物聯網技術在配電臺區中的研究與應用

周淦林

摘 要：在以“再電氣化”為路徑的新一輪能源革命浪潮中，傳統配電臺區自動化技術不成熟，相應自動化設備不完善，各個信息化系統之間無法進行信息共享等缺陷越來越突出。本文借助物聯網的技術與理念，提出一種新型配電臺區應用實踐方式，以適應日益精細化的管理要求，滿足能源轉型的需求。首先，本文介紹了配電物聯網的基本概念和架構體系，接著分析了配電物聯網所應用到的關鍵技術，闡述了配電物聯網在電動汽車有序充電樁的管理和新能源的靈活消納方面的實際應用，最后本文對物聯網技術在配電臺區中的應用前景進行了展望。

關鍵詞：配電臺區;物聯網;配電物聯網;再電氣化

物聯網技術作為信息科技領域的第三次革命，隨著5G、LoRa以及NB-IoT等信息通信技術的快速發展和應用，已然進入了人與人、人與物、物與物的深化大連接階段。配電物聯網即是物聯網技術應用到電力行業產生的新事物，配電物聯網利用物聯網技術，可以收集參與電力生產到電力消費環節中的各類對象的信息，并進一步實現數據的交流共享，以此為基礎，人們便可以實現對配電網狀態的實時管控[1]。本文將在深入介紹配電物聯網的概念及架構體系的基礎上，分析傳統配電臺區的不足之處，并針對配電物聯網中的關鍵技術進行研究，最后結合實例，探索物聯網技術在配電臺區中的實際應用。

1配電物聯網的概念

近年來，隨著新能源的大規模開發利用，越來越多的小容量光伏、風電需要接入電網，電動汽車也逐漸進入城市生活，作為能源革命中心環節的電網正在向新一代的電力系統演化，能源互聯網已經成為未來電網發展的新形態。傳統配電網因電氣化水平較低，信息化系統之間無法進行信息共享等缺陷已越來越難以滿足社會經濟發展，電網轉型的需求[2]。

配電物聯網是指物聯網技術應用于配電臺區，將信息數據系統與配電系統相結合，以此提升配電網對臺區內各項信息的感知能力，最終實現配電網的實時監管和控制。與傳統配電網相比，配電物聯網從本質上提升了配電網的建設、運維、管理水平，可以說是配電網發展、進步的必然趨勢[3]。

在以“再電氣化”為路徑的新一輪能源革命中，配電物聯網不僅適應能源管理長遠變革的技術需求，在配電網領域實現技術突破，打下以電網為核心的能源、工業互聯互通格局的基礎，也能滿足能源轉型“再電氣化”需求，其將成為未來產業布局的新思路、新模式、新焦點[4]。

2配電物聯網的架構體系

傳統物聯網包括三層架構，分別為感知層、網絡層和應用層，而配電物聯網融合了邊緣計算的理念和技術，搭建了區別于傳統物聯網的四層架構，這四層架構被命名為“云、管、邊、端”[5]。通過這四層架構的建設，可以讓配電網在任何時間，任何地點實現人、物之間的信息連接和交互，實現數據共享。

“云”是指云化的主站平臺，該主站平臺憑借容器技術、并行計算等技術，以軟件定義的方式實現邊緣側計算和網絡資源的統一調配。“云”層搭載了多種公共服務，如數據管理、告警服務、報表服務和日志服務等。此外，“云”層還可以細分為IaaS、PaaS和SaaS三部分，這三部分分別用以實現云端資源虛擬化，數據標準化和應用服務化。

“管”是指網絡管理，是連接“邊”與“云”、 “邊”與“端”、“端”與“云”之間信息溝通的橋梁。“管”層主要由遠程和本地通信網兩部分組成。兩種通信網應用的領域不盡相同，其中遠程通信網屬于廣域通信網的范疇，多以工業以太網交換機、中壓電力載波線、LTE電力無線專網或無線公網作為傳輸手段，具有可靠度高、低時延的特征，可以滿足配電物聯網平臺與邊緣節點之間的差異化通信需求。而本地通信網多以低壓電力載波線、微功率無線傳輸或LoRa無線傳輸作為傳輸渠道，具有靈活、高效且低功耗的特征，主要應用于海量感知節點與邊緣節點之間的就地通信需求。

