浅谈泛在电力物联网在智能配电系统应用

安科瑞 陈聪

摘要：在社会经济和科学技术不断发展中，配电网实现了角色转变，传统的单向供电服务形式已经被双向能流服务形式取代，社会多样化的用电需求也得以有效满足。随着物联网技术的发展，泛在电力物联网开始应用于当今的电力系统。本文分析泛在电力物联网在智能配电系统中的应用，希望可以为相关分析与研究提供参考。

   关键词：泛在电力物联网；智能配电系统；应用

   随着时代的发展，配电网的角色在发生转变：由单纯的单向电能供应转向复杂的双向能流服务，如分布式发电的接入、用户侧多样需求的满足等。但受制于历史发展情况，规模庞大的配电网难以立即适应新角色，特别在信息化和自动化水平上存在长足进展空间。正是基于此，电力企业积极响应打造泛在电力物联网的战略目标，其实质是以物联网技术为核心，充分吸纳人工智能、大数据分析等要素，达成电力生产到电力消费各环节中各类对象的信息互联共享，从而实现对配网运行状态的实时感知与精细调控。但泛在电力物联网的研究尚不成熟，其与配网的融合更处于起步阶段，需要进行有益探索。

1、泛在电力物联网概念及体系架构

   在社会高度电气化的当下，推进电网信息化智能化的升级己成为世界各国共识。美国、欧盟、日韩等发达经济体均提出了相关远景展望及工作计划。我国是电力大国和电力强国，在电网发展的前沿阵地自然占有一席之地。电力公司关于泛在电力物联网的理解：将“源-网-荷"层面的人、物、设备等充分连接以达成泛在感知，借助可靠通信和高性能信息处理将海量数据在发、供、用之间共享，最终实现全网“能量流、信息流、业务流"的一体化融合，为价值服务提升提供有效平台。

   针对集物联网技术、大数据技术、数据库存储技术等多种技术手段为一体的复杂物联网系统，泛在电力物联网多呈现出明显的能量流、信息流与业务流交互耦合的特征，并可分为感知层、网络层、平台层以及应用层等四个架构维度。

1.1.感知层

   虚拟化是一个全新的运算模型，中小企业用户能够利用该模型在任意地点使用网络连接的设备浏览应用程式，而使用流程在可大幅伸缩的数据中心，公司运算资源也能够在这里动态部署工作，并进行公司数据共享。将运算散布于公司巨大的分布式网络计算机系统上，而并非在自己的计算机系统或远程服务器设备中，因此公司在大型互联网数据中心的操作环境将和网络更接近，这就要求公司能够把运算资源迁移到实际需要的实际应用上，并按照要求使用计算机系统和数据库管理系统。电力系统出现问题不能正常工作或出现故障时，海量信息将会上传到数据中心模块，这就对计算机信息处理能力提出了高度的需求，与电力系统运营相关的硬件投资成本也是很大的。而由于虚拟化让超级计算能力通过网络随意流动变为了可能，公司和个人用户就无须再投资高昂的硬件采购成本，而只需利用网络来采购或租用计算能力。电力系统运营就能够大幅节省生产成本，这和构建资源节约型社会是能够相互照应的。

1.2.网络层

   网络层多用于保障泛在电力物联网中业务通信服务的整体质量，多分为内部专网和互联专网两种类型，且由于不同系统的通信距离和经济成本往往有所不同，因此其所适用的通信方式也会存在较大差异。例如，对于电力通信系统，其网络层以电力线载波和230MHz无线通信最为常见，同时考虑到5G技术的飞速发展，以5G技术为核心的通信方式已经成为现阶段泛在电力物联网的主要发展趋势。此外，从乌克兰电网攻击事件不难看出，针对泛在电力物联网网络层所进行的安全管理往往是保证整个智能配电系统运行稳定性的关键所在，因此一般需以不同类型的通信协议为依托来有效降低智能配电系统所存在的互联网攻击风险。

1.3.平台层

   泛在电力互联网的平台层的作用在于能够实现系统数据的交互融合，依托于大数据存储与分析技术，智能配电系统管理人员能够就传统能源生产模式下的信息存储碎片化问题进行有效解决，不仅可从根本上消除信息孤岛问题，同时也可借助在线信息平台和云数据中心的构建实现对电网运行数据的实时收集和整理，最终有助于保障电网发展决策的科学性和合理性，并能够在电力数据共享机制的帮助下促进配电系统数据处理模式的快速转型。

1.4.应用层

   应用层是电力系统向枢纽型、平台型和共享型变革的外在表现。其功能在于，基于海量电网运行数据与用户侧用能大数据，并针对电网运营业务(如智能运维、电能结算、配电自动化)、用户用能业务(如个性化用能推荐、电动汽车智能充电、需求侧响应)及综合能源系统运营业务(如协调规划、储能市场)等，搭建各类针对性应用平台，实现电网与用户及其他能源系统的感知互动。

