基于物聯網終端的負荷安全用電機制設計

張露露，祁 兵，湯 野

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；2.國網遼寧省電力有限公司 營銷服務中心，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

物聯網作為新一代信息技術的重要組成部分快速發展。其利用先進的信息通信技術、傳感技術以及智能技術將人與物、物與物及人與人連接起來，終端是物聯網中感知層和傳輸層之間的設備，具備數據采集、處理、加密及傳輸等功能，同時可以基于感知到的數據變化，提供優化決策判斷[1,2]。

在電力系統中，家電技術的發展和整體生活水平的提升使得居民用戶的用電需求不斷上升，若負荷上升速度快于電力系統中的基礎設施更新速度，則在用電高峰期容易超過基礎設施容量上限，導致家庭局域用電故障，對電力用戶的正常用電造成影響[3]。居民安全用電問題一直是用電領域的研究熱點，但是當前家庭安全用電方面的研究離不開負荷與用電管理系統良好的通信連接，負荷設備的多樣性對用電管理系統的兼容性提出了更高的要求。隨著物聯網技術的發展，物聯網終端標準將會得到統一并且被大規模推廣。

本文首先闡述了用戶側電力物聯網的模型及物聯網終端具體能力，基于物聯網終端能力提出了一種實現居民負荷群體安全用電的機制，可以有效降低設備群體隨機控制的總負荷。

1 物聯網終端能力分析

1.1 IEC物聯網模型

根據國際電工委員會的物聯網標準描述，電力物聯網可劃分為6個域，分別是用戶域、資源訪問與交換域、運營與管理域、應用與服務域、感知與控制域以及物理實體域，具體如圖1所示。

圖1 IEC物聯網的域劃分及通信網絡部署

物理實體是智能電網中可以被識別和觀察到的電力設備，包括發電側、輸電側、配電側及電力用戶側的用于電能產生、輸送與使用的各種物理裝置和設備等。

1.2 物聯網終端能力

如圖2所示，物聯網終端的控制過程主要包括感知、分析、決策以及執行4個步驟[4,5]。終端首先感知負荷設備的參數，將相關參數轉換為數字信號，對獲得的數據進行處理和分析，根據分析結果，制定科學的決策策略，并控制執行器作用于負荷設備。物聯網終端通過感知器和執行器實現自身、負荷設備以及外界環境之間的互動，感知器可感知多種物理參數，除了電壓、電流、功率等負荷運行參數外，還有溫度、語音、圖像以及天氣等環境參數。控制器是物聯網終端的核心模塊，具有數據處理、分析以及策略制定與執行等能力，同時通過云計算、大數據、深度分析以及機器學習等智能技術，產生高級控制策略[6]。

圖2 物聯網終端的控制過程

物聯網終端通過自身的各種能力為物聯網用戶提供服務，使物聯網系統具備了更加完備的功能。物聯網終端必須具備的能力包括以下4項。

一是感知能力，感知能力是終端能夠感知物理實體的變化，形成顯性數據的能力。二是執行能力，執行能力是終端通過執行器將改變物理實體的狀態和參數的能力。三是運算控制能力，運算控制能力是終端進行數據處理與分析，根據分析結果生成策略，并執行策略的能力。四是智能分析能力，智能分析能力能夠最大限度地利用信息的價值，使終端具有自我思維，能夠更快地對周圍環境的變化產生應對措施，適應未來社會對物聯網的要求和期望。

除上述的功能外，IEC的相關標準也對終端的其他能力，如環境敏感能力、自我描述能力、即插即用能力以及內容感知能力等進行了規定。

2 基于物聯網終端的安全用電機制設計

在負荷集群中，當負荷的狀態發生變化時，不僅對集群總體的用電信息產生影響，而且由于電力線路阻抗的存在，也對集群中其他負荷的狀態產生影響。

基于上述分析，本文提出如下的安全用電機制，能夠使物聯網終端通過監測電采暖負荷的用電信息變化判斷集群的狀態，自動調節啟停時間，避免負荷過載。在準備階段，每個物聯網終端從云端導入（或手工輸入）負荷集合I，并設置每個負荷的開啟條件及退避時間參數t退避，設置集群功率閾值，步驟如下。

步驟一：終端監測負荷的開啟條件，如果開啟條件滿足設置要求，負荷進入待啟動狀態，轉步驟二。否則，終端監測負荷開啟條件返回步驟一。

步驟二：終端判斷當前集群總功率，若當前總功率低于功率閾值，則集群整體處于安全狀態，負荷允許開啟，否則返回步驟一。

步驟三：終端計算順序啟動所需要的退避時間t退避，然后延時t退避時間后再判斷集群的總功率，如不安全則返回步驟一，如安全則啟動負荷。

步驟四：啟動后終端計算本次負荷將持續工作的時間t工作。

步驟五：如連續工作時間大于t工作或室溫大于T高，則關閉負荷，返回步驟一，否則繼續步驟五。

為避免負荷的啟動時間相同，退避時間必須滿足隨機性。本文應用二進制指數退避時間使負荷有序工作，當終端發現啟動條件具備時并不立即啟動，而是延遲退避時間后重新進行條件判斷[7,8]。

3 算例分析

在以電采暖為例的應用場景中進行了機制仿真驗證。

北方地區冬季一個電采暖設備集群早上8：00-20：00的負荷曲線如圖3所示。

圖3 負荷曲線示意圖

觀察圖3的負荷曲線趨勢，溫度控制機制的負荷曲線一開始波動較大，在8：00-13：00之間產生負荷峰值和和峰谷差，13：00以后趨于平穩。安全用電機制由于對負荷峰值有所控制，8：00-13：00之間負荷曲線趨勢與溫度控制機制的負荷曲線趨勢大體相似，但是峰值和峰谷差要明顯小于溫度控制機制的負荷曲線，13：00以后兩者差別不大。輪控定時機制通過分組定時設置，其負荷曲線趨勢在8：00-20：00之間呈平穩狀態，沒有明顯的負荷高峰出現。

結合表1負荷曲線參數對3種算法的應用效果進行進一步分析發現，通過用電安全機制可以將負荷峰值降至原來81.48%，可以將峰谷差降至62.96%。在同一電采暖負荷集群中，安全用電機制可以平滑負荷曲線，使用戶設備對變壓器的容量要求更低，電網對負荷沖擊的承受能力更強，電網安全運行的可能性越高。同時可以發現安全用電機制負荷曲線的用電負荷率最高，在變壓器額定的情況下，安全用電機制的設備利用率越高，應用效果越好，與另外兩種控制機制相比具有一定的優勢[9,10]。

表1 負荷曲線參數對比

4 結 論

本文提出的安全用電機制通過感知負荷用電數據實現群體負荷的智能決策與協同控制，平滑用電負荷曲線，過濾峰值對電網容量的沖擊，具有以下兩個方面的應用優勢。

第一，可使用戶最大限度地利用現有網絡容量，推遲網絡增容改造時間。在小區或農村的供電網中，網絡更新速度遠小于用電設備的換代與增加速度，已有資源逐漸無法滿足用電增長需求。通過物聯網終端對設備運行進行協調，能夠保證可靠用電，適用于具有電采暖、電熱水器及充電樁等大功率用電設備的小區或農村。第二，為供電網的容量規劃和設計提供實際運行參考。在供電網的新建或改造中，可以通過該機制計算可調負荷的彈性范圍，進而確定供電網最大容量的取值，可以低于傳統的規劃設計值，或在傳統的規劃設計值下容納更大數量的負荷設備。