“邊”是指邊緣計算設備即智能配變終端，部署在配變臺區配變變壓器之下，是整個配電臺區的入口，就地或就近提供智能決策與服務。“邊”所提供的決策與服務包括但不限于：負荷預測、故障研判、線損分析、風險預警、無功補償等等。“邊”將終端側硬件資源與軟件平臺進行了有機結合，在不增加硬件配置成本的前提條件下，不僅可以滿足配電臺區日新月異，不斷增加的應用需求，而且使得末端設備收集到的信息無需上傳即可本地處理，從本質上提升了配電網的整體計算能力。邊緣計算設備同時也是“端”層的邊緣計算與“云”層的大數據應用協同合作的基礎。

“端”即末端設備，是配電物聯網架構中數據收集和執行控制的實施者。具體而言，“端”通過各類傳感器和相應的計算、通訊單元，對配電臺區內的設施設備溫濕度環境、當下運行狀態、電流、電壓信息等基礎數據的監測、采集。區別于傳統的低壓配電網不可觀測的特征和中壓配電網測量范圍的局限性，“端”可以幫助配電物聯網實時觀測到配電設備方方面面的信息且擴大了配電網所能觀測的范圍，可以說“端”提供了配電物聯網所需的方面面的信息，為配電物聯網提供了必要的硬件支持。“端”的主要功能可以分為三大類，第一類是環境感知，包括風力檢測、溫濕度檢測、水位監測、視頻監控和紅外探測等。第二類是電氣監測，主要包括電流、電壓檢測和故障警示等。第三類是用能采集，采集對象包括智能電表、分布式電源、智能充電樁和智慧路燈等。

3配電物聯網關鍵技術

3.1傳統配電臺區的不足

傳統配電臺區往往存在以下缺陷：

（1）配電線路運行方式不夠靈活，應對緊急情況的能力不足，從而用電側的電能可靠性不能得到保障。該缺陷源于配電網架過于薄弱，部分線路負荷過重且備用容量無法滿足突發情況下的用電需求，這導致配電線路在發生故障時有可能出現難以實現符合轉供的情形。

（2）傳統配電臺區的自動化技術不成熟，相應自動化設備不完善。該缺陷主要體現在配電終端設備不能保持穩定運行，在線率不穩定，這使得配電自動化系統的實用性大大降低。此外，配電室的運行環境及主要設備溫度、低壓開關設備運行狀態信息、動作信息，各低壓出線負荷情況等相應設備設施的信息數據無法得到實施監控。

（3）傳統配電臺區的各個信息化系統之間無法進行信息共享。配電網包含的工程生產管理系統、電能質量在線監測系統、配電網運行監控平臺和GIS系統等分別承擔不同業務，且各系統之間無法實現信息共享數，導致日常運行中有大量工作被重復進行。

（4）傳統配電臺區缺乏合理的交互機制，這帶來的問題是：管理人員無法對配電臺區內的設施設備進行有效管理。除此之外，供電側的供電信息無法及時提供給用電單位，這導致用戶不能合理安排生產運作。用電單位也無法將實際的企業的供電需求告知供電單位，這導致供電單位不能根據用戶需求進行靈活調整。

（5）隨著小容量分布式光伏發電技術的發展和推廣，傳統配電臺區缺乏分布式電源接入技術的缺陷也逐漸顯現出來，這顯然令傳統的配電臺區無法滿足當下及未來的能源發展趨勢和要求。

