淺談基於泛在電力物聯網的電力能耗管理係統研究

摘要：隨著當今時代互聯網的飛速發展，傳(chuan) 統電網已經不再能滿足人民日益增長的電力需求。為(wei) 實現感知、可靠傳(chuan) 輸、智能處理、互交互聯的新一代電力係統，國家電網提出發展泛在電力物聯網的戰略目標。首先以清潔能源、能源需求為(wei) 背景，對泛在電力物聯網的概念、基本構架進行詳細闡述。然後對電力能耗監測管理係統構架的主要關(guan) 鍵技術進行說明。以華北電力大學揚中智能電氣研究的電力能耗監測管理係統為(wei) 實例，闡述泛在電力物聯網基本應用情況，為(wei) 其它相關(guan) 研究提供參考。關(guan) 鍵詞：物聯網；泛在電力物聯網；電力能耗；監測管理 0引言      未來的全球經濟實現可持續發展，離不開可提供高滲透率分布式清潔能源的電力係統的支持。在中國能源生產(chan) 以及高質量消費革命背景下，可再生能源的高比例接入、電動汽車與(yu) 充電基礎設施的推廣應用以及分布式電源的發展等使得原先以單向潮流為(wei) 主電網的發展形態逐漸演變成互聯互通、優(you) 化互動、平衡共享的新型電力互聯網，進一步推動著能源生產(chan) 消費變革。       當今時代是“互聯網+"的時代，關(guan) 鍵特征之一便是以現代信息和通信技術為(wei) 創新基礎，以“大雲(yun) 物移智"為(wei) 代表，通過物與(yu) 物、人與(yu) 物之間的物聯網信息交互，實現感知更多麵化、傳(chuan) 輸更可靠化、處理更智能化的新型互聯網技術。因此，對於(yu) 處在電網形態轉變關(guan) 鍵節點的中國，亟需開展物聯網技術與(yu) 智能電網的深度融合。2019 年，國家電網公司提出“三型兩(liang) 網"戰略目標，將建設泛在電力物聯網規劃為(wei) 近 3 年國家電網的任務，並提出到2024年建成泛在電力物聯網這一宏偉(wei) 目標。 基於(yu) 泛在電力物聯網的發展背景，本文從(cong) 泛在電力物聯網的定義(yi) 和基本構架入手，首先介紹電力能耗監測管理的主要關(guan) 鍵技術，然後以華北電力大學揚中智能電氣研究為(wei) 應用實例，對泛在電力物聯網進行分析研究，為(wei) 謀劃和建設未來的新型電力係統提供參考。1泛在電力物聯網概念1.1 定義(yi)        1999年，美國加州施樂(le) 公司及美國麻省理工學院分別提出泛在網及物聯網的概念。泛在物聯是指信息可在不限製時間、地點、人和物這四要素的情況下實現*的連接和交互。“泛在電力物聯網"的本質在於(yu) 電力行業(ye) “能源數據"的收集、交換、融合及擴展應用，具有全息感知、泛在連接、開放共享、業(ye) 務創新基本特點。 1.2 基本構架       為(wei) 了實現電力泛在物聯，需要進一步構建開放、分層、可擴展的網絡體(ti) 係結構，因此在物聯網的感知延伸層、網絡傳(chuan) 輸層及平台應用層的基礎上，增加了邊緣計算層，實現能量流、信息流與(yu) 業(ye) 務流的交互耦合。感知延伸層是泛在電力物聯網的基礎，相當於(yu) 人體(ti) 的“神經末梢"，由狀態感知和執行控製主體(ti) 終端構成。網絡傳(chuan) 輸層是感知延伸層與(yu) 平台應用層之間的數據傳(chuan) 輸通道，為(wei) 泛在電力物聯網的各類型業(ye) 務提供可靠的通信信息服務。電力物聯網通信方式包括近距離有線/無線傳(chuan) 輸、傳(chuan) 統互聯網、移動空中網等。      相比於(yu) 傳(chuan) 統物聯網，泛在電力物聯網增加了邊緣計算層，即靠近末端感知節點處於(yu) 網絡邊緣的分布式智能代理。其將感知層的一些設備通過總線、無線自組織傳(chuan) 感網等通信方式接入邊緣計算層，在處理分析感知層的海量數據後，傳(chuan) 送至雲(yun) 平台集中處理。