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    安科瑞電力物聯網的研究與應用

    更新時間:2024-04-19 點擊次數:293

    周穎

    江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

    摘要:泛在電力物聯網的建設主要是將信息化和人工智能等新技術、新理念應用于企業發展進程中,以提高電力企業的技術水平,同時這也是服務于國家戰略需要,符合推動互聯網、大數據、人工智能和制造業深度融合的戰略要求,其對推動我國的科技進步、產業升級和提高人民生活水平具有重要意義。對泛在電力物聯網的提出背景、建設目標和意義等進行介紹:討論各界對泛在電力物聯網的態度和相應措施;對泛在電力物聯網建設的技術支持進行分析;舉例說明泛在電力物聯網在當下的典型應用;最后指出泛在電力物聯網發展過程中可能遇到的問題。

    關鍵詞:泛在電力物聯網;物聯網;能源互聯網;三型兩網;虛擬電廠

    0、引言

         物聯網的概念由美國麻省理工學院的自動識別中心聯合創始人 Kevin Ashton教授在1998年提出",他指出將無線射頻技術和其他傳感器技術應用到日常物品中構造一個物聯網。電力行業對“物聯網"的理解是:物聯網是一個實現電網基礎設施、人員及所在環境識別、感知、互聯與控制的網絡系統?!胺涸谖锫?是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息連接和交互。而泛在電力物聯網是國家電網公司董事長寇偉于2019年3月8日在京召開的國家電網有限公司泛在電力物聯網建設工作部署電視電話會議上首先提出的新概念,是“泛在物聯"在電力行業的具體表現形式和應用落地,對內重點是質效提升,對外重點是融通發展。

    1、泛在電力物聯網簡述

    1.1泛在電力物聯網的提出背景

         從國家的角度來看,建設泛在電力物聯網是國家電網公司對網絡強國戰略的具體實踐,是其落實中央部署、發揮央企帶頭作用的重要舉措,是其適應內外部形勢和挑戰的必然要求。從國家電網公司的角度來看,面對市場化的挑戰正在訴求戰略轉型,做出全面推進“三型兩網"建設,加快打造具有全球競爭力的能源互聯網企業的戰略部署,正是其具體措施之一。從服務對象的角度來看,近十幾年我國經濟發展迅速,相應地,企業、居民等電網服務對象對電能的需求量劇增,需求模式也趨向多樣化,當前電網的技術水平、管理模式等已經非化,難以滿足各方的要求,電網企業需要從工程驅動轉向客戶價值驅動S,實現滿足客戶需求的“定制化"解決方案,即建設泛在電力物聯網勢在必行。

    1.2泛在電力物聯網的概念和建設意義

         泛在電力物聯網是指圍繞電力系統各環節,充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術、通信技術,實現電力系統各環節萬物互聯、人機交互,具有狀態全面感知、信息處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統,主要包含感知層、網絡層、平臺層、應用層4層結構。建設泛在電力物聯網在技術和業務2個方面具有重大意義。從技術方面講,建設泛在電力物聯網能夠推動電網和互聯網的深度融合,把大數據和人工智能等技術手段應用到傳統電網中去,實現傳統行業與新興技術相結合,從而效率地進行能源分配,避免浪費,并從整體上促進中國電力行業提高相關技術水平,在技術上追趕乃至超越世界電力企業。從業務方面講,建設泛在電力物聯網是國家電網公司的戰略性調整,由自然壟斷走向市場化,激發企業活力,以“堅強+智能"構建能源互聯網企業的核心競爭力。在堅守原本業務的基礎上,建設一個完整的以電力為核心的平臺,拓展業務并形成生態圈,提供完整的、綜合的電力相關服務。

    1.3 泛在電力物聯網建設的戰略安排、具體內容和戰略目標

         戰略安排是將2019-2021年定為戰略突破期,其之后幾年定為攻堅期與提升期。到 2021年初步建成泛在電力物聯網,基本實現業務協同和數據貫通,初步實現統一物聯管理,各級智慧能源綜合服務平臺具備基本功能,支撐電網業務與新興業務發展。到2024年建成泛在電力物聯網,全面實現業務協同、數據貫通和統一物聯管理,公司級智慧能源綜合服務平臺具備強大功能,全面形成共建共治共享的能源互聯網生態圈

