摘要: 對泛在電力物聯(lián)網進行體系架構的探究，對面向配電網的泛在電力物聯(lián)網關鍵技術進行條分縷析，就泛在電力物聯(lián)網與配電網的融合情形或者說典型應用進行具體展望。

關鍵詞：泛在電力物聯(lián)網；配電系統(tǒng)；智能算法

引言

隨著時代的發(fā)展，配電網的角色在發(fā)生轉變：由單純的單向電能供應轉向復雜的雙向能流服務，如分布式發(fā)電的接入、用戶側多樣需求的滿足等。但受制于歷史發(fā)展情狀，規(guī)模龐大的配電網難以立即適應新角色，特別在信息化和自動化水平上存在長足進展空間。正是基于此，內蒙古電力公司積極響應打造泛在電力物聯(lián)網的戰(zhàn)略目標，其實質是以物聯(lián)網技術為核心，充分吸納人工智能、大數(shù)據(jù)分析等要素，達成電力生產到電力消費各環(huán)節(jié)中各類對象的信息互聯(lián)共享，從而實現(xiàn)對配網運行狀態(tài)的實時感知與精細調控。但泛在電力物聯(lián)網的研究尚不成熟，其與配網的融合處于起步階段，需要進行有益探索。

1、泛在電力物聯(lián)網概念及體系架構

在社會高度電氣化的當下，推進電網信息化智能化的升級己成為世界各國共識。美國、歐盟、日韓等發(fā)達經濟體均提出了相關愿景展望及工作計劃。我國是電力大國和電力強國，在電網發(fā)展的沿陣地自然占有一席之地。內蒙古電力公司關于泛在電力物聯(lián)網的理解：將“源- 網- 荷”層面的人、物、設備等充分連接以達成泛在感知，借助可靠通信和高性能信息處理將海量數(shù)據(jù)在發(fā)、供、用之間共享，實現(xiàn)全網“能量流、信息流、業(yè)務流”的一體化融合，為價值服務提升提供有效平臺。感知層。它是泛在電力物聯(lián)網的“神經末梢”，其物理形態(tài)主要是廠站端各類互感器、電能表、集中器以及用戶側智能電器。通過該層的全景式感知，控制決策單元將在廣度和深度上洞悉電網運行各環(huán)節(jié)的情狀，為各類電力應用奠定數(shù)據(jù)基礎。

圖1 泛在電力物聯(lián)網分層架構

網絡層。該層負責為泛在電力物聯(lián)網的各型業(yè)務提供安全的信息交互通道，具體方式按實況、傳距、成本等考量因素進行擇定。

圖2 泛在電力物聯(lián)網的通信方式

平臺層。該層承載海量數(shù)據(jù)的實時新、科學分析、共享管理，打破了信息孤島，解決了信息碎片化存儲問題，助力電力系統(tǒng)向電力和數(shù)據(jù)并重的轉型。應用層。該層的功能是基于全景大數(shù)據(jù)搭建各類新型應用平臺，達成電力系統(tǒng)各參與方的感知互動。

2、面向配用電系統(tǒng)的泛在電力物聯(lián)網關鍵技術

2.1 感知層關鍵技術

相較于輸電網，配電網的拓撲結構為復雜、入網設備為多樣，為了實現(xiàn)有效監(jiān)測，傳感設備高度集成化：充分考量尺寸、兼容等因素研發(fā)新型設備；重點是底層傳感器部署技術的深化。

2.2 網絡層關鍵技術

配電網點多面廣，“點對點”有線通信方式難以全面鋪開，應采用“有線+ 無線”互補的模式，并重視安全防御的落實。

底層自組網與核心通信網規(guī)劃技術。配電通信系統(tǒng)承載多種業(yè)務的信息傳輸任務( 需滿足多款QoS 需求)，且接入對象不斷豐富化( 如分布式發(fā)電、電動汽車、智能終端、海量傳感器等)，為應對泛在感知信息在數(shù)據(jù)量和呈現(xiàn)維度的指數(shù)式攀升，需設計健壯的自組網路由策略來確保底層接入網的狀態(tài)量和控制量獲得及時傳輸。在這方面，依托健壯性測度的構建提出網絡擴充的相關算法；基于通信系統(tǒng)與配網系統(tǒng)的耦合關系，以拓撲勢概念為抓手，提出配網CPS系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方法。

