基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

崔 艷

（新沂市陽光熱電有限公司，江蘇 徐州 221400）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展和電力需求的不斷增加，電力系統(tǒng)的管理和運行面臨的挑戰(zhàn)也越來越多。在這種背景下，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高電力配網(wǎng)的智能化水平成為一種切實可行的方法。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有感知、通信和數(shù)據(jù)處理等特性，為電力配網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測、管理和優(yōu)化提供了新的手段和思路。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力配網(wǎng)中的應(yīng)用

1.1 感知與監(jiān)測技術(shù)

在電力配網(wǎng)中，傳感器利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知與監(jiān)測功能，可以實現(xiàn)對電力設(shè)備和線路的實時監(jiān)測。傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵位置上安裝傳感器，可以對電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器可以采集電壓、電流、溫度以及濕度等多個參數(shù)，以全面感知電力設(shè)備的運行狀態(tài)。

在電力設(shè)備層面，通過布置電流傳感器和電壓傳感器，系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取設(shè)備的電參數(shù)信息，包括電流強度和電壓水平等，及時掌握設(shè)備的運行狀況并預(yù)防潛在故障。例如，應(yīng)用溫濕度傳感器可以有效監(jiān)測設(shè)備周圍的環(huán)境條件，為設(shè)備的安全運行提供實時環(huán)境數(shù)據(jù)。

在電力線路層面，通過在關(guān)鍵節(jié)點部署傳感器，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電力傳輸線路的動態(tài)監(jiān)測。傳感器能夠?qū)崟r測量電力線路上的電流、電壓等參數(shù)，并捕捉線路的實時狀態(tài)，如監(jiān)測電流的變化情況[1]。通過這種方式，可以及時發(fā)現(xiàn)線路過載、短路等問題并提前采取處理措施，以確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1.2 通信技術(shù)

在電力配網(wǎng)系統(tǒng)中，通信技術(shù)的重要性日益突顯，而物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的運用是實現(xiàn)智能化管理的關(guān)鍵。5G 技術(shù)為電力配網(wǎng)系統(tǒng)提供了高速、低延遲、大連接的通信支持。

5G 技術(shù)具有高速度和低延遲的特性，是實現(xiàn)電力設(shè)備之間實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。在電力配網(wǎng)中，利用5G 技術(shù)，各個傳感器節(jié)點能夠迅速、高效地將實時監(jiān)測到的電力信息傳輸至控制中心，從而實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的快速響應(yīng)和實時監(jiān)測。超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）也在物聯(lián)網(wǎng)通信中發(fā)揮著重要作用。作為一種輕量級的通信協(xié)議，HTTP 在電力配網(wǎng)系統(tǒng)中能夠以簡單、可靠的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[2]。其采用請求-響應(yīng)模式的通信方式，方便各個設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對電力配網(wǎng)系統(tǒng)的有效管理和控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理與存儲

在電力配網(wǎng)系統(tǒng)中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲是確保通信實時性和可靠性的關(guān)鍵。通過有效處理并存儲感知到的大量電力數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)運行和管理的穩(wěn)定性和安全性。

數(shù)據(jù)處理方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過引入先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，如實時數(shù)據(jù)壓縮、去重和聚合等，有效減少了數(shù)據(jù)傳輸中的冗余信息，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。同時，采用實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)，系統(tǒng)能夠在數(shù)據(jù)生成的同時進(jìn)行快速的實時分析，為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供實時支持。

數(shù)據(jù)存儲方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用靈活且可擴展的存儲架構(gòu)。基于分布式數(shù)據(jù)庫和云存儲技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)⒏兄降臄?shù)據(jù)存儲在可靠的云端服務(wù)器上，確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。這種存儲方式還具有高度的可擴展性，可以根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整存儲容量，以適應(yīng)不斷增長的數(shù)據(jù)量。

2 智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計中，系統(tǒng)架構(gòu)直接影響著系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性和可擴展性。文章設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計主要分為應(yīng)用層、平臺層、傳輸層以及感知層4 個關(guān)鍵層次，通過這些層次之間的協(xié)同工作，實現(xiàn)對電力配網(wǎng)的智能化監(jiān)控與管理。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

