泛在電力物聯網的關鍵技術與應用前景

周海萍 饒璐 章燕

【摘 ?要】建設泛在電力物聯網是實現能源轉型目標的必要手段。從電力系統發展歷程和面臨的問題出發，論述了泛在電力物聯網的意義，提出了實施策略和可能遇到的問題。為實現能源轉型，風電光電等可再生能源裝機容量不斷增加。這些能源的隨機性給電力系統的功率平衡造成巨大壓力，有時不得不棄掉一部分風電光電。為了維持電力系統的穩定運行、提高風電光電的利用率，必須對可控負荷和分散式發電進行控制。因此，需要用互聯網連接可控負荷和分散式發電，形成泛在電力物聯網。常規發電廠、大型風電場、光電站等已經和電力系統連接了，調度可以直接控制。因此，泛在電力物聯網主要任務是連接負荷和分散式發電，尤其是可控負荷。電動汽車是可控負荷中最容易實現可控的，其次是熱水器、電熱鍋爐和空調等。利用泛在電力物聯網，協同控制風電光電、可控負荷、分散式發電等，可以提高風電光電利用率，實現能源轉型目標。

【關鍵詞】電力物聯網;關鍵技術;應用前景

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泛在電力物聯網的建設目標

發揮泛在物聯網大數據的優勢是其建設的主要目標。電力數據來源各異，包含控制、計量、監測等不同類型、不同時空尺度，實現海量數據統一分析及深度挖掘，是其首要建設目標。電力數據服務對象不同，打破數據壁壘，實現不同業務貫通是其第二階段建設目標。最終將電力數據應用于各行各業，推廣不同行業廣泛參與的商業模式是其最終建設目標。可以預見，隨著泛在電力物聯網的實現，以機器學習和深度學習為代表的大數據及人工智能技術等數據知識挖掘技術將得到廣泛應用與發展。

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EdgeTPU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。

2.25G與與LPWA

海量電力數據的傳遞需要一體化的通信網絡。電力系統地域分布廣泛，往往涉及高山、森林、冰原等復雜環境，致使通信網絡難以覆蓋全部，現場數據難以傳輸。現在物聯網有2類主流技術：一類是工業以太網和電力載波為主的有線網絡技術，另一類是以5G和低功耗廣域網（LPMA）為主的無線網絡技術。泛在電力物聯網中數據分布廣，分散性強，部分不易供電，連接難，采集頻次低[22]，傳統的有線網絡通信技術難以適用，因此以無線網絡為主的現代通信技術是實現泛在電力物聯網網絡通信的主要手段。

5G被視為物聯網發展的基礎。基于不同場景的5G切片網絡通信技術被認為是解決電力系統全息感知、泛在連接的關鍵所在。對于智能分布式配電自動化、毫秒級精準負荷控制等控制類業務，可以選擇具有超低時延的URLLC切片;對于海量用電信息采集、智能汽車充電站/樁、分布式電源接入等信息采集類業務可以選擇mMTC海量機器類通信接入切片;對于需要高清視頻回傳的輸變電線路狀態監控、無人機遠程巡檢、變電站機器人巡檢等現場業務，可以選擇eMBB增強移動帶寬切片;對于需要語音信息的調度電話、管理電話、應急通信等，可以選擇具有高安全、高可靠、高接通率和高清通話質量保障的為Voice語音切片。針對不同的應用場景，5G切片網絡技術可以選擇不同的切片，在5G網絡通道上實現數據的傳輸，并接入同樣的5G數據平臺。

2.3物聯網平臺

隨著電力系統海量數據接入一體化數據平臺，通過對大量數據的合理分析、深層挖掘，進而實現電力信息的有效利用。一體化數據平臺應當具備大數據處理和云端計算，以及實現風光預測、電力系統故障診斷等的人工智能能力。目前百度的“天工”智能物聯網平臺，移動OneNET物聯網平臺，阿里link物聯網平臺等一體化數據平臺相繼在生產實踐中展開應用。移動OneNET與“Hi”電展開合作，協助其解決“設備狀態檢測”、“設備位置監管”、“設備信息管理”、“反向控制設備”等問題;阿里云于無錫鴻山打造首個物聯網小鎮，實現小鎮交通、環境、水務、能源等多個城市管理項目的在線運營。對于實現泛在電力物聯網數據一體化平臺的搭建，必須結合“大數據+云計算+人工智能”的物聯網平臺。

3泛在電力物聯網的使命

智能電網和泛在電力物聯網相輔相成、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。從三代電力系統發展歷程可見，能源轉型是必須的。發展風電和光電是實現能源轉型目標的必要手段。風電光電比例增加導致了棄風棄光，為了實現能源轉型目標，必須減少棄風棄光。泛在電力物聯網要解決的主要問題就是如何減少棄風棄光，提高新能源利用率，實現能源轉型目標。風電場、光電站、火電廠、水電廠和大型用戶等已經和調度連接了，泛在電力物聯網主要是連接用戶和分散發電，尤其是可控負荷用戶。把可控負荷和分散發電有效控制起來，以實現源網荷協同，減少棄風棄光。

4風險防范

4.1泛在電力物聯必須保證電力系統的安全穩定運行和對用戶的安全可靠供電，尤其是網絡安全風險的防范。泛在電力物聯網是信息物理系統（CPS），但其職能是在實現能源轉型目標的過程中提供安全可靠的電能。泛在電力物聯的同時必須考慮安全防范措施，做到安全措施與泛在電力物聯同時設計、同時施工、同時投入運行。

4.2提高效率和使用方便是泛在電力物聯網獲得社會認可和積極使用的基礎。泛在電力物聯應該為用戶帶來便利。不是根據實際需要的大規模建設和不成熟技術的廣泛推廣，都可能造成巨大的浪費。

結語

本文將發電側與用戶側數據資源納入現有以電網數據為主的電力物聯網中，提出了具有終端泛在接人、平臺開放共享、計算云霧協同、數據驅動業務、應用隨需定制等特征的泛在電力物聯網概念，構建了涵蓋感知延伸層、邊緣計算層、網絡傳輸層與平臺應用層在內的泛在電力物聯網基本架構，并結合電力系統常規業務與能源互聯網新業態的發展需求，從功能設計與建設時序兩方面，提出了泛在電力物聯網實施方案建議。本文所提架構與實施方案有望為能源互聯網新一代信息通信系統的建設提供一種可行的技術選擇。需要指出，本文主要僅從平臺功能層面設計了泛在電力物聯網實施方案，如何結合人工智能、5G通信、大數據分析等先進技術，從技術層面提出泛在電力物聯網的解決方案是下一步研究的重點。

參考文獻：

[1]周孝信，陳樹勇，魯宗相，等.能源轉型中我國新一代電力系統的技術特征[J].中國電機工程學報，2018，38（7）：1893-1904，2205.

（作者單位：國網江西省電力有限公司南昌供電分公司）