安全訪問與信息控制技術。物聯(lián)網技術的引入會在一定程度上帶來信息安全風險。解決途徑：身份認證與訪問控制技術(提出的基于哈希函數(shù)與非對稱加密技術的雙向身份認證與訪問控制協(xié)議) ；數(shù)據(jù)加密技術。即對傳輸數(shù)據(jù)施以加密算法，由接收方解密；安全路由技術。主要要借助路由協(xié)議的合理設計來保證信息的“源→宿”路徑可被正確發(fā)現(xiàn)。

2.3 平臺層關鍵技術

數(shù)據(jù)融合技術。通過泛在感知的海量數(shù)據(jù)的特點是多源、異構、高冗余，必須依托數(shù)據(jù)融合技術來進行置處理（圖3）；數(shù)據(jù)存儲管理與挖掘分析技術。為應對泛在電力物聯(lián)網海量數(shù)據(jù)的實時新存儲，可采取策略：基于Hadoop 平臺的數(shù)據(jù)壓縮方法；采用NoSQL 技術對實際數(shù)據(jù)進行分布式存儲管理。為提取大數(shù)據(jù)蘊含價值，可吸納K-means聚類來分析用電行為，可借助Apriori 算法尋找誘發(fā)諧波的主要原因等。

2.4 應用層關鍵技術

泛在電力物聯(lián)網環(huán)境下，諧波注入、潮流雙向流動、頻率/ 電壓波動加劇等情況會較普遍，需要采取新技術予以克服：態(tài)勢感知技術。就是通過“態(tài)勢察覺→態(tài)勢理解→態(tài)勢預測”來達成對電網運行風險的識別、分析及處置。可采取方法為基于電壓降方程和回歸分析方法；主動化運行技術。為應對新型能源與負荷的大規(guī)模接入，提升現(xiàn)有電網調節(jié)容量和調控靈活性，發(fā)展方向：依托泛在電力物聯(lián)網高性能硬件進行運行方式的實時計算和網架元件的精細化調控；經由價格激勵提高系統(tǒng)備用容量。

圖3 三個層級的數(shù)據(jù)融合技術

3、泛在電力物聯(lián)網與配電網的融合

泛在電力物聯(lián)網與配電網業(yè)務的融合將*改變現(xiàn)階段供用電情形，展望于三大層面（圖4）。

圖4 泛在電力物聯(lián)網在配電網的應用場景

A 層面。泛在電力物聯(lián)網擁有健壯的通信系統(tǒng)，可實時感知各類設備的運行狀態(tài)，再依托它的數(shù)據(jù)挖掘特長，就能不依靠電氣量提取或人工現(xiàn)場巡查來快速辨識系統(tǒng)潛伏性異常、評估電網運行風險程度，從而規(guī)避當下電力設備隨壞隨修的不利局面，使得狀態(tài)檢修能夠在真正意義上開展。

B 層面。在時代快速發(fā)展的當下，電網與用戶間的界限逐漸模糊，異質能源日趨混雜并協(xié)同應用，這需要提升配電網規(guī)劃運行的自主靈活性：基于各類感知到的大數(shù)據(jù)，建立高精細的負荷分布及預測模型，借助邊緣計算技術，提升不確定環(huán)境下配電網運行彈性；借助云計算技術對異質能源進行各類分析，目的是達成多種能源的合理應用。

C 層面。為形成用戶合理用能局面，并使用戶以充分的深度和廣度參與配電網運行，應基于泛在電力物聯(lián)網制定個性化用能服務：以智能算法分析用戶用能習慣，達成個性化用能（圖5）。基于配電網主動化運行技術與價格激勵機制，實現(xiàn)“源- 荷”一體化調度（圖6）。

圖5 用戶用電行為分析技術框架

圖6 配電網協(xié)同化控制架構

4、安科瑞配電系統(tǒng)智能運維產品選型及平臺介紹

近兩年來，安科瑞已經陸續(xù)參與各縣市電力公司的用戶端能源管理平臺、云南省網綜合能源服務平臺、上海嘉定區(qū)147所學校電力運維平臺等相關平臺的建設，提供了包括云平臺、智能網關、終端設備等產品，各類用戶端云平臺在全國各地運行案例700多套，并且根據(jù)用戶需求不斷完善產品功能，這些都是未來泛在電力物聯(lián)網的一部分。安科瑞可為泛在電力物聯(lián)網系統(tǒng)感知層、網絡層、平臺層、應用層提供相應的產品，采用有線及網線的模式，達到各環(huán)節(jié)信息共享。