         國家電網公司《泛在電力物聯網建設大綱》指出具體建設內容包括6個方面:對內業務、對外業務、數據共享、基礎支撐、技術攻關和安全防護。具體而言,對內業務重點方向為:1)提升客戶服務水平;2)提升企業經營績效;3)提升電網安全經濟運行水平;4)促進清潔能源消納。對外業務重點方向為:1)打造智慧能源綜合服務平臺;2)培育發展新興業務;3)構建能源生態體系;4)數據共享;5)基礎支撐;6)技術攻關;7)安全防護。

         建設泛在電力物聯網是落實“三型兩網"戰略目標的核心任務。在該核心任務中,“三型"指的是“樞紐型、平臺型和共享型",“兩網"指的是“堅強智能電網和泛在電力物聯網"。泛在電力物聯網是繼堅強智能電網之后的“第二張網",其具備多元化和生態化的特征,建設目標在于使泛在電力物聯網與堅強智能電網相輔相成、融合發展,二者協同并進,形成強大的價值平臺,共同構成能源流、業務流、數據流“三流合一"的能源互聯網。

    2、各界對泛在電力物聯網的態度及應對措施

    2.1政府

         政府是泛在電力互聯網建設的一大推動力。2015年,主席在聯合國峰會上提出構建全球能源互聯網生態圈,能源互聯網具備五大特征:可再生性、分布式、互聯性、開放性和智能化。而“堅強智能電網+泛在電力物聯網=能源互聯網",泛在電力物聯網可以將海量的數據收集起來并成功利用,實現數據下沉,建立起強大的數據和應用平臺。從能源互聯網建設角度來說,建設泛在電力物聯網不僅僅是國家電網公司自身為緊隨時代發展而采取的舉措,也是響應國家對能源行業發展的倡議,符合國家發展的大政方針,對我國能源互聯網的建設起到巨大的推動作用。

    2.2 國家電網公司

         當下我國經濟社會發展迅速,對電能的需求不僅局限于量上的增加,同時還要求電能的來源更加清潔,利用更加合理靈活,避免大規模浪費。為實現以上要求,需要利用現代信息技術突破電力發展瓶頸,泛在電力物聯網應運而生。國家電網公司是“泛在電力物聯網"這一概念的首先提出者和首參與建設者,建設泛在電力物聯網,是推進“三型兩網"建設的重要內容和關鍵環節。建設泛在電力物聯網能夠解決電網技術問題,突破電網發展瓶頸,也是構建能源互聯網的2個重要環節之一,有助于實現超大規模分布式發電系統與分布式儲能系統接入和基于互聯網技術的廣域能源共享,實現國家電網公司的全面和深刻變革。泛在電力物聯網將使電網公司由傳統電網企業向綜合能源服務商轉型,帶動電網企業產業鏈上下游協同發展,支持國家能源互聯網高質量建設,在新的更高層次形成核心競爭力。

    2.3 高校及科研院所

         當前,泛在電力物聯網對各個高校及科研院所都是一個新的研究課題,具有十分巨大的研究潛力和價值,它可以整合不同研究方向的科研成果,實現能源、信息和通信的有機融合,可以突破目前我國電網發展的瓶頸。同時與傳統電網相比,泛在電力物聯網能夠采集到面廣量大的數據,這些數據對高校和科研院所的研究十分重要。泛在電力物聯網被提出之后,許多高校和科研院所就對其給予了高度的認可,并積極地進行相關研究與合作。建設泛在電力物聯網需要高校、科研院和企業間加強交流合作,甚至是跨界的合作。2019 年 4 月,由國內著名高校、通信企業和互聯網企業聯合成立泛在電力物聯網產業聯盟,此平臺便于彼此間的交流和緊密合作,利用各自的優勢資源加快推進泛在電力物聯網建設。

    2.4 企業界

         我國許多著名企業家均十分認可泛在電力物聯網的建設,認為這不僅是國家電網公司實現自身調整發展的機會,也是許多企業所能獲得的新的增長機遇。5G的到來構建了萬物互聯的基礎,為泛在電力物聯網的建設提供了工具,能激發產業力,給能源電力等傳統行業帶來市場機遇。當前,我國眾多企業正在積極開展與國家電網公司在泛在電力物聯網方面的合作,這些企業來自不同領域,有著不同的業務范圍,但相同之處是他們的產品或服務都與人們的生活息息相關。他們與國家電網公司的合作意味著泛在電力物聯網改變的將是人們生活中與電有關的方方面面。

