淺談泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在智能配電系統的應用技術(shù)探究及展望

摘要: 對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行體系架構的探究，對面向配電網(wǎng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行條分縷析，就泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與配電網(wǎng)的融合情形或者說(shuō)典型應用進(jìn)行具體展望。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；配電系統；智能算法

引言

隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，配電網(wǎng)的角色在發(fā)生轉變：由單純的單向電能供應轉向復雜的雙向能流服務(wù)，如分布式發(fā)電的接入、用戶(hù)側多樣需求的滿(mǎn)足等。但受制于歷史發(fā)展情狀，規模龐大的配電網(wǎng)難以立即適應新角色，特別在信息化和自動(dòng)化水平上存在長(cháng)足進(jìn)展空間。正是基于此，內蒙古電力公司積極響應打造泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的戰略目標，其實(shí)質(zhì)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，充分吸納人工智能、大數據分析等要素，達成電力生產(chǎn)到電力消費各環(huán)節中各類(lèi)對象的信息互聯(lián)共享，從而實(shí)現對配網(wǎng)運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知與精細調控。但泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究尚不成熟，其與配網(wǎng)的融合處于起步階段，需要進(jìn)行有益探索。

1、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念及體系架構

在社會(huì )高度電氣化的當下，推進(jìn)電網(wǎng)信息化智能化的升級己成為世界各國共識。美國、歐盟、日韓等發(fā)達經(jīng)濟體均提出了相關(guān)愿景展望及工作計劃。我國是電力大國和電力強國，在電網(wǎng)發(fā)展的沿陣地自然占有一席之地。內蒙古電力公司關(guān)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的理解：將“源- 網(wǎng)- 荷”層面的人、物、設備等充分連接以達成泛在感知，借助可靠通信和高性能信息處理將海量數據在發(fā)、供、用之間共享，實(shí)現全網(wǎng)“能量流、信息流、業(yè)務(wù)流”的一體化融合，為價(jià)值服務(wù)提升提供有效平臺。感知層。它是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)末梢”，其物理形態(tài)主要是廠(chǎng)站端各類(lèi)互感器、電能表、集中器以及用戶(hù)側智能電器。通過(guò)該層的全景式感知，控制決策單元將在廣度和深度上洞悉電網(wǎng)運行各環(huán)節的情狀，為各類(lèi)電力應用奠定數據基礎。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)分層架構

網(wǎng)絡(luò )層。該層負責為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的各型業(yè)務(wù)提供安全的信息交互通道，具體方式按實(shí)況、傳距、成本等考量因素進(jìn)行擇定。

圖2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信方式

平臺層。該層承載海量數據的實(shí)時(shí)新、科學(xué)分析、共享管理，打破了信息孤島，解決了信息碎片化存儲問(wèn)題，助力電力系統向電力和數據并重的轉型。應用層。該層的功能是基于全景大數據搭建各類(lèi)新型應用平臺，達成電力系統各參與方的感知互動(dòng)。

2、面向配用電系統的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 感知層關(guān)鍵技術(shù)

相較于輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)的拓撲結構為復雜、入網(wǎng)設備為多樣，為了實(shí)現有效監測，傳感設備高度集成化：充分考量尺寸、兼容等因素研發(fā)新型設備；重點(diǎn)是底層傳感器部署技術(shù)的深化。

2.2 網(wǎng)絡(luò )層關(guān)鍵技術(shù)

配電網(wǎng)點(diǎn)多面廣，“點(diǎn)對點(diǎn)”有線(xiàn)通信方式難以全面鋪開(kāi)，應采用“有線(xiàn)+ 無(wú)線(xiàn)”互補的模式，并重視安全防御的落實(shí)。

底層自組網(wǎng)與核心通信網(wǎng)規劃技術(shù)。配電通信系統承載多種業(yè)務(wù)的信息傳輸任務(wù)( 需滿(mǎn)足多款QoS 需求)，且接入對象不斷豐富化( 如分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、智能終端、海量傳感器等)，為應對泛在感知信息在數據量和呈現維度的指數式攀升，需設計健壯的自組網(wǎng)路由策略來(lái)確保底層接入網(wǎng)的狀態(tài)量和控制量獲得及時(shí)傳輸。在這方面，依托健壯性測度的構建提出網(wǎng)絡(luò )擴充的相關(guān)算法；基于通信系統與配網(wǎng)系統的耦合關(guān)系，以拓撲勢概念為抓手，提出配網(wǎng)CPS系統協(xié)同規劃方法。