平台應用層基於(yu) 電網運行數據，結合現代先進技術手段，將數據進行融合分析，解決(jue) 傳(chuan) 統能源生產(chan) 運行方式下的存儲(chu) 問題，從(cong) 而實現信息互聯共享。       以本文的能耗管理係統為(wei) 例，泛在電力物聯網的4個(ge) 基本構架在整個(ge) 係統中的表現為(wei) ：在感知延伸層上，係統的末端感知節點可現場實時采集園區的所有電力能耗總數據，以GPRS、3G、4G及以太網的網絡通信技術應用至平台應用層，在能耗管理平台上呈現係統的電力能耗概覽、電力能耗占比、電力能耗統計等主要情況。2電力能耗管理係統關(guan) 鍵技術       本文在泛在電力物聯網基礎上，運用數據分析技術、網絡信息技術、智能平台管理技術等多種技術完成自動化人工智能，實現新一代電力能耗管理，以下簡要介紹係統所涉及到的3種關(guan) 鍵技術。 2.1 數據分析技術       電力能耗監測管理係統在運行過程中將產(chan) 生大量數據，這些數據具有來源多、格式多、信息冗餘(yu) 度高、數據量大、隱含信息價(jia) 值高但不直觀等特性。為(wei) 了降低數據的冗餘(yu) 度及分析難度，需先采用數據融合技術，在海量數據中對有效數據進行深入挖掘和實時存儲(chu) 。  2.2 網絡信息技術       網絡信息技術在泛在物聯網網絡傳(chuan) 輸層中尤為(wei) 重要。構建電力能耗監測管理係統的體(ti) 係方麵需要考慮到兩(liang) 個(ge) 方麵：（1） 終端設施穩定。從(cong) 物理層角度研究芯片級防護關(guan) 鍵技術；研究設備的嵌入式操作係統，提供密碼服務框架及輕量級密碼應用技術；發展終端層防護組件適配技術，實現物聯網現場設備的接入身份驗證。（2） 數據加密。研究支持跨域共享的數據訪問控製模型及數據保護關(guan) 鍵技術，保證數據在傳(chuan) 輸過程中不被和篡改；對傳(chuan) 統加密算法進行改進，研究麵向多種複雜型業(ye) 務的加密算法；研究數據動態脫敏、追蹤溯源等關(guan) 鍵技術。 2.3 智能平台管理技術       為(wei) 完成“三型兩(liang) 網"戰略指標，需大力發展泛在電力物聯網平台。該智能平台管理技術首先將海量電網運行數據、用戶側(ce) 用能數據以及其它能源係統數據經過數據分析技術處理後，進行統一存儲(chu) 與(yu) 管理；然後在此基礎上，根據用戶所需求的智能運維、個(ge) 性化電力能耗分析對比等用戶用能業(ye) 務，搭建各類針對性應用平台、智慧能源綜合服務平台與(yu) 新型業(ye) 務培育發展平台。3電力能耗監測管理係統平台      本文以華北電力大學揚中智能電氣研究的電力能耗監測管理係統為(wei) 主要研究對象，並以此作為(wei) 應用實例進行分析。 3.1 係統整體(ti) 概述       電力能耗監測管理係統主要包括用電信息的收集、實時監測以及分析發布。其主要功能是對所有與(yu) 電能有關(guan) 的數據進行采集，並在電能管理部門進行數據的發布，應用係統架構對應了泛在電力物聯網的框架，如圖1所示。 圖1      該係統以工作站主機、通訊設備、測控單元為(wei) 基本單元，以所在園區的實時用電信息的數據采集、開關(guan) 狀態監測及遠程管理與(yu) 控製為(wei) 基礎平台。該係統主要采用的是分層分布式計算機網絡體(ti) 係結構，數據采集單元采用電力線載波的通信方式，將采集點信息匯聚到集中器處，再由集中器通過 GSM/3G/4G/以太網的方式上傳(chuan) 至核心數據庫服務器，由核心數據庫服務器將獲取到的報文轉換成前端可識別的幀格式，將每個(ge) 能源監控采集點獲取到的值以可視化界麵展示。