浅谈泛在电力物联网及5G技术在 电网中的应用
2021-09-01 11:16:47 来源：安科瑞王蒙蒙
摘要：从电网的应用入手，介绍泛在电力物联网、5G应用以及两者的结合在电力系统中的应用情况。基于5G时代背景，探究了泛在电力物联网技术在我国电力系统的应用情况，为我国电网的新技术发展提供一定参考。
关键词：泛在物联网；5G；应用
0引言
随着我国各方面的不断发展，尤其是经济的发展，对电力的需求也越来越高，电网的建设也不断增加，供电系统也面临巨大的挑战。电力新技术作为电力系统的着重发展部分，其有效，平稳的运行显得尤为重要。而泛在电力物联网和 5G 也是重要的一个环节。在实现智慧服务、对接和新业务、新业态和新模式中面对不同的问题需要不同的解决方案，能保证新业务、新业态和新模式，扩大能源互联网生态圈，主动对接地方经济发展，建设一站式服务平台，打造利益共同体。同样，5G 技术的发展将使配网系统朝着更加可靠，有效的方向前进。本文从泛在电力物联网、5G 和两者结合等方面介绍了电网新技术的有效便利性。
1泛在电力物联网
近年来，国家电网有限公司提出并大力发展泛在电力物联网领域，同时，紧密结合“三型两网”新战略，集合全体员工的智慧，共同推进泛在电力物联网建设。泛在电力物联网建设需在技术层面进行突破。全球互联网正在进行技术变革，要从网络架构核心技术方面采取措施，通过传感的设备、测量的设备、各种感知的模组模块来广泛地进行融合，让传统的物联网拥有一个非常有效、平稳、智能的神经指挥大脑。事实上，在泛在电力物联网建设中这些已经在逐步得以实现。发现在输配电线路的施工现场，传感节点出现了续航时间短、感知精度低、抗干扰能力弱的问题，需要电力传感芯片对状态的及时、准确感知提供支撑。于是，通过采集电力应用现场环境数据，进行了芯片性能与环境的相关性分析，通过开发辅助设计软件，指导芯片工艺参数与设计改进。
很多成果是泛在电力物联网建设中涌现出来的，具有很强的实用性，得到了社会的高度关注[2]。国网某省电力有限公司和中国铁塔股份有限公司的小伙伴运用物联网思维探索出了一条“铁塔共享”之路。5G 已来，但目前低频带宽资源有限，难以满足新兴业务大容量的需求，未来 85%的新建基站将借助社会塔解决，电力塔共享是解决站址问题的选择。通过共享，铁塔可以成为集电力专网、运营商公网为一体的通信结点，集输配供储为一体的能源节点，集电力设施、通信设备、环境监测、安防监控为一体的空间信息共享节点，是“三型两网”建设的具体实践。未来共享铁塔在资源节约方面的光明前景。
2 5G技术及应用
第五代移动通信技术是新一代蜂窝移动通信技术，根据全球移动供应商协会（GSA）于 8 月发布的报告，在全球各国的 5G 竞争当中，已经初步形成了梯队为中、韩、美、日，梯队为英、德、法的竞争格局。中国的 5G 研发和建设可以说走在世界前列，甚至是超前的。
随着 5G 与电网业务的深度融合，将通过在高压线路保护、城市电网状态监测、客户用电信息采集等*领域试点应用，挖掘 5G 技术优势，实现电力系统各环节的人机交互、万物互联，助力智慧城市产业建设。一直以来，供电公司推动泛在电力物联网建设，主动拓展 5G 新技术业务应用。在 220 千伏镆铘站进行试点，建成某省5G 技术电力综合应用示范区，综合示范区贯通了端到端全程 5G SA 网络通信通道，搭建 5G 技术应用、业务创新合作平台，平台集 4K 高清、VR、机器人巡检、无人机巡视多功能于一体，构筑了 5G+ 天、地、人立体化监测体系，实现了对工程建设进度质量、设备状态、人员行为的全时段监视、感知、立体化防护。
3 5G和泛在电力物联网
据报道，今年初，一台红白相间的六旋翼巡检无人机盘旋在国网公司某 110kV 海洋变电站内，同时，另外一台机身为深蓝色、机头为白色的新型巡检机器人正在巡视变电站内的各种电力设备。这其实是国网电力研发出的基于 5G 技术的新型线路巡检无人机和基于 VR 技术的新型变电站巡检机器人。相比 4G 技术，5G 技术具有高速率、大带宽、低时延的优点。传统的线路巡检无人机只能传输 1080P 的视频，这样会导致输电设备的微小缺陷无法被识别。而该款搭载有 5G 终端的无人机能够拍摄 4K 高清视频并通过 5G 网络回传给线路运维人员。运维人员无需攀登铁塔即可清晰看到输电线路及附属设备的每一个细节，提升了巡检人员的工作效率。这款无人机还能安装激光雷达实时进行三维建模，自动规划航线。无人机工作完成后会自动飞回机巢充电。未来，除了在变电站建设机巢，针对远距离巡检任务，还可以在电力作业车上搭载移动机巢。这样一来，变电站就变成了“机场”，移动作业车就变成了“航空母舰”。
