5? 結(jié)語

綜上所述，在智能終端感知方面，技術(shù)人員可圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計智能終端設(shè)備系統(tǒng)，利用感知層采集智能配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù);利用傳輸層傳輸運行數(shù)據(jù);利用應用層開發(fā)利用運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)的智能化、信息化管理，提高智能配電網(wǎng)管理水平，發(fā)揮智能配電網(wǎng)優(yōu)勢，促進電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 高波，李飛，唐如意，等.泛在電力物聯(lián)網(wǎng)配用電側(cè)智慧感知設(shè)備設(shè)計[J].河北電力技術(shù)，2019，38（6）：11-13，30.

[2] 馬峻巖，張穎，李易，等.HA2：層次化的物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備固件異常分析技術(shù)[J].計算機工程與應用，2019，55（22）：60-68，179.

[3] 石苗.淺析物聯(lián)網(wǎng)交互技術(shù)和信息感知技術(shù)[J].科技資訊，2019，17（23）：19，21.

[4] 叢磊.從圖靈機到態(tài)勢感知——物聯(lián)網(wǎng)安全的智能模式[J].人工智能，2019（1）：38-48.

[5] 王曉波. 配電網(wǎng)中無線信道分配策略研究[D].北京：華北電力大學，2019.

[6] 張金平. 配電網(wǎng)電纜防盜技術(shù)及應用[D].廣州：華南理工大學，2015.

[7] 袁博.面向軟件定義的智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究與設(shè)計[D].杭州：杭州電子科技大學，2020.

[8] 周哲雨.通信工程技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的應用[J].科技資訊，2020，18（6）：7-8.

[9] 劉琪.物聯(lián)網(wǎng)中頻譜感知能耗優(yōu)化模型的研究[D].南京：南京郵電大學，2019.