3.2 係統硬件        電能采集終端所采集的數據是通過傳(chuan) 感器以電力線載波的通信方式傳(chuan) 輸至控製CPU，傳(chuan) 輸至數碼管顯示。采集模塊中的傳(chuan) 感器采集到的數據，一方麵可以在本終端的顯示屏顯示，另一方麵可以按照自定義(yi) 通信協議，通過電力線載波通信的方式傳(chuan) 輸給集中器。       電能采集終端主要由采集模塊和通信模塊兩(liang) 部分構成。采集模塊主控芯片采用意法半導體(ti) 公司的STM32F103C8T6高性能CPU，可滿足各功能模塊的使用要求。通信模塊采用 STM32F070F6P6 作為(wei) 主控CPU，通過係統設計，可完成GPRS/3G/4G/以太網等通信方式的上行通信。3.3 電力能耗監測管理係統平台        電力能耗監測管理係統平台主要反應係統中數據采集的概況，其中包括係統的電力能耗概覽、電力能耗占比、電力能耗統計等，並以條形統計圖、餅狀圖的形式顯示總電力能耗走勢，統計報表和電力能耗分配圖納入到其中，形成了完整的能源計量與(yu) 統計管理係統，開展電力能耗在線監測管理，從(cong) 而推動能耗信息的統計、分析，建立科學規範的能耗統計工作體(ti) 係，促進電力能耗監測管理的智能化。       係統模塊為(wei) 電力能耗管理係統的監測狀態顯示，主要包括三相電能表的狀態顯示、實時電力能耗顯示以及各個(ge) 樓層當日總電力能耗顯示三大部分，以曲線圖的方式直觀地展示實時曲線以及曆史曲線每個(ge) 小時的電力能耗情況。同時，在圖形展示上分別附加顯示研究各個(ge) 樓層的當日總電力能耗，主要數據監測情況如圖2所示。圖2       由圖 2可知，係統監測的當日總電力能耗為(wei) 178 kWh，實時功率為(wei) 55.9 kW。在能耗管理係統中觀測各樓層電力能耗環比展示圖，曲線圖顯示前一天同期用電、今日實時用電情況，主要反映係統監測各個(ge) 樓層日能耗的統計數據以及前後對比，並以文字形式直觀顯示各個(ge) 樓層當時用電總能耗，便於(yu) 在以後對曆史數據的統計和分析以及對用電情況進行調控。 此外，電力能耗監測管理係統還可顯示各功能區電力能耗占比、各樓層電力能耗占比、高能耗排行榜、低能耗排行榜，直觀展示了各個(ge) 樓層當日的電力能耗占比以及各個(ge) 功能區的耗電比重，並且通過柱狀圖顯示當月用電高能耗的前5名以及用電低能耗的前5名，便於(yu) 建立完整、統一的獎懲製度以及清晰、準確的層次組織關(guan) 係，詳細係統能耗占比情況如圖3所示。圖3       圖4為(wei) 係統電力能耗占比總圖。左半部分為(wei) 各功能區電力能耗占比總圖，主要根據係統監測總電力能耗的走勢以及係統監測的總電力能耗，通過係統進行數據統計和分析，按辦公、住宿、餐飲、公共照明、IDC等5方麵，通過餅形圖展示時間內(nei) 的電力能耗分布結構，探究每個(ge) 樓層的電力能耗所占比例，並進一步通過各樓層電力能耗的占比情況，找到電力耗能較大的樓層進行分析。        圖4右半部分所示為(wei) 高能耗排行榜，以條形圖的形式展示了當月用電能耗較高的前5名。從(cong) 圖4可以看出，2019年8月，8419房間能耗高，105房間能耗次之，8417、8403、301、303房間能耗相對較低，對高能耗排行榜中的前五名進行告警數據記錄。由圖4中的低能耗排行榜可知，在2019年8月，8422房間的能耗低，8421房間次之，8426、101及8425房間能耗並列排行第三。低能耗排行榜以綠色橫式條形圖的方式，對低能耗排行榜中的前5名進行嘉獎數據記錄。

圖4

4安科瑞為(wei) 國家電網2021泛在電力物聯網建設提供解決(jue) 方案