传统的变电站巡检机器人须沿着既定轨道巡视站内设备，而这台基于 5G 技术的 VR 变电站智能巡检机器人则不需要既定轨道，遇到障碍物会自动识别并绕开，开展全自动自主巡视。这得益于这款巡检机器人搭载的 5G 终端、多种物联网传感器和高清 VR 摄像头。5G 网络的超低延时特点确保了机器人高精度巡检，既保证了巡视路线、查看设备位置的自由度，又能防止巡检机器人误入带电区域，保证了巡检作业的可靠性。此外，通过 5G 网络可以将巡检机器人搭载的 8K 高清全景摄像头所拍摄的巡检视频实时地回传到后台指挥，指挥的工作人员利用匹配的 VR 眼镜就能够获取变电站实景的现场式体验；同时，该套系统还能提供针对多个变电站内设备状态的专家远程诊断，通过远程专家的诊断意见，能够提升了设备缺陷查找效率和准确性，给现场处置提供帮助。国网公司的这两款新式装备在 110 千伏海洋变电站的巡检，也标志着国家电网公司实现基于 5G 技术的陆空一体化电力设施立体巡检。
随着 5G 网络切片技术的投入使用，电网公司还可以依托5G 共享基站智能运维技术，进一步拓展 4K 高清监控音视频信号双向互动、智能全景 AR 巡检机器人远程监控等功能，推进电网运行 5G 智能新时代。利用开放的通信资源能力、丰富的数据资源和大数据应用能力、软硬件集成能力以及云网一体的运营维护能力，为国网威海供电公司提供技术、运营、服务、管理等体系的赋能，提升国网公司的“三型两网、世界水平”的发展现状，构建能源系统智能化运营体系。此外，电网公司也可以和通信企业进行战略合作，共同打造应用 5G 通信和物联网技术的智慧电网示范项目或示范工程，建设 5G 基站基础设施，共同在 5G 通信、人工智能、物联网、大数据等领域开展研究，突破 5G 通信、物联网等方面的新技术的应用与落地。
4安科瑞为国家电网2021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。
4.1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。
4.1.1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。
4.1.2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。
4.1.3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。
4.1.4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。
4.1.5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。
4.1.6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。
4.2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。
4.3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。
4.4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。
4.5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。
5结论
5G网络建设也是面向未来的“新型基础设施建设”，将使工业生产、社会管理效率获得提升，大大节约生产成本和交易成本，随着泛在电力物联网建设的逐步推进以及 5G 等新技术与电力物联网的深度融合，未来将在多个领域实现用能服务体验的提质升级，将电力用户及其设备，电网企业及其设备，发电企业及其设备，供应商及其设备，以及人和物连接起来，产生共享数据，打造“互联网”大数据平台，为市民提供“互联网”智慧用能方案，实现能源系统智能化运营与管理，多能互补、有效利用，构建以电为优先的清洁低碳能源消费体系。
参考文献
[1] 张敏,冉碧珍,杨凤.泛在电力物联网及5G技术在电网中的应用浅析
[2] 王洪勉,孙慧,郑利斌,李新军.泛在电力物联网智联单元设计与实现[J].供用电,2019(6)：25-26.
[3] 刘日亮,刘海涛,夏圣峰,袁栋,文艳,程力涵.物联网技术在配电台区中的应用与思考[J].高电压技术,2019(6)：98-100.
[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
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