浅谈泛在电力物联网在智能配电系统中的应用

0引言
随着我国电力行业的不断发展，配电网的规模不断加大。但是，在信息化时代中，配电网在自动化和信息化水平方面有待进一步提升。将泛在电力物联网应用于智能配电系统，就是将物联网技术作为一项核心技术，并充分吸纳先进的人工智能技术、大数据技术等，促使电力系统运行过程中的每一个环节都可以实现信息与数据的共享。 
1泛在电力物联网的相关概念 
对于泛在电力物联网的概念，我国的很多电力企业给出了这样的解释：泛在电力物联网是将源、网以及荷三个层面之中的人、物以及设备等实现充分的连接，并使之达成一种泛在感知，然后通过当今先进可靠的通信技术和信息处理技术，提供、发送以及使用海量的数据，使这些数据在电网的各个运行环节实现共享，实现信息流、能量流以及业务流在整个电 网中的一体化融合，进一步提升电网价值服务，创造一个更加可靠的平台。
2泛在电力物联网的体系架构分析
2.1感知层
对于泛在电力物联网而言，感知层相当于神经末梢。感知层的物理形态很多，典型的形态包括电厂站端的各种互感器、集中器、电能表和用户侧的各种智能电器。感知层可以实现对电网全景的感知，其中的决策单元可以在从未有过的广度和深度方面洞悉整个电网中每一个环节的运行情况，进而为各种类别的电力应用打下坚实的基础。 
2.2网络层 
在泛在电力物联网中，网络层可以提供信息的交互通道，有效保障各种类型的业务信息。网络层的具体实现方式应该根据各种类别信息的实际情况、传输距离以及成本等各方面的因素来确定。同时，泛在电力物联网的网络层也可以对网络异常情况作出及时准确的识别、分析、预警和预判，以进一步提升网络运行的可靠性。 
2.3平台层 
在泛在电力物联网中，平台层的主要作用是实时更新整个电网中海量的信息数据，并对这些信息数据进行科学性分析，同时也可以对这些信息数据的共享进行管理。通过平台层的应用，可以打破传统配电网运行过程中的信息孤岛，并有效解决信息储存碎片化问题，对于当今电力系统朝着电力与数据两方面并重转型、发展都有着帮助。 
2.4应用层 
应用层是以全景大数据为基础，实现各种新型应用平台的搭建，使所有参与到电力系统之中的参与方之间实现良好的感知与互动。 
3泛在电力物联网在智能配电系统中的关键技术
3.1应用于感知层的关键技术 
与传统的输电网相比，配电网有着更加复杂的拓扑结构和更加多样化的入网设备，包括塔杆、电缆、架空线路、隔离开关、配电变压器、无功补偿器和很多其他的附属设备。配电网可以根据电压等级进行分类，具体分类情况如表1所示。
 

为了有效监测配电网，提升传感设备的集成化程度。在此过程中，需要考虑传感设备的尺寸、兼容性等各方面因素，研发出更符合当今配电系统实际需求的新型设备。同时，在感知层技术的应用过程中，应该将底层传感器的部署技术作为关键，并使之得到进一步的深化。 
3.2应用于网络层的关键技术 
因为当今的配电网有着点多面广的特点，所以如果依然按照传统点对点形式的通信方法进行设计，将很难将网络层铺开。在设计网络层进行的过程中，应该应用有线模式和无线模式两者互补的方式来实现,同时应该注重落实所有的防御工作。
首先，应该注重底层自组网和核心通信网规划技术的应用，因为配电通信系统中通常承载着大量的业务传输任务，意味着通信系统需要符合很多种的QoS需求。随着通信系统中的接入对象越来越丰富，泛在感知信息的数据量和呈现维度将出现指数式上升趋势。为了有效应对这样的情况，需要让自组网的路由策略变得更加“健壮”。通过这样的方式，可以有效保障底层接入网的控制量和状态量，进而实现海量信息的及时传输。在此过程中，可以通过网络扩充的相关算法，将配网系统和通信系统之间的耦合关系作为基础，并从拓扑概念入手，对信息物理系统(Cyber-Physical Systems, CPS)进行协同规划。 
3.3应用于平台层的关键技术 
数据融合技术的应用。因为借助于泛在感知所获得的数据有着多源化、异构化和冗余化的特征，所以在进行前置处理的过程中，一定要对数据融合技术加以合理应用，以有效保障数据的准确性、完整性。其次，应该合理应用数据储存管理技术和数据挖掘分析技术，通过这些技术，实现泛在电力物联网中的海量数据的实时更新与存储。在具体的应用过程中，可以将Hadoop (由Apache基金会所开发的分布式系统基础架构)平台中的数据压缩法作为基础，通过NoSQL (非关系型的数据库)技术进行实际数据的分布式储存和管理。 
3.4应用于应用层的关键技术 
在泛在电力物联网这一环境中，电力谐波的注入问题、潮流双向流动问题、电压或者频率加剧等问题十分常见，电力行业需要应用一些新型技术克服这些问题。首先，可以合理利用态势感知技术，借助于对态势的察觉、对态势的理解以及对态势的预测来识别电网运行过程中潜在的风险隐患，并对其进行科学分析和有效处理。 
4泛在电力物联网和智能配电网之间的融合展望 
在物联网技术和电力行业的不断发展过程中，将泛在电力物联网和智能配电网实现良好的融合，可以转变当今配电系统的供电情况。以下的两个层面是对泛在电力物联网和智能配电网之间的融合进行的展望。 
4.1层面一：配电网运行状态在线检测与风险评估展望 
泛在电力物联网中的通信系统功能十分强大，可以实时感知各个设备实际的运行状况，然后将其有的数据挖掘能力作为依托，可以在不需要提取电气量、不进行现场人工巡查的基础上快速识别配电系统中潜伏性的异常情况，并评估配电网运行过程中面临的风险程度。 
4.2层面二：主动配电系统固化与综合能源协调运行展望 
随着电力行业的不断发展，电网和用户之间的界限越来越模糊，异质能源越来越混杂，并得到了协同应用。在这样的情况下，智能配电网运行的灵活性与自主性需要得到进一步提升。在此过程中，应该将其能够感知到的各种大数据作为基础，以此实现复合分布和预测模型的建立，并通过边缘计算技术提升配电网在不稳定环境中运行的弹性。另外，可以应用当今的云计算技术分析各种的异质能源，并使其得到合理利用。 
5安科瑞为国家电网2020泛在电力物联网建设提供解决方案
安科瑞电气深耕用户侧能效管理多年，逐渐完善了从电力物联网云平台到终端传感器的生态体系，在“源（电源）-网（电网）-荷（负荷）-储（储能）”各个环节加大研发投入，已经形成“云（云平台）-管（有线/无线物联）-边（边缘计算）-端（终端设备）”的生态系统，参与泛在电力物联网建设，为国家电网建设“三型两网”提供解决方案，使用户在任何时间、地点、人、物之间实现信息连接和交互，产生共享数据，从而为电网、发电、供应商、用户服务。