安科瑞電氣深耕用戶側(ce) 能效管理多年，逐漸完善了從(cong) 電力物聯網雲(yun) 平台到終端傳(chuan) 感器的生態體(ti) 係，在“源（電源）-網（電網）-荷（負荷）-儲(chu) （儲(chu) 能）"各個(ge) 環節加大研發投入，已經形成“雲(yun) （雲(yun) 平台）-管（有線/無線物聯）-邊（邊緣計算）-端（終端設備）"的生態係統，參與(yu) 泛在電力物聯網建設，為(wei) 國家電網建設“三型兩(liang) 網"提供解決(jue) 方案，使用戶在任何時間、地點、人、物之間實現信息連接和交互，產(chan) 生共享數據，從(cong) 而為(wei) 電網、發電、供應商、用戶服務。

4.1雲(yun) 平台

安科瑞電氣近年來已經陸續推出變電所運維雲(yun) 平台、能源管理雲(yun) 平台、智慧用電雲(yun) 平台、環保用電監管雲(yun) 平台、充電樁（電動汽車/自行車）運營管理雲(yun) 平台、預付費管理雲(yun) 平台等雲(yun) 平台解決(jue) 方案等解決(jue) 方案，並已經廣泛應用在多地國網公司用戶端業(ye) 務、環保部門、安監部門、住建部門等。

4.1.1變電所運維雲(yun) 平台據統計全國高供高計的工商業(ye) 用戶數量達到200多萬(wan) 戶，規模巨大，但是大部分日常的運行維護工作比較傳(chuan) 統，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障搶修時間長、風險預防薄弱等問題。國網公司和眾(zhong) 多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場，這是一個(ge) 千億(yi) 級別的市場。AcrelCloud-1000電力運維雲(yun) 平台采用多功能電力儀(yi) 表、無線通信、邊緣計算網關(guan) 及大數據分析技術，通過智能網關(guan) 采集現場數據並存儲(chu) 在本地，再定時向雲(yun) 平台推送數據。平台可同時接入數以千計的用戶變電站數據。平台采集的數據包括變電所電氣參數和環境數據，包括電流電壓功率、開關(guan) 狀態、變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、視頻、門禁等信息，有異常發生10S內(nei) 通過短信和APP發出告警信號。平台通過手機APP下發運維任務到人員手機上，並通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，即時發現運行缺陷並做消缺處理。4.1.2能源管理雲(yun) 平台Acrelcloud-5000能耗管理雲(yun) 平台可適用於(yu) 各個(ge) 行業(ye) ，如政府辦公建築、工廠、教育建築、醫療建築、商業(ye) 綜合體(ti) 等，可通過局域網、互聯網或者4G網絡采集不同區域多個(ge) 建築或單位的用能數據。平台采集建築電、水、氣、冷熱量等能源消耗數據和光伏、風力、儲(chu) 能等新能源數據，對用能數據進行分析，按照區域、部門、用電設備類型進行細分，提供同比、環比分析比較和用能數據追溯，同時可以提供尖峰平穀各時段用能數據和報表，幫助用戶梳理能源賬單明細和製定能源績效考核。4.1.3環保用電監管雲(yun) 平台近年來我們(men) 的環境質量有了很大的改善，這都歸功於(yu) 國家層麵對環保的重視和環保部門的有力監察執法。安科瑞針對環保監察的痛點研發了環保用電監管係統解決(jue) 方案，助力環保部門堅決(jue) 打贏藍天碧水保衛戰。