基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統

鄭濤 孫剛 張暉

摘要

文章給出一種基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統，綜合運用NB-IoT技術結合WEBGIS技術，通過采集電力設備電壓、電流、電量、環境、工況、臺帳等信息，將各種孤立的能源信息進行有效的整合，實現對電力節能設備的實時監測，合理選擇統計方法和分析模型對設備能效進行評估，并且通過WEBGIS形象直觀地展示了電網的拓撲關系及電力系統運行狀態，該系統的建設不僅提高了能源管理水平，而且實現了電網企業節能減排任務，加快配電網建設和智能化改造，全面提升了配電變壓器能效水平.

【關鍵詞】NB-IoT WEBGIS 節能服務 電網建設 能效水平

目前，智能電網和物聯網產業的發展均被提升到國家經濟發展的戰略層面，如何將這兩者進行結合起來是電力發展中要解決的重要問題。物聯網技術指的是通過網絡將人與物、物與物互聯，實現信息交互的網絡技術，其作為“智能信息的感知末端”，將逐步深入到電網生產運營的各個環節，形成“智慧能源物聯網”。智慧能源物聯網可以全面地提高智能電網各環節的信息的感知深度、廣度及密度，促進并推運智慧能源的發展。文章綜合運用NB-IoT技術結合WEBGIS技術，通過采集電力節能設備電壓、電流、電量、環境、工況、臺帳等信息，對電力設備的實時監測，合理選擇統計方法和分析模型對設備能效進行評估，并且通過WEBGIS形象直觀地展示了電網的拓撲關系及電力系統運行狀態，建設基于NB-IoT的WEBGIS節能服務管理系統，在一定程度上解決了能源管理水平，初步形成“智慧能源物聯網”。

1 NB-IoT

與傳統的蜂窩通信不同，物聯網應用具有支持海量連接數、低終端成本、低終端功耗和超強覆蓋能力等特殊需求。基于蜂窩的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180KHz的頻段，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

NB-IoT是IoT領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWA）。NB-IoT支持待機時間短、對網絡連接要求較高設備的高效連接。據說NB-IoT設備電池壽命可以提高至少10年，同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接覆蓋。NB-IoT解決了深度覆蓋、低功耗、低成本、大連接的物聯網需求，未來還可以進一步升級滿足5G需求。

2 系統總體架構分析

由于目前現有電力節能設備在采集終端上存在著盲區，比如客戶服務單一、信息量少，系統內部存在信息孤島，并缺乏信息共享，不能構成一個實時的完整的有機統一體，所以在目前情況下能源管控系統智能化程度還不夠局。

針對以上情況搭建基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統，是利用物聯網建設全面感知，全實時的“智慧能源”系統，將物聯網的環境感知性、多業務和多網絡融合性有效地植入能源管控系統中，從而解決數據采集盲區，實現對電力節能設備的實時監控及雙向互動，并通過WEBGIS技術形象直觀地展示給業務人員。

基于NB-IoT的系統架構圖如圖1所示。

電力節能設備終端通過NB-IoT模塊連接到基站，IoT核心網承擔終端與非接入層交互的功能，并將IoT業務相關數據轉發到IoT平臺進行處理，IoT平臺匯聚從各接入網得到的IoT數據，并根據不同類型轉發至應用服務器進行處理后存入數據庫。

3 物聯網（IoT）分層網絡架構

物聯網架構大體可以分為三層，由應用層、網絡層和感知層三層組成。基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統的應用功能框架根據各大環節不同提出了不同的應用需求，根據系統的不同階段完成的功能，結合物聯網的模型將系統分為三層，如圖2所示。

感知層包括三相不平衡裝置、無功協調控制柜、串聯無功補償裝置、10kV線路并聯無功補償裝置，低壓雙向電力電子調壓器等電力節能設備傳感器終端;網絡層基于NB-IoT網絡，包含接入網和傳輸網，分別實現接入和傳輸功能，負責將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸到應用層;應用層功能有兩個方面一方面是數據的管理和數據的處理，另一方面是能源管控方面的業務應用。