    3、泛在電力物聯網建設的技術支持

         泛在電力物聯網的技術支撐主要有大數據、云計算、物聯網、移動互聯、人工智能、區塊鏈、邊緣計算等。通信技術貫穿全部,是泛在電力物聯網的核心技術之一,是實現萬物互聯的基本組成部分。以下以通信技術支撐為例,泛在電力物聯網可以通過不同類型的通信網絡進行互聯,但泛在電力物聯網具有的復雜性、包容性、開放性和性自然決定了其需要海量的數據支持。每時每刻會傳遞大量的數據,4G通信已經不能滿足其需要,而最新發展的5G 通信又具有的優勢,其高速率、高容量、高可靠性、低時延、低能耗分別與電力系統的基本需求相對應,即海量數據傳輸、萬物信息互聯、電力系統可靠性、靈活響應與協同控制、電池壽命與保障。

         電力系統中對控制實時性和可靠性要求的部分必須接入電力光纖專網,其通信帶寬、可靠性以及通信延時等方面的性能不低于5G通信,而對于分布式設備則對應于5G通信的高密度連接特點,同時5G帶來的數據增長也會促進人工智能、大數據和深度學習等數據分析水平的提高,5G通信對分布式可控資源的海量接入以及廣域的量測體系的建立和發展有重大意義。5G 能夠對電網多方面的升級提高起到助力作用,例如電網管理、用戶服務和業務需求等。具體表現為軟化開放技術能夠協助管理泛在電力物聯網,使得電網在通信上擁有更強的自主性;性能增強技術為泛在電力物聯網的萬物互聯成為現實提供了技術支撐;自治優化技術讓泛在電力物聯網智能化,實現以用戶為中心的新業態,做到狀態全面感知、信息處理、應用便捷靈活。所以5G通信是實現泛在電力物聯網的關鍵技術支撐之一,這就使得網絡運營商必須加快5G建設速度,擴大覆蓋面積,穩定信號強度,并加快優化以上泛在電力物聯網需要利用的技術,實現與泛在電力物聯網的融合。

    4、泛在電力物聯網的應用

    4.1 在傳統電網領域的應用

         在傳統電網領域,泛在電力物聯網的應用場景分成采集類和控制類。其中,采集類是指將被測對象的各種參量檢測采集后,轉換成數字信號,送到計算機進行存儲、分析和處理,包括高級計量、智能電網大視頻應用等;控制類是指通過輸出的信號來控制系統的執行機構,包含用電負荷需求側響應、分布式能源調控等。在泛在電力物聯網應用場景下,采集類應用能夠做到采集頻率更高,內容更豐富全面,雙向互動等;而控制領域將從當前的星型集中連接模式向點到點分布式連接切換,主站系統將逐步下沉,出現更多的本地就近控制和邊緣計算。

    4.2 在新興領域的應用

         在新興領域,泛在電力物聯網將在清潔能源消納、綜合能源服務平臺、信息共享、多場景安全防護和多站融合等領域起到重大作用,為電網企業和新興業務主體賦能。以綜合能源服務平臺和多站融合為例,綜合能源服務平臺是一種為滿足終端客戶多元化能源生產與消費的新型能源服務方式,其以用戶為中心,圍繞需求響應、能效管理和電力交易3方面內容,由傳統的電能供應轉向冷、熱、電、氣的綜合能源供應,并充分利用技術優勢為客戶提供相配套的服務。多站融合是在傳統的變電站、儲能站和數據中心站融合的基礎上,擴充融合分布式新能源發電站、5G通信基站和環境監測站等,實現業務上的跨界融合、數據上的開放共享,提高能源利用率