Acrelcloud-3000環保用電監管平台主要為(wei) 環保監察部門和產(chan) 汙排汙企業(ye) 服務，為(wei) 環保部門提供在線監管和執法依據，為(wei) 生產(chan) 企業(ye) 提供設備運行監控和產(chan) 汙排汙數據記錄。平台采集生產(chan) 企業(ye) 總用電量、生產(chan) 用電和治汙設備用電量，進行關(guan) 聯分析，及時給出環保設備異常運行信號或企業(ye) 異常生產(chan) 信號，實現全過程防控。前端設備采用不停電免接線方案采集用電數據，經LORA無線上傳(chuan) 到環保數據網關(guan) ，再通過4G上傳(chuan) 平台服務器或縣、市、省級環保平台。各地環保部門通過汙染防治設施用電實時監控，實現對排汙企業(ye) 生產(chan) 運行*、全流程監控，達到變人防為(wei) 信息化技防，從(cong) 事後處罰到介入式執法，扭轉傳(chuan) 統依靠人力、經驗進行現場核查的狀態，為(wei) 環保監管開辟更加切實、有效的監管方式，形成長效機製。4.1.4智慧用電雲(yun) 平台據應急管理部網站數據，2016~2018年期間因為(wei) 電氣原因導致的火災占總數的百分之三十到百分之三十四左右，其中2018年全國共接報火災23.7萬(wan) 起，因違反電氣安裝使用規定引發的火災占總數的百分之三十四，較大和重大火災事故中，電氣火災的比例更高。國務院、公安部消防局以及各省市自治區直轄市紛紛出台文件推廣智慧用電，從(cong) 源頭上預防電氣火災的發生，現用電管理平台已在九小場所、三合一場所、養(yang) 老福利院、醫療場所、學校、金融網點等人員密集場所廣泛開展。安科瑞Acrelcloud-6000用電管理雲(yun) 平台對電氣引發火災的主要因素（線纜溫度、漏電電流、負荷電流、電壓）進行不間斷的數據跟蹤與(yu) 統計分析，通過2G/NB-IOT/4G方式采集現場數據，實時發現電氣線路和用電設備存在的隱患（如：線纜溫度異常、過載、過壓、欠壓及漏電等）並通過短信、APP推送、自動語音呼叫等方式及時預警，有效防止電氣火災的發生。係統可以顯示所有監測點位的漏電電流等電氣參數和線纜溫度，並支持巡檢記錄和派單操作，提供隱患分析報告，實時評估企業(ye) 用電狀態。4.1.5電動汽車/電瓶車充電樁運營管理雲(yun) 平台電動汽車現已成為(wei) 廣泛使用的綠色能源交通工具，Acrelcloud-9000充電樁運營管理雲(yun) 平台係統通過物聯網技術對接入係統的充電樁站點和各個(ge) 充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一係列故障進行預警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付後，係統發起充電請求，控製二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網，配合加密技術和秘鑰分發技術，基於(yu) TCP/IP的數據交互協議，與(yu) 雲(yun) 端進行直連。電動自行車數量越來越多，解決(jue) 了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關(guan) 的和火災事故新聞也屢見不鮮，有逐年增長的趨勢，給社會(hui) 帶來了很大的損失，成為(wei) 人民生命和財產(chan) 的一個(ge) 隱患。基於(yu) 電動自行車火災的危害和特點，各級政府部門發文對電動自行車火災的整治都放在規範停放和充電行為(wei) 上。安科瑞Acrelcloud-9500充電樁運營管理雲(yun) 平台，針對電動自行車火災治理提供充電管理、資產(chan) 管理和交易管理的一攬子解決(jue) 方案，解決(jue) 充電難、管理難和收費難的問題，可應用於(yu) 商業(ye) 樓宇、小區、學校、醫院等場所設置的電動自行車充電場所的運營管理。