3.2末端設備感知技術

配電物聯網通常在以智能配變終端（intelligent distribution terminal，IDT）為核心，結合末端設備完成配網的運行信息、設施設備信息、溫濕度信息以及其他輔助信息等基礎信息的收集。常見的末端設備包括智能一次設備、二次設備、智能傳感及視頻監控設備等，這些末端設備通常部署在在臺變側、線路側和用戶側的關鍵節點，點多面廣，感知技術可以在設備安裝之后自動上線或只需通過很少的配置即可進行遠程集中批量完成設備識別或單點完成該設備識別并進行業務數據通信，減少運維人員的調試工作，提高效率。

3.3配電臺區通訊技術

通信系統是電力系統的重要組成部分，建立高效、可靠的通信渠道是實現智能電網的物理基礎。配電物聯網的通信系統通常采用的通信方式有很多種，包括有：RF mesh、PLC、電話線、工業以太網技術、以太網無源光網絡（EPON）、光纖通信和無線公網、無線專網等。

3.4邊緣計算技術

邊緣計算是配電物聯網四層架構中的核心環節，同時具備采集、通信、計算和分析、控制的功能，它是采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺。我們通過在邊緣計算節點部署微服務，來提升配電服務的靈活性，擴展配電服務的業務功能，開發出貼合實際的APP，并以此體現配電物聯網應用價值。

3.5容器引擎技術

上文我們提到，配電物聯網的架構層之一，“云”層還可以細分為IaaS、PaaS和SaaS三部分，而容器引擎（Docker）技術正是針對PaaS層提出的關鍵技術。Docker技術將傳統基于虛擬機形式的調控PaaS云平臺容器化，不僅增加了PaaS平臺的自由度，使其具有更強大的兼容性和靈活性。更使得云平臺實現了對資源的實時監視、高效分配、節點管理和API控制，此外，PaaS平臺還可以對容器進行編排部署和自動化發布。

4物聯網技術在配電臺區中的實際應用

物聯網技術與配電臺區相配合可以在多個領域中起到相當的實際作用，本文以電動汽車行業和新能源領域為例進行簡單介紹。

針對當下越來越多的電動汽車進入城市生活，充電樁管理無序的情況，我們可以利用物聯網技術對電動汽車的充電進行有效管理。具體思路上，邊緣計算節點對充電樁進行實時的負荷數據監測，包括電流和電壓，邊緣計算節點再將數據上傳到物聯網云平臺，由云平臺進行充電樁負荷預測，再根據預測數據發出調節命令給邊緣計算節點，由節點發出調控指令，充電樁設備根據調控指令進行負荷調控，優化充電策略，引導用戶選擇適當充電方式。

物聯網技術應用于配電臺區可以對新能源進行靈活消納，滿足用戶在中、低壓配網中大量、快速、安全接入光伏、風電等新能源的需求，并可以協助用戶優化設備性能以產生更高的經濟效益，分析用戶的用能方式、調整新能源工作策略使之與用戶的用電習慣相適應。同時依靠物聯網云平臺完成對電源輸出功率的實時控制，并監視、削減諧波影響。

5結語

以物聯網技術提升配電臺區的電氣化水平是開展配電網能源管理長遠變革的基礎，將深刻轉變傳統的配電臺區的研究視角和應用格局。在當前“再電氣化”的潮流推動下，配電物聯網的應用不僅可以在配電網領域實現技術突破，更將有利于形成以電網為核心的能源、工業互聯互通格局，也能滿足能源轉型“再電氣化”需求。

參考文獻

[1] 盛萬興，呂志鵬.智能配電裝備與物聯網[J].供用電，2020，37（1）：2+1.

[2] 宋祺鵬，石巖，韓子龍，等.泛在電力物聯網下的配電網典型配置模式研究[J].供用電，2020，37（1）：15-20.

[3] 李洪全，張冀川，丁浩，等.基于IPv6的配電物聯網通信單元設計[J].供用電，2020，37（1）：21-29.

[4] 劉金耀.基于物聯網技術的電力設備一次狀態檢修[J].電子世界，2019（24）：179-180.

[5] 汪鵬，鄭霄，湯曉穎.泛在電力物聯網在智能配電系統的應用探究[J].電力設備管理，2019（12）：114-116.