泛在電力物聯網關鍵技術探討

閆建軍

摘要：能源供應壓力不斷增大和大量多種類型分布式能源不斷接入給電力系統的經濟運行、安全管理和應用服務提出了前所未有的挑戰。國家電網有限公司提出了打造泛在電力物聯網的構想，擬通過物聯網技術賦予電力系統靈活感知、實時通信、智能控制和可靠的信息安全等能力，不斷提升電網運行控制和調度的智能化水平，持續深入提高各種類型能源之間的互動能力，將現有的電力系統轉變為更高效、更安全、更可靠、更具彈性和可持續性的智能網絡化電力能源系統。對泛在電力物聯網的基本概念、主要特點、關鍵技術和典型應用進行說明與分析，在此基礎上給出泛在電力物聯網建設面臨的主要挑戰，為相關研究的深入開展提供有益的參考。

關鍵詞：物聯網; 電力物聯網; 大數據; 新一代人工智能; 智能家居; 智能車聯網系統

中圖分類號： TM 73? ? ? ? ?文獻標識碼：A

1泛在電力物聯網的概念

1.1? 泛在電力物聯網的定義

泛在物聯是指任何時間、任何地點、任何人任何物之間的信息互聯和交互。而泛在電力物聯網是指電力用戶及其設備、電網企業及其設備、發電企業及其設備、供應商及其設備、以及人和物的信息互聯和交互。泛在電力物聯網是物聯網技術在電力系統中的應用，其本質是實現各種信息傳感設備與通信信息資源的共享，從而形成具有自我標識、感知和智能處理的物理實體。實體之間的協同和互動，使得有關物體相互感知和反饋控制，形成一個更加智能的電力生產、生活體系。

1.2? 泛在電力物聯網的基本特征

泛在電力物聯網立足現有電網實體與通信技術，將不同能源系統物理互聯、時空信息互聯、商業互聯相融合，具有全息感知、泛在連接、開放共享、融合創新的特征。全息感知是指通過RFID、傳感器等，動態獲取“發–輸–變–用”各個環節不同設備、不同用戶的狀態信息。泛在連接指通過電力專網或移動網絡將電力系統中所有設備、用戶的信息和數據全時空連接。開放共享指在統一平臺上利用智能技術對數據進行共享和管理，提高數據質量，挖掘有效信息，實現數據上下貫通，全方位實時交互。融合創新即通過不同設備、用戶，不同時空信息，對內實現全業務在線，電網安全穩定運行。對外建成智慧綜合能源服務平臺，開拓電力市場，促進電力改革。

2泛在電力物聯網的關鍵技術

2.1智能芯片

隨著電力系統的不斷發展，越來越多的計量、保護、變換、控制、監測、用電等設備接入電力系統，各種電力設備的運行產生了大量數據，目前多數現場數據采集設備仍然基于傳動的工業采集裝置，數據可靠性差，精度低，也使得終端設備的智能化程度低，而基于智能芯片的微型智能傳感及智能終端可以充分解決這一問題，其具備高精度、低功耗、微型化、智能計算的特點，一方面可以完成設備信息的采集、提取及傳遞;另一方面通過本地邊緣計算，實現終端智能化，完成本地自控，從而無需像傳統設備一樣只具備遙測搖信功能而不具備遙控功能。近年來，谷歌開發的 Edge? TPU 芯片、中科院開發的“寒武紀”芯片都具備海量數據處理與邊緣計算的能力，這些智能芯片的出現將快速促進終端的全息感知與智能化。