5.1云平台
安科瑞电气近年来已经陆续推出变电所运维云平台、能源管理云平台、智慧用电云平台、环保用电监管云平台、充电桩（电动汽车/自行车）运营管理云平台、预付费管理云平台等云平台解决方案等解决方案，并已经广泛应用在多地国网公司用户端业务、环保部门、安监部门、住建部门等。
5.1.1变电所运维云平台
据统计全国高供高计的工商业用户数量达到200多万户，规模巨大，但是大部分日常的运行维护工作比较传统，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障抢修时间长、风险预防薄弱等问题。国网公司和众多电力运维公司正在抢占这块巨大的市场，这是一个千亿级别的市场。
AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力仪表、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术，通过智能网关采集现场数据并存储在本地，再定时向云平台推送数据。平台可同时接入数以千计的用户变电站数据。平台采集的数据包括变电所电气参数和环境数据，包括电流电压功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、浸水、烟雾、视频、门禁等信息，有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到指定人员手机上，并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环，提高运维效率，即时发现运行缺陷并做消缺处理。

5.1.2能源管理云平台
Acrelcloud-5000能耗管理云平台可适用于各个行业，如政府办公建筑、工厂、教育建筑、医疗建筑、商业综合体等，可通过局域网、互联网或者4G网络采集不同区域多个建筑或单位的用能数据。
平台采集建筑电、水、气、冷热量等能源消耗数据和光伏、风力、储能等新能源数据，对用能数据进行分析，按照区域、部门、用电设备类型进行细分，提供同比、环比分析比较和用能数据追溯，同时可以提供尖峰平谷各时段用能数据和报表，帮助用户梳理能源账单明细和制定能源绩效考核。

5.1.3环保用电监管云平台
近年来我们的环境质量有了很大的改善，这都归功于国家层面对环保的重视和环保部门的有力监察。安科瑞针对环保监察的痛点研发了环保用电监管系统解决方案，助力环保部门坚决打赢蓝天碧水保卫战。
Acrelcloud-3000环保用电监管平台主要为环保监察部门和产污排污企业服务，为环保部门提供在线监管和依据，为生产企业提供设备运行监控和产污排污数据记录。
平台采集生产企业总用电量、生产用电和治污设备用电量，进行关联分析，及时给出环保设备异常运行信号或企业异常生产信号，实现全过程防控。前端设备采用不停电免接线方案采集用电数据，经LORA无线上传到环保数据网关，再通过4G上传平台服务器或县、市、省级环保平台。各地环保部门通过污染防治设施用电实时监控，实现对排污企业生产运行无死角、全流程监控，达到变人防为信息化技防，从事后处罚到介入式，扭转传统依靠人力、经验进行现场核查的状态，为环保监管开辟更加切实、有效的监管方式，形成长效机制。