安全訪(fǎng)問(wèn)與信息控制技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入會(huì )在一定程度上帶來(lái)信息安全風(fēng)險。解決途徑：身份認證與訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)(提出的基于哈希函數與非對稱(chēng)加密技術(shù)的雙向身份認證與訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議) ；數據加密技術(shù)。即對傳輸數據施以加密算法，由接收方解密；安全路由技術(shù)。主要要借助路由協(xié)議的合理設計來(lái)保證信息的“源→宿”路徑可被正確發(fā)現。

2.3 平臺層關(guān)鍵技術(shù)

數據融合技術(shù)。通過(guò)泛在感知的海量數據的特點(diǎn)是多源、異構、高冗余，必須依托數據融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行置處理（圖3）；數據存儲管理與挖掘分析技術(shù)。為應對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)海量數據的實(shí)時(shí)新存儲，可采取策略：基于Hadoop 平臺的數據壓縮方法；采用NoSQL 技術(shù)對實(shí)際數據進(jìn)行分布式存儲管理。為提取大數據蘊含價(jià)值，可吸納K-means聚類(lèi)來(lái)分析用電行為，可借助Apriori 算法尋找誘發(fā)諧波的主要原因等。

2.4 應用層關(guān)鍵技術(shù)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，諧波注入、潮流雙向流動(dòng)、頻率/ 電壓波動(dòng)加劇等情況會(huì )較普遍，需要采取新技術(shù)予以克服：態(tài)勢感知技術(shù)。就是通過(guò)“態(tài)勢察覺(jué)→態(tài)勢理解→態(tài)勢預測”來(lái)達成對電網(wǎng)運行風(fēng)險的識別、分析及處置?？刹扇》椒榛陔妷航捣匠毯突貧w分析方法；主動(dòng)化運行技術(shù)。為應對新型能源與負荷的大規模接入，提升現有電網(wǎng)調節容量和調控靈活性，發(fā)展方向：依托泛在電力物聯(lián)網(wǎng)高性能硬件進(jìn)行運行方式的實(shí)時(shí)計算和網(wǎng)架元件的精細化調控；經(jīng)由價(jià)格激勵提高系統備用容量。

圖3 三個(gè)層級的數據融合技術(shù)

3、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與配電網(wǎng)的融合

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的融合將*改變現階段供用電情形，展望于三大層面（圖4）。

圖4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)的應用場(chǎng)景

A 層面。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)擁有健壯的通信系統，可實(shí)時(shí)感知各類(lèi)設備的運行狀態(tài)，再依托它的數據挖掘特長(cháng)，就能不依靠電氣量提取或人工現場(chǎng)巡查來(lái)快速辨識系統潛伏性異常、評估電網(wǎng)運行風(fēng)險程度，從而規避當下電力設備隨壞隨修的不利局面，使得狀態(tài)檢修能夠在真正意義上開(kāi)展。

B 層面。在時(shí)代快速發(fā)展的當下，電網(wǎng)與用戶(hù)間的界限逐漸模糊，異質(zhì)能源日趨混雜并協(xié)同應用，這需要提升配電網(wǎng)規劃運行的自主靈活性：基于各類(lèi)感知到的大數據，建立高精細的負荷分布及預測模型，借助邊緣計算技術(shù)，提升不確定環(huán)境下配電網(wǎng)運行彈性；借助云計算技術(shù)對異質(zhì)能源進(jìn)行各類(lèi)分析，目的是達成多種能源的合理應用。

C 層面。為形成用戶(hù)合理用能局面，并使用戶(hù)以充分的深度和廣度參與配電網(wǎng)運行，應基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)制定個(gè)性化用能服務(wù)：以智能算法分析用戶(hù)用能習慣，達成個(gè)性化用能（圖5）?；谂潆娋W(wǎng)主動(dòng)化運行技術(shù)與價(jià)格激勵機制，實(shí)現“源- 荷”一體化調度（圖6）。

圖5 用戶(hù)用電行為分析技術(shù)框架

圖6 配電網(wǎng)協(xié)同化控制架構

4、安科瑞配電系統智能運維產(chǎn)品選型及平臺介紹

近兩年來(lái)，安科瑞已經(jīng)陸續參與各縣市電力公司的用戶(hù)端能源管理平臺、云南省網(wǎng)綜合能源服務(wù)平臺、上海嘉定區147所學(xué)校電力運維平臺等相關(guān)平臺的建設，提供了包括云平臺、智能網(wǎng)關(guān)、終端設備等產(chǎn)品，各類(lèi)用戶(hù)端云平臺在全國各地運行案例700多套，并且根據用戶(hù)需求不斷完善產(chǎn)品功能，這些都是未來(lái)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一部分。安科瑞可為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統感知層、網(wǎng)絡(luò )層、平臺層、應用層提供相應的產(chǎn)品，采用有線(xiàn)及網(wǎng)線(xiàn)的模式，達到各環(huán)節信息共享。