    4.3在電力行業中的典型應用

         我國是提出泛在電力物聯網概念的國家,目前國內泛在電力物聯網典型應用之一是“虛擬電廠"?!疤摂M電廠"的提出是為了整合分布式電源、可控負荷和儲能裝置等以往不易調控、容易被大量浪費的能源,提高電能的利用率?!疤摂M電廠"的本質是一個分布式電力管理系統。通過該系統將電網中的分布式電源、可控負荷和儲能裝置等聚合成一個虛擬可控的電源集合體,而不再是之前彼此孤立的分散狀態,然后參與到電網的運行和調度中,智慧協調智能電網與分布式電源間的矛盾,讓分布式能源為電網和用戶帶來最大的經濟價值與社會價值。發電系統、儲能設備和通信系統3部分有機構成了“虛擬電廠"這一整體?!疤摂M電廠"并不是真實的發電廠,而是相當于一個電力“智能管家",是一個以現代技術手段形成的分散的能源聚合體,在光伏等分布式能源有間歇性時,通過儲能裝置把它們組織起來,形成穩定可控的“大電廠",“大電廠"中的每個小組電源在地理位置上是分散的,但在利用時卻通過輸電線路和通信系統等將其作為整體來進行調度使用。

         “虛擬電廠"技術仍在持續發展之中,而從其當前的實際應用中可以發現,它對未來能源市場起到的性效果已經顯露出來。這種效果表現在發電和用電不可能每時每刻都匹配,在“虛擬電廠"出現之前兩者之間存在不可調節的矛盾,不僅造成能源浪費,更存在著安全問題。而“虛擬電廠"可以做到精確控制用電需求與發電輸出平衡。實現“虛擬電廠"重要的是大數據的支撐,只有海量的數據才能做到精確控制,而泛在電力物聯網便能夠收集到足夠的數據,從而為“虛擬電廠"的實現奠定數據基礎。國內,在上海、江蘇將建成由大數據支撐的“虛擬電廠";國外,殼牌公司正在英國、特斯拉公司正在澳大利亞分別建設由大數據支撐的“虛擬電廠"。

         國外在智能電網、物聯網等方面也有許多探索,他們雖然未明確提出“泛在電力物聯網",但卻具有與之擁有相同或相似功能的應用。而且由于各國地理位置、發展狀況、面臨問題等國情各不相同,不同國家的電力行業對于物聯網應用的側重點也有所不同,比如歐洲電力行業對物聯網的應用更傾向于清潔能源和環保方向,而日本電力行業對于物聯網的應用則更傾向于對新能源發電監控和預測、智能電表計量、微網系統監控等領域。

    以下舉例說明具體應用:

         在西歐地區,為實現降低二氧化碳排放量和減少能量消耗的目標,荷蘭的阿姆斯特丹將節能智慧化技術應用于West Orange和Geuzenveld兩個項目中。此外,還有智能大廈項目,能夠在不影響大廈正常商業和生活功能的前提下,對大廈能源使用的歷史數據進行分析,實現低能源消耗和電力系統運行。在北美地區,美國迪比克市政府與國際商業機器公司(IBM)合作,針對城市中的供水系統、電力系統、石油、天然氣、交通、公共服務等涵蓋各種資源的獨立系統分別運行,缺乏協調,成本高的問題,計劃使用物聯網技術將各獨立系統連接形成一個涵蓋城市各種資源的數字化系統,對各種數據進行監測、分析和整合以做到智能化地響應市民的需求,這樣不僅能使市民享受到更令人滿意的服務,而且會降低城市能耗。

    5、泛在電力物聯網建設過程中須考慮和解決的問題

    5.1 信息準確性及安全性問題。泛在電力物聯網建設過程中必然需要收集并分析海量的數據,這些數據涉及范圍廣,關系到我國公民的各種信息,無論是從國防還是其他方面來說,防止信息外泄都是重要的問題,具備安全可靠的信息防護系統是必要條

    5.2 戰略研究問題。泛在電力物聯網畢竟是新興的,其相關概念與應用可能會需要完善,而且通信技術和應用環境在快速變化,因此在戰略方面必須要考慮長期戰略和短期戰略的兼容問題、投資問題,盡量避免過度浪費。

    5.3 國網建設力度不及預期問題。由特高壓、農網與配網構建的堅強智能電網尚在建設中,其建設進度和投資可能會影響后續泛在電力物聯網的投資。

    5.4 行業壁壘問題。國家電網公司打造的泛在電力物聯網是一個開放的平臺,其涉及許多行業,毫無疑問,泛在電力物聯網是以電網為核心的,那么在與傳統信息行業競爭時可能會直面它們的沖擊,缺乏相關經驗便是一個問題。

    6、安科瑞Acrel-EIOT能源物聯網平臺概述

         Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺,建立統一的上下行數據標準,為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。 用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器,選配網關,自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業數據服務。