4.1.6物業(ye) 小區預付費管理雲(yun) 平台安科瑞遠程預付費係統可以針對各商業(ye) 綜合體(ti) 、小區、寫(xie) 字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業(ye) ，學校、工廠宿舍的後勤管理部門以及連鎖超市、大型物業(ye) 分布式財務操作，在線支付，總部財務紮口等。目前Acrelcloud-3000預付費管理係統已經成功在上述各場景得到廣泛的應用並已經穩定運行多年，適用於(yu) 物業(ye) 公司對小區、辦公和商鋪租戶的水電預付費管理，或者學校對學生宿舍的用電預付費和用電管控係統。4.2有線/無線物聯安科瑞根據多年來的項目經驗，結合用戶實際需求，開發了各類有線、區域無線、廣域無線通訊產(chan) 品，包括網關(guan) 和終端設備。支持RS485、以太網、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多種通訊方式，隨著5G建設步伐的加快，未來將會(hui) 有越來越多的通訊方式融入產(chan) 品，服務於(yu) 泛在電力物聯網建設。4.3邊緣計算安科瑞針對物聯網應用開發了多款智能網關(guan) ，采用嵌入式係統和邊緣計算技術，現場采集和存儲(chu) 終端設備數據，並根據雲(yun) 平台的需要，采用不同的協議和雲(yun) 平台對接。所有數據采集、計算、異常報警觸發邏輯均在網關(guan) 就地設置，網絡故障時數據存儲(chu) 在本地，網絡恢複後補傳(chuan) 數據，斷點續傳(chuan) ，提高數據可靠性。4.4終端設備針對泛在電力物聯網的建設，安科瑞陸續推出多款物聯網儀(yi) 表，應用在不同場合以滿足不同需求，2019年全年各類終端儀(yi) 表出貨量超過185萬(wan) 台。4.5安科瑞產(chan) 品在泛在電力物聯網的應用近兩(liang) 年來，安科瑞已經陸續參與(yu) 江蘇省部分縣市電力公司的用戶端能源管理平台、雲(yun) 南省網綜合能源服務平台、上海嘉定區147所學校電力運維平台等相關(guan) 平台的建設，提供了包括雲(yun) 平台、智能網關(guan) 、終端設備等產(chan) 品，各類用戶端雲(yun) 平台在全國各地運行案例700多套，並且根據用戶需求不斷完善產(chan) 品功能，這些項目就是未來泛在電力物聯網的一部分。“能源互聯網的春天到了，因其所能，它必將成為(wei) 充滿活力的新型能源業(ye) 態。"盡管針對泛在電力物聯網還有一些不同的聲音，但是泛在電力物聯網已經悄無聲息的鋪開來，融入能源互聯網基礎建設的方方麵麵。5結束語本文首先從(cong) 感知層、計算層、網絡層、平台層、應用層入手，分析泛在電力物聯網的基本概念和整體(ti) 網絡構架。進而介紹了電力能耗監測管理係統所涉及到的幾種較為(wei) 重要的泛在電力物聯網關(guan) 鍵技術。從(cong) 設計、開發分析和說明以及運行等維度，闡述了華北電力大學揚中智能電氣研究的電力能耗監測管理係統，展示了一個(ge) 智慧能源綜合服務平台，以期為(wei) 相關(guan) 領域後續研究提供參考。 參考文獻[1] 朱鵬,朱國義(yi) ,楊順,周健.基於(yu) 泛在電力物聯網的電力能耗管理係統研究[2] 童光毅. 關(guan) 於(yu) 當代能源轉型方向的探討.智慧電力.2018[3] 安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06版 作者簡介李茫茫，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為(wei) 智能照明的研發與(yu) 應用