4.1安科瑞智能網(wǎng)關(guān)、終端設備選型

4.2 安科瑞智能運維平臺介紹

平臺結構

變配電站通過(guò)安裝多溫濕度傳感器，水浸傳感器，煙霧傳感器，門(mén)磁開(kāi)關(guān)等傳感器，通過(guò)網(wǎng)關(guān)經(jīng)無(wú)線(xiàn)（3G/4G）或有線(xiàn)的方式將數據上傳云服務(wù)器上，并將數據進(jìn)行集中存儲、統一管理。具有權限的用戶(hù)可通過(guò)PC、PAD、手機等各類(lèi)終端設備訪(fǎng)問(wèn)數據、接收報警信息，監控變配電站環(huán)境狀態(tài)。

平臺功能

安科瑞變電所運維云平臺（AcrelCloud-1000）根據市場(chǎng)需求反饋，運用互聯(lián)網(wǎng)和大數據技術(shù)，為電力運維公司提供配套線(xiàn)上運維服務(wù)。該平臺作為連接運維單位和用電企業(yè)的紐帶，監視用戶(hù)配電系統的運行狀態(tài)和電量數據，為客戶(hù)提供好的運維服務(wù)，平臺提供系統總覽、電力數據監測、電能質(zhì)量分析、用電統計分析和日/月/年電能統計報表、異常預警、事故報警和事件記錄、運行環(huán)境監測、運維巡檢派單等功能，并支持多平臺、多終端數據訪(fǎng)問(wèn)。

• 電力監測

通過(guò)矢量配電圖監測變電所用電情況，畫(huà)面響應遙信變位、遙測越限報警，點(diǎn)擊某個(gè)配電回路后可以查詢(xún)該配電回路的各類(lèi)詳細用電參數，包括實(shí)時(shí)值、平均值；

實(shí)時(shí)監測變壓器運行情況，包括功率、負荷率、需量、繞組溫度等。

提供多種類(lèi)型的查詢(xún)報表，可以查詢(xún)各配電回路的各類(lèi)電力參數(電壓、電流、功率、頻率、諧波、三相不平衡度等),系統可以對某電力參數按照天、月進(jìn)行極值統計。

可實(shí)現漏電監測、線(xiàn)纜及母排溫度監測。

• 故障報警

平臺可配置遙信變位報警（水浸、煙霧、門(mén)磁、開(kāi)關(guān)跳閘等）、遙測越限報警（過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、線(xiàn)纜溫度過(guò)高、繞組溫度過(guò)高等）、運行報警（儀表離線(xiàn)、網(wǎng)關(guān)離線(xiàn)等），并將接收到的報警通過(guò)短信、網(wǎng)頁(yè)推送，報警上下限可根據現場(chǎng)情況靈活配置。

• 能效分析

按照配電回路、區域、部門(mén)、分項（照明、空調、動(dòng)力等）統計每時(shí)、每天、每月、每年用電數據，并進(jìn)行同環(huán)比分析；

按尖、峰、平、谷統計各配電回路的用電量及用電金額； 

統計四象限電能并計算每天、每月的平均功率因數；

按月統計每個(gè)回路的需量及發(fā)生值，為需量申報提供依據。

l 設備檔案

系統可配置每個(gè)變電所內變壓器、進(jìn)線(xiàn)柜、出線(xiàn)柜、計量柜、高壓電纜等設備信息，記錄設備的廠(chǎng)家、型號、投運日期等，并可靈活定義設備的巡檢項、缺陷類(lèi)別等信息。

l 巡檢消缺 

通過(guò)系統編制巡檢計劃，并將計劃下發(fā)到巡檢人員手機上，巡檢人員在變電所現場(chǎng)根據巡檢要求執行巡檢任務(wù)，如果在巡檢過(guò)程中發(fā)現缺陷，可記錄缺陷并在系統中生成消缺任務(wù)。

l 用戶(hù)報告

• 手機APP

通過(guò)手機APP實(shí)現配電圖查看、視頻監視及回放、電力參數查詢(xún)、需量統計、用能分析，并可通過(guò)手機接收報警、執行巡檢、記錄缺陷.

參考文獻

【1】 楊挺,趙黎媛,王成山, 人工智能在電力系統及綜合能源系統中的應用綜述[J].電力系統自動(dòng)化

【2】 汪鵬，鄭宵，湯曉穎，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在智能配電系統的應用探究

【3】 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計及應用手冊.2020.6版