 
5.1.4智慧用电云平台
据应急管理部网站数据，2016~2018年期间因为电气原因导致的火灾占总数的百分之三十到百分之三十四左右，其中2018年全国共接报火灾23.7万起，因违反电气安装使用规定引发的火灾占总数的百分之三十四，较大和重大火灾事故中，电气火灾的比例更高。国务院、公安部消防局以及各省市自治区直辖市纷纷出台文件推广智慧用电，从源头上预防电气火灾的发生，现用电管理平台已在九小场所、三合一场所、养老福利院、医疗场所、学校、金融网点等人员密集场所广泛开展。
安科瑞Acrelcloud-6000用电管理云平台对电气引发火灾的主要因素（线缆温度、漏电电流、负荷电流、电压）进行不间断的数据跟踪与统计分析，通过2G/NB-IOT/4G方式采集现场数据，实时发现电气线路和用电设备存在的隐患（如：线缆温度异常、过载、过压、欠压及漏电等）并通过短信、APP推送、自动语音呼叫等方式及时预警，有效防止电气火灾的发生。系统可以显示所有监测点位的漏电电流等电气参数和线缆温度，并支持巡检记录和派单操作，提供隐患分析报告，实时评估企业用电状态。

5.1.5电动汽车/电瓶车充电桩运营管理云平台
电动汽车现已成为广泛使用的绿色能源交通工具，Acrelcloud-9000充电桩运营管理云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。
电动自行车数量越来越多，解决了老百姓短距离出行问题，但是和电动自行车相关的和火灾事故新闻也屡见不鲜，有逐年增长的趋势，给社会带来了很大的损失，成为人民生命和财产的一个隐患。基于电动自行车火灾的危害和特点，各级政府部门发文对电动自行车火灾的整治都放在规范停放和充电行为上。安科瑞Acrelcloud-9500充电桩运营管理云平台，针对电动自行车火灾治理提供充电管理、资产管理和交易管理的一揽子解决方案，解决充电难、管理难和收费难的问题，可应用于商业楼宇、小区、学校、医院等场所设置的电动自行车充电场所的运营管理。

5.1.6物业小区预付费管理云平台
安科瑞远程预付费系统可以针对各商业综合体、小区、写字楼、办公楼、酒店式公寓等物业，学校、工厂宿舍的后勤管理部门以及连锁超市、大型物业分布式财务操作，在线支付，总部财务扎口等。目前Acrelcloud-3000预付费管理系统已经成功在上述各场景得到广泛的应用并已经稳定运行多年，适用于物业公司对小区、办公和商铺租户的水电预付费管理，或者学校对学生宿舍的用电预付费和用电管控系统。

 
5.2有线/无线物联
安科瑞根据多年来的项目经验，结合用户实际需求，开发了各类有线、区域无线、广域无线通讯产品，包括网关和终端设备。支持RS485、以太网、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多种通讯方式，随着5G建设步伐的加快，未来将会有越来越多的通讯方式融入产品，服务于泛在电力物联网建设。
5.3边缘计算
安科瑞针对物联网应用开发了多款智能网关，采用嵌入式系统和边缘计算技术，现场采集和存储终端设备数据，并根据云平台的需要，采用不同的协议和云平台对接。所有数据采集、计算、异常报警触发逻辑均在网关就地设置，网络故障时数据存储在本地，网络恢复后补传数据，断点续传，提高数据可靠性。


5.4终端设备
针对泛在电力物联网的建设，安科瑞陆续推出多款物联网仪表，应用在不同场合以满足不同需求，2019年全年各类终端仪表出货量超过185万台。


 
5.5安科瑞产品在泛在电力物联网的应用
近两年来，安科瑞已经陆续参与江苏省部分县市电力公司的用户端能源管理平台、云南省网综合能源服务平台、上海嘉定区147所学校电力运维平台等相关平台的建设，提供了包括云平台、智能网关、终端设备等产品，各类用户端云平台在全国各地运行案例700多套，并且根据用户需求不断完善产品功能，这些项目就是未来泛在电力物联网的一部分。
“能源互联网的春天到了，因其所能，它必将成为充满活力的新型能源业态。”尽管针对泛在电力物联网还有一些不同的声音，但是泛在电力物联网已经悄无声息的铺开来，融入能源互联网基础建设的方方面面。
6总结
综上所述，在当今的电气化时代，社会经济与科学技术的发展对各行各业的发展起到了有效的推动作用，其中电力行业的发展十分可观。但是，当今的电力行业智能配电系统依然在自动化和信息化方面存在着不足。将泛在电力物联网技术应用于智能配电系统，将有效弥 补其存在的不足，利用先进技术为智能配电系统的发展提供动力，进一步提升我国电力行业的发展。 
参考文献
[1] 谷智伟.泛在电力物联网在智能配电系统中的应用
[2] 姚涛，钮彬，王从春，等.低压PLC技术在泛在电力物联网中的应用[J].通讯世界，2019, (12) : 192- 193. 
[3] 徐震，王云鹏，李海.泛在电力物联网智能传动技术[J].农村电气化，2019, (9) : 27-30. 
[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
 
作者简介
王蒙蒙，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能照明的研发与应用