         該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能,并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問。

    7、應用場所

         本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統集成商、小型物業、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

    8、組網結構

    安科瑞電力物聯網的研究與應用

    9、平臺功能

    9.1 可定制駕駛艙

          可定制化的駕駛艙:可根據客戶的行業特性,行業需求,經過培訓的工程或調試人員自行繪制客戶所需的駕駛艙頁面。

    例如下圖所示的智慧物業駕駛艙,內容有:預付費、充電樁、電梯、空調、照明等設備管理、能耗統計、收益統計、運維情況等。其中地圖可以選配成BIM建筑模型,任何傳感器報警時可以在BIM模型中預警顯示。

    9.2 電力集抄

          電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示,以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制,對系統進行綜合檢測和統一管理;在數據資源管理方面,可以顯示或查詢供配電室內各設 備運行(包括歷史和實時參數,并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印,提高工作效率,節約人力資源。


    10、

    變壓器監控


    11


    配電圖

    9.3 能耗分析

          能耗分析模塊采用自動化、信息化技術,實現從能源數據采集、過程監控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動 化、科學化管理,使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來,運用數據處理與分析技術,進行離線生產分析 與管理,實現全廠能源系統的統一調度,優化能源介質平衡、利用能源,提高能源質量、降低能源消耗,達到節能降耗和提 升整體能源管理水平的目的。


    能耗概況

    9.4預付費管理

    1)登陸管理:管理操作員賬戶及權限分配,查看系統日志等功能;

    2)系統配置:對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進行配置;

    3)用戶管理:對商鋪用戶執行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作;

    4)售電管理:對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作;

    5)售水管理:對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作;

    6)報表中心:提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢,本系統所有的報表及記錄查詢,都支持excel格式導出。

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    預付費看板

    9.5 充電樁管理

          通過物聯網技術,對接入系統的充電樁站點和各個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、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能,包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

    安科瑞電力物聯網的研究與應用

    安科瑞電力物聯網的研究與應用

    充電樁看板

    9.6 智能照明

          智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測,也可以實現定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等,降低路燈設施的維護難度和成本,提升管理水平,并達到一定節能減掛的效果。

    安科瑞電力物聯網的研究與應用

    照明實時監控

    9.7 安全用電

          安全用電采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器,對引發電氣火災的主要因素(導線溫度、電流和剩余電流)進行不間斷的數據跟蹤與統計分析,并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員,指導企業實現快速時間的排查和治理,達到消除潛在電氣火災安全隱患,實現“防患于未然"的目的。

    9.8 智慧消防

         通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析,幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。原先針對“九小場所"和?;飞a企業無法監控的空白,適應于所有公建和民建,實現了無人化值守智慧消防,實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實際需求。

    安科瑞電力物聯網的研究與應用

    智慧消防看板

    10、系統硬件配置

    安科瑞電力物聯網的研究與應用

    11、結語

         主要介紹了泛在電力物聯網的概念,目標、意義和戰略安排等,并總結了各界從不同視角對建設泛在電力物聯網的看法,分析了各自將采取的措施,及其在建設過程中所需要的技術支持,最后根據泛在電力物聯網的特點分析說明其應用的范圍,并列舉了在建設過程中必須面臨的風險和問題??傊?,建設泛在電力物聯網是國家電網公司在發展過程中邁出的重要一步,實現有效聚合分布式新能源和配電系統升級改變。它不僅僅是順應國家發展,建設國家能源互聯網的重要一環,更會深深影響我國電力行業的發展進程,促進企業技術升級和開拓新業務,也會使人們的日常用電方式發生變化。


    參考文獻:

    [1] 王忠敏。EPC 與物聯網[M]。北京:中國標準出版社,2004.

    [2] 國家電網公司。全面部署泛在電力物聯網建設[EB/OL]。[2019-04-16]。

    [3] 肖白,周文凱,姜卓,綦雪松,牛湘智。 1.東北電力大學電氣工程學院,吉林省 吉林市 132012;2.北華大學計算機科學技術學院,吉林省 吉林市 132021;3.國網吉林省電力有限公司吉林供電公司,吉林省 吉林市 132001。

    [4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版。


    作者簡介:

    周穎,女,現任職于江蘇安科瑞電器制造有限公司,主要研究方向為能源物聯網云平臺領域,




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