4 基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統的應用實現

在整個能源管控運行的環節中，對電力節能設備數據的采集需要依托信息的感知、安全可靠的數據傳輸、低功耗的、低成本的、大連接的網絡技術，基于NB-IoT的技術恰好在多種場合滿足能源管控的需求。

基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統的建設目標：可以使設備的運行狀態得到實時監測，對電力能源的消耗及數量進行全面的掌握;對電力節能設備信息進行管理;對節能量數據進行評估和分析從而提高能源管理水平。針對系統的建設目標，現將系統應用服務架構設計如圖3所示。

客戶端：用于訪問應用系統和處理人機交互的客戶端，包括瀏覽器、桌面應用程序、無線應用等。

展示控制層：在J2EE技術體系，并采用MVC應用框架，由界面控制器組件、界面操作組件、JSP頁面組件和服務代理單元組成。其中界面的顯示由JSP網頁組件及WEBGIS展示組件完成，網頁上的具體操作由界面操作組件通過服務代理單元調用業務邏輯層的具體服務來完成，由界面控制器組件負責統一調用不同的界面操作組件和JSP網頁組件。

業務邏輯層：用于部署業務邏輯組件，可細分為業務處理邏輯組件和基礎應用支撐組件。

業務處理邏輯：具體的業務邏輯實現，總體上包括運行監測、統計分析、防真分析、項目管理、資產管理、系統支撐等業務處理邏輯。應用支撐：為各個組件提供統一共享的公共服務和平臺支撐，包括參數配置、權限控制、查詢服務、報表服務、圖形服務、統計服務等，提高系統的靈活性與可擴展性，此外還提供統一的集成服務，實現與其它業務應用的全面集成，使得整個系統形成一個有機整體。

數據服務層：數據層由數據映射層和數據源構成，數據映射層完成對數據源的訪問封裝，并使得業務邏輯層的設計和實現更集中于系統本身的功能。同時，數據映射層的存在屏蔽了業務邏輯層對底層數據存儲形式的依賴，使應用系統能夠適應多種類型的數據庫。

5 WEBGIS在系統中的應用

電力節能設備只有在地理圖上建立了模型，才能準確地描述各電力節能設備與系統及WEBGIS模塊之間通過數據庫關聯之間的關系并進行集成展示，從而實現有效的對節能設備的管理，達到能源管控的目標。由于電力節能設備傳感器上能夠發送GPS定位信息，所以電力節能設備在地圖上的模型就很容易建立。

系統中WEBGIS功能層分為三層，底層為數據層包括業務數據庫和空間數據庫;中間層為GIS服務層，該層提供數據服務和功能服務，數據服務向上層操作提供空間數據，功能服務向上層提供對空間數據的處理和操作功能。最上層為WEB服務層，WEB服務對GIS服務層的數據和業務數據進行處理，為用戶提供查詢展示等功能。

WEBGIS在能源管控系統中的應用，使WEB系統可以與GIS進行整合，系統用戶可以通過網頁就可以查看電力節能設備的位置、狀態信息、節能量等信息及對各種空間數據進行檢索和分析，實現空間數據的增值服務。

WEBGIS模塊系統架構如圖4所示。

6 結語

隨著物聯網技術的進步，利用先進的NB-IoT技術，結合地理信息WEGGIS技術建立通暢、穩定、高速、安全可靠的能源管控系統是實現能效管理的保障和趨勢。文章充分考慮了能源管控的應用需求，提出了基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系統，該系統充分利用物聯網的優勢，在電力節能設備終端實現了全方位的信息采集，通過安全可靠的通信網絡將實時數據傳輸到服務器，系統通過對實時數據的處理分析，并通過WEBGIS進行展示，結合評估模型對能效進行有效評估，在一定程度上解決了能源管理水平，初步形成“智慧能源物聯網”，既滿足了客戶需求，又適應了未來的發展。

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