2、泛在电力物联网在智能配电系统中的关键技术

2.1 应用于感知层的关键技术

   对于泛在电力物联网来说，感知层的主要作用在于保障系统感知数据的准确性和及时性，而在现代智能配电系统发展过程中，感知层的监测对象愈发多样，监测数据愈发复杂，因此应在感知层呈现集成化发展态势的基础上就感知层技术进行进一步，以满足现代智能配电系统的具体感知要求。针对新型电力物联网设备研发技术，新的感知设备应满足尺寸、环境、电磁兼容等多方面因素要求，并尽可能贴合当前阶段电力行业的发展特点；针对底层传感器部署技术，除了应完善部署方案确保对配电系统所有设备的全覆盖监测外，还应在空间正四面体传感器节点部署等部署思想的指导下合理发挥多种传感器的应用价值，并以此提升感知层的整体感知效果。

2.2 应用于网络层的关键技术

   因为当今的配电网有着点多面广的特点，所以如果依然按照传统点对点形式的通信方法进行设计，将很难将网络层全面铺开。在设计网络层进行的过程中，应该应用有线模式和无线模式两者互补的方式来实现，同时应该注重落实所有的安全防御工作。

   首先，应该注重底层自组网和核心通信网规划技术的应用，因为配电通信系统中通常承载着大量的业务传输任务，意味着通信系统需要符合很多种的QoS需求。随着通信系统中的接入对象越来越丰富，泛在感知信息的数据量和呈现维度将出现指数式上升趋势。为了有效应对这样的情况，需要让自组网的路由策略变得更加“健壮"。通过这样的方式，可以有效保障底层接入网的控制量和状态量，进而实现海量信息的及时传输。在此过程中，可以通过网络扩充的相关算法，将配网系统和通信系统之间的耦合关系作为基础，并从拓扑概念入手，对信息物理系统（Cyber-PhysicalSystems，CPS）进行协同规划。

2.3 平台层关键技术

   数据融合技术。通过泛在感知的海量数据的特点是多源、异构、高冗余，必须依托数据融合技术来进行前置处理；数据存储管理与挖掘分析技术。为应对泛在电力物联网海量数据的实时更新存储，可采取策略：基于Hadoop平台的数据压缩方法；采用NoSQL技术对实际数据进行分布式存储管理。为提取大数据蕴含价值，可吸纳K-means聚类来分析用电行为，可借助Apriori算法寻找诱发谐波的主要原因等。

2.4 应用层关键技术

   对于泛在电力物联网的应用层来说，其以态势感知技术和主动优化运作技术关键。态势感知技术通过分析配电系统大数据来就智能配电系统中的各种安全风险进行实时预警和响应处置，能够在将智能配电系统态势感知分为态势察觉、态势理解和态势预测的基础上始终确保配电系统的优化运行；主动优化运作技术的应用价值体现于用户侧角度的决策调整，如通过调整供电价格来提升电力企业的经济效益等，进而在保障智能配电系统发展决策科学性及适用性的基础上确保用户满意度的有效提升。

3、安科瑞Acrel-EIOT能源物联网平台概述

           Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。 用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

   该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

4、应用场所

   本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

5、组网结构

6、平台功能

6.1   可定制驾驶舱

   可定制化的驾驶舱：可根据客户的行业特性，行业需求，经过培训的工程或调试人员自行绘制客户所需的驾驶舱页面。

   例如下图所示的智慧物业驾驶舱，内容有：预付费、充电桩、电梯、空调、照明等设备管理、能耗统计、收益统计、运维情况等。其中地图可以选配成BIM建筑模型，任何传感器报警时可以在BIM模型中预警显示。

6.2   电力集抄

   电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示，以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制，对系统进行综合检测和统一管理；在数据资源管理方面，可以显示或查询供配电室内各设 备运行（包括历史和实时参数，并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印，提高工作效率，节约人力资源。

变压器监控

配电图 

6.3   能耗分析

   能耗分析模块采用自动化、信息化技术，实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动 化、科学化管理，使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，运用数据处理与分析技术，进行离线生产分析 与管理，实现全厂能源系统的统一调度，优化能源介质平衡、有效利用能源，提高能源质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提 升整体能源管理水平的目的。

能耗概况

6.4预付费管理

1）登陆管理：管理操作员账户及权限分配，查看系统日志等功能；

2）系统配置：对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置；

3）用户管理：对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作；

4）售电管理：对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作；

5）售水管理：对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作；

6）报表中心：提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询，本系统所有的报表及记录查询，都支持excel格式导出。

预付费看板

6.5 充电桩管理

   通过物联网技术，对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。

充电桩看板

6.6   智能照明

   智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测，也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，并达到一定节能减挂的效果。

照明实时监控

6.7 安全用电

   安全用电采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现快速时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然"的目的。

6.8 智慧消防

   通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。弥补了原先针对“九小场所"和危化品生产企业无法有效监控的空白，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"、用电管理“精细化"的实际需求。

智慧消防看板

7、系统硬件配置

结语：

   综上所述，在当今的电气化时代，社会经济与科学技术的发展对各行各业的发展起到了有效的推动作用，其中电力行业的发展十分可观。但是，当今的电力行业智能配电系统依然在自动化和信息化方面存在着不足。将泛在电力物联网技术应用于智能配电系统，将有效弥补其存在的不足，利用技术为智能配电系统的发展提供动力，进一步提升我国电力行业的发展。

参考文献：

[1]姚涛，钮彬，王从春，等.低压PLC技术在泛在电力物联网中的应用[J].通讯世界，2019，（12）：192-193.

[2]张浩，赵平顺，泛在电力物联网在智能配电系统应用.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版