4.1安科瑞智能網關、終端設備選型

4.2 安科瑞智能運維平臺介紹

平臺結構

變配電站通過安裝多溫濕度傳感器，水浸傳感器，煙霧傳感器，門磁開關等傳感器，通過網關經無線（3G/4G）或有線的方式將數(shù)據(jù)上傳云服務器上，并將數(shù)據(jù)進行集中存儲、統(tǒng)一管理。具有權限的用戶可通過PC、PAD、手機等各類終端設備訪問數(shù)據(jù)、接收報警信息，監(jiān)控變配電站環(huán)境狀態(tài)。

平臺功能

安科瑞變電所運維云平臺（AcrelCloud-1000）根據(jù)市場需求反饋，運用互聯(lián)網和大數(shù)據(jù)技術，為電力運維公司提供配套線上運維服務。該平臺作為連接運維單位和用電企業(yè)的紐帶，監(jiān)視用戶配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)，為客戶提供好的運維服務，平臺提供系統(tǒng)總覽、電力數(shù)據(jù)監(jiān)測、電能質量分析、用電統(tǒng)計分析和日/月/年電能統(tǒng)計報表、異常預警、事故報警和事件記錄、運行環(huán)境監(jiān)測、運維巡檢派單等功能，并支持多平臺、多終端數(shù)據(jù)訪問。

• 電力監(jiān)測

通過矢量配電圖監(jiān)測變電所用電情況，畫面響應遙信變位、遙測越限報警，點擊某個配電回路后可以查詢該配電回路的各類詳細用電參數(shù)，包括實時值、平均值；

實時監(jiān)測變壓器運行情況，包括功率、負荷率、需量、繞組溫度等。

提供多種類型的查詢報表，可以查詢各配電回路的各類電力參數(shù)(電壓、電流、功率、頻率、諧波、三相不平衡度等),系統(tǒng)可以對某電力參數(shù)按照天、月進行極值統(tǒng)計。

可實現(xiàn)漏電監(jiān)測、線纜及母排溫度監(jiān)測。

• 故障報警

平臺可配置遙信變位報警（水浸、煙霧、門磁、開關跳閘等）、遙測越限報警（過壓、欠壓、過流、線纜溫度過高、繞組溫度過高等）、運行報警（儀表離線、網關離線等），并將接收到的報警通過短信、網頁推送，報警上下限可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活配置。

• 能效分析

按照配電回路、區(qū)域、部門、分項（照明、空調、動力等）統(tǒng)計每時、每天、每月、每年用電數(shù)據(jù)，并進行同環(huán)比分析；

按尖、峰、平、谷統(tǒng)計各配電回路的用電量及用電金額； 

統(tǒng)計四象限電能并計算每天、每月的平均功率因數(shù)；

按月統(tǒng)計每個回路的需量及發(fā)生值，為需量申報提供依據(jù)。

l 設備檔案

系統(tǒng)可配置每個變電所內變壓器、進線柜、出線柜、計量柜、高壓電纜等設備信息，記錄設備的廠家、型號、投運日期等，并可靈活定義設備的巡檢項、缺陷類別等信息。

l 巡檢消缺 

通過系統(tǒng)編制巡檢計劃，并將計劃下發(fā)到巡檢人員手機上，巡檢人員在變電所現(xiàn)場根據(jù)巡檢要求執(zhí)行巡檢任務，如果在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)缺陷，可記錄缺陷并在系統(tǒng)中生成消缺任務。

l 用戶報告

• 手機APP

通過手機APP實現(xiàn)配電圖查看、視頻監(jiān)視及回放、電力參數(shù)查詢、需量統(tǒng)計、用能分析，并可通過手機接收報警、執(zhí)行巡檢、記錄缺陷.

參考文獻

【1】 楊挺,趙黎媛,王成山, 人工智能在電力系統(tǒng)及綜合能源系統(tǒng)中的應用綜述[J].電力系統(tǒng)自動化

【2】 汪鵬，鄭宵，湯曉穎，泛在電力物聯(lián)網在智能配電系統(tǒng)的應用探究

【3】 安科瑞企業(yè)微電網設計及應用手冊.2020.6版