2.2新型物聯網設備的設計與研發

實現信息感知是構建泛在電力物聯網的首要任務，這需要將各種傳感設備部署于各個目標區域以對不同的人或物進行實時感知。由于電力系統的規模龐大、結構復雜，因此需要部署成千上萬個傳感設備。這就要求進一步實現傳感設備的簡單化、低成本、低功耗和高度集成化，同時應當封裝無線通信功能以減少布線等網絡基礎架構的部署，以大幅度降低電力物聯網構建的成本和難度，便于實現眾多的物聯網設備與電力系統的無縫集成。由于有些傳感器甚至直接置于電力設備內部，因此還需要進一步實現傳感設備的小型化、微型化，以及需要考慮電磁兼容技術等。目前，一些新型傳感器的設計和研發可為電力物聯網的發展提供很多有益的參考，如： 仿生學傳感器、納米材料傳感器、生物芯片等。同時，通常情況下物聯網的應用是以具體事件、任務和目標為驅動的，即傳感設備根據具體的應用需求進行信息的感知和獲取。因此，物聯網應用于電力系統中，也必然要針對特定的應用環境設計具有特定功能的新型傳感設備。例如，已初步應用于智能家居中的智能家居占用傳感器、泄漏和水傳感器等。利用智能家居占用傳感器，戶主可以實時監控房屋內和周圍的所有活動，從而使房屋免受入侵和破壞。而泄漏和水傳感器則會在一旦發現泄漏的情況下立即向房主發出警報以便及時采取措施。由于數量多、應用環境復雜，傳感器設備的電池不便頻繁更換，因此高效的電源管理技術也必須納入到未來的物聯網設備設計和研發中來。為了有效地管理電源，目前已經提出了一些解決方案，例如使用低精度傳感器模塊陣列和后續的數據融合來生成高精度信息，使用數字電路來設計低功率傳感器節點等。值得特別關注的是，考慮通過在物聯網設備中集成能量收集系統，對周圍的光、熱、射頻、振動甚至是人體的運動等環境能源進行合理利用，來延長物聯網設備的壽命以減少其對電網或電池的依賴性，被視為是一種很有應用前景的替代方案。這樣做可以使物聯網設備真正實現便攜式和自我維持，進一步為實現無處不在的感知、通信和服務提供條件。此外，隨著科技的進步，“情景智能”的概念應運而生。筆者認為，情景智能就是在特定的應用環境中，智能設備可以獲取人或物的日常行為、喜好、運行特性等多方面的信息，并能夠總結出這些歷史信息的規律，以此為基礎根據當前或未來的時間、地點、位置、天氣等一系列維度提出智能化的決策或建議，即進行態勢感知。利用物聯網設備進行態勢感知的應用包括應急分析、負荷和發電預測、設備穩定性極限越策、網絡安全和實時/預測的可視化等。如前所述，泛在電力物聯網最大的價值是實現個性化和多樣化的服務，因此情景智能是對當前感知設備和網絡提出的更高層次的要求。由此可以預見，未來的物聯網設備不僅僅具備感知數據的基本功能，還可以通過集成智能算法等方式進行動態的態勢感知。例如，智能家居環境中，家用電器設備可以通過態勢感知為用戶提供更合理的用電建議以最大程度地降低用電費用。

2.3海量數據的處理技術和計算技術

通過電力能源系統連接的成千上萬個物聯網設備將會生成大量數據，這些數據具有高速生成、類型多樣、時效性要求高、準確性不一致等顯著特點，使得數據的存儲、共享和管理的過程都變得更加困難。如何通過有效的處理和計算方法將眾多數量的數據轉化為有價值的信息是一個嚴峻的挑戰。

大數據的處理和計算技術將賦予物聯網類似于生物神經系統對信息的認知和分析能力，這使得物聯網從最初的僅以傳遞信息為主要目的的連接型網絡，向通過處理信息以達成特定的服務為主要目的的智能型網絡轉變。很多學者針對具體的電力應用領域提出了相應的數據驅動方法來解決數據的處理、分析和計算的問題。

在配用電數據采集、聚合、處理和應用等方面提出了以大數據平臺為基礎的整體構架，設計了基于流處理和批處理的數據驅動方法，提出了適用于多維大數據用電行為分析的隨機矩陣相關性算法。

基于隨機矩陣理論對“西電東送”交直流輸電通道線損率的關聯特性進行分析。利用線損大數據構建出實驗矩陣數據源與對比矩陣數據源，將平均譜半徑作為關聯特性的量化指標，計算出實驗矩陣與對比矩陣的平均譜半徑以量化線損率之間的關聯特性。

針對電力生產安全事故誘因的分類和識別問題建立了事故誘因分析體系，對不同類型的事故進行了布爾離散化，進而運用 Apriori 算法進行深度關聯規則挖掘，從而實現對事故關鍵誘因的篩選和分析。

結束語

在國家電網有限公司大力提倡發展泛在電力物聯網的背景下，本文對泛在電力物聯網的基本概念、主要特點、關鍵技術和典型應用進行了分析與說明，為泛在電力物聯網的進一步深入研究提出有益的參考。由于打造泛在電力物聯網是一個長期的過程，因此本文提出的一些觀點需要隨著泛在電力物聯網發展進行完善和修正。總之，“堅強”與“智能”并重是我國能源互聯網發展的內在要求和方向，而“堅強”和“智能”這兩者本身就是相互促進的。因此，可以預見，承載數據流的泛在電力物聯網與承載電力流的堅強智能電網必將相輔相成、融合發展，形成強大的價值創造平臺，共同構成能源流、業務流、數據流“三流合一”的能源互聯網。

參考文獻

[1]林靜，林柏.電力物聯網建設中的關鍵技術研究[J].通訊世界，2017（24）：185-186.

[2]秦曉敏. 電力物聯網通信規約的設計與實現[A]. .衛星導航定位與北斗系統應用2017——深化北斗應用 開創中國導航新局面[C].：中國衛星導航定位協會，2017：5.

[3]陳浩龍.電力物聯網對電網穩定性的作用[J].中外企業家，2015（02）：234-235.