第一，應(yīng)用層。用于實現(xiàn)電網(wǎng)可視化監(jiān)控平臺、變電站智能管控和智能熱點監(jiān)控等應(yīng)用。該層注重用戶體驗和功能性，確保系統(tǒng)對用戶友好，并具備高度智能化的監(jiān)控和管控功能。

第二，平臺層。用于完成操作系統(tǒng)、軟件開發(fā)、設(shè)備管理平臺以及連接管理平臺等任務(wù)。其中，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，軟件開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的升級與擴展等目標(biāo)，設(shè)備管理平臺負(fù)責(zé)對接各類設(shè)備，而連接管理平臺則用于確保各層次之間的溝通順暢。

第三，傳輸層。傳輸層是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由通信標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議、邊緣計算網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備組成。其中，通信標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議能夠確保系統(tǒng)內(nèi)外信息的高效傳遞，邊緣計算網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速處理和響應(yīng)，物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備用于確保各類設(shè)備之間的連接。

第四，感知層。其由傳感器、芯片、通信模組以及感知類智能設(shè)備/裝置等組成[3]。通過各類傳感器獲取電力配網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)的上層進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

通過合理設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)對電力配網(wǎng)的全面感知、智能監(jiān)控與管控。各層次之間的協(xié)同工作可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，為未來的系統(tǒng)升級和擴展提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 設(shè)備智能化改造

在設(shè)計智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)時，設(shè)備智能化改造是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對傳統(tǒng)電力設(shè)備進(jìn)行智能化升級，以提高自動化水平。該過程涵蓋傳感器的應(yīng)用、設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)測以及自動化控制等內(nèi)容。通過在傳統(tǒng)電力設(shè)備上部署各類傳感器，可以實現(xiàn)對電流、電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測，并利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至云端，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和控制提供基礎(chǔ)。

設(shè)備智能化改造的關(guān)鍵是實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。利用物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，設(shè)備間能夠?qū)崿F(xiàn)信息的共享和交流，從而形成一個協(xié)同工作的智能系統(tǒng)；通過數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)，系統(tǒng)能夠記錄并分析設(shè)備狀態(tài)，為故障預(yù)測和維護(hù)提供支持。此外，智能電力設(shè)備可通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，方便運維人員對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和操作，以提高電力系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈活性。

2.3 智能監(jiān)測與診斷

在設(shè)計智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)時，智能監(jiān)測與診斷是一項關(guān)鍵的技術(shù)。通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對電力設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障診斷。在關(guān)鍵節(jié)點布置傳感器，使系統(tǒng)可以實時采集電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議傳送至云端進(jìn)行處理。在云端利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析這些數(shù)據(jù)，并建立設(shè)備狀態(tài)模型，實現(xiàn)對電力設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測[4]。

智能監(jiān)測系統(tǒng)具備強大的診斷能力。通過分析歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠識別并預(yù)測潛在的故障，提前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)測與診斷方法不僅能監(jiān)測設(shè)備本身的健康狀況，還能感知潛在的異常情況，如電流過載、溫度升高等，并及時發(fā)出警報。這種實時的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)能夠有效縮短電力設(shè)備的停機時間，提高電力系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。

3 電力配網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 負(fù)載均衡優(yōu)化

電力配網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載均衡優(yōu)化是基于大量實時負(fù)載數(shù)據(jù)的智能決策過程。系統(tǒng)利用感知與監(jiān)測技術(shù)實時采集各節(jié)點的電流、電壓等電力參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至云端；利用數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)，在云端建立全面的電力負(fù)載數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)是系統(tǒng)精準(zhǔn)把控電力負(fù)載狀態(tài)的基礎(chǔ)。

在實現(xiàn)負(fù)載均衡優(yōu)化時，系統(tǒng)利用先進(jìn)的算法，如動態(tài)規(guī)劃或遺傳算法等，深度分析負(fù)載數(shù)據(jù)。綜合考慮各節(jié)點負(fù)載水平、實時電力需求和設(shè)備狀態(tài)等因素，使系統(tǒng)能夠智能地調(diào)整電力負(fù)載的分布。優(yōu)化算法會基于歷史數(shù)據(jù)和實時需求，動態(tài)地調(diào)整電力負(fù)載，使整個系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下都能保持相對均衡[5]。例如，系統(tǒng)可以利用負(fù)載預(yù)測算法，提前調(diào)整各節(jié)點的電力分配，以適應(yīng)未來某一時段的高峰負(fù)載。這種預(yù)測性的負(fù)載均衡優(yōu)化能夠有效降低系統(tǒng)的負(fù)載波動，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。通過實時監(jiān)測并反饋數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，以確保電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性。

3.2 能源管理優(yōu)化

電力配網(wǎng)系統(tǒng)的能源管理優(yōu)化是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能決策和監(jiān)控過程。通過利用感知與監(jiān)測技術(shù)，系統(tǒng)能實時獲取各節(jié)點的能源產(chǎn)生與消耗數(shù)據(jù)，包括可再生能源、傳統(tǒng)能源等。通信技術(shù)能夠確保這些數(shù)據(jù)迅速、穩(wěn)定地傳輸至中心管理系統(tǒng)。中心系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)，建立了全面的能源管理數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)對電力配網(wǎng)系統(tǒng)的全面管理和優(yōu)化。

在能源管理優(yōu)化中，系統(tǒng)運用智能算法對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，并綜合考慮不同能源的產(chǎn)生周期、系統(tǒng)負(fù)載需求、環(huán)境等因素，使系統(tǒng)制定出合理的能源調(diào)度方案。電力配網(wǎng)系統(tǒng)能源監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 電力配網(wǎng)系統(tǒng)能源監(jiān)測結(jié)果 單位：kW·h

以2023 年9 月1 日為例，系統(tǒng)當(dāng)天監(jiān)測到的太陽能發(fā)電量為150 kW·h，風(fēng)能發(fā)電量為120 kW·h，傳統(tǒng)能源消耗為300 kW·h。系統(tǒng)可以在太陽能發(fā)電量充足時增加太陽能的利用比例，減少對傳統(tǒng)能源的使用，以實現(xiàn)綠色、可持續(xù)的能源供應(yīng)。這種智能的能源管理策略有助于提高能源利用效率，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，從而達(dá)到優(yōu)化電力配網(wǎng)系統(tǒng)運行的目的。

3.3 安全性與可靠性優(yōu)化

電力配網(wǎng)系統(tǒng)的安全性與可靠性優(yōu)化是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行和防范各類安全威脅的關(guān)鍵。通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)全面的監(jiān)測與管理。

在安全性方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過實時監(jiān)測配電設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，能及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。例如，系統(tǒng)可通過感知技術(shù)檢測異常溫度、電流過載或短路等異常情況，并在事故發(fā)生前采取預(yù)防和解決措施。此外，可以利用高級加密算法和安全協(xié)議，確保通信數(shù)據(jù)的機密性和完整性，防范網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄露。

在可靠性方面，系統(tǒng)可以利用物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備的實時狀態(tài)監(jiān)測功能，實現(xiàn)對電力設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。當(dāng)系統(tǒng)檢測到設(shè)備異常時，能夠及時發(fā)出警報并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，以提高系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度。同時，引入智能自愈技術(shù)，使系統(tǒng)在檢測到故障時能夠迅速切換到備用設(shè)備，確保電力配網(wǎng)的連續(xù)穩(wěn)定供電。

4 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為電力行業(yè)帶來了巨大變革，在設(shè)計與優(yōu)化智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。通過應(yīng)用感知與監(jiān)測技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)等，成功構(gòu)建了一個全面智能化的電力配網(wǎng)系統(tǒng)。文章設(shè)計的智能電力配網(wǎng)系統(tǒng)為電力行業(yè)提供了全新的解決方案，能夠提高系統(tǒng)的智能化水平、運行效率、安全性及可靠性，為未來電力配網(wǎng)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。