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淺談基于泛在電力物聯網的電力能耗管理系統研究
日期：2024-09-23 12:36
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摘要：隨著當今時代互聯網的飛速發展，傳統電網已經不再能滿足人民日益增長的電力需求。為實現感知、可靠傳輸、智能處理、互交互聯的新一代電力系統，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、能源需求為背景，對泛在電力物聯網的概念、基本構架進行詳細闡述。然后對電力能耗監測管理系統構架的主要關鍵技術進行說明
張娟
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：隨著當今時代互聯網的飛速發展，傳統電網已經不再能滿足人民日益增長的電力需求。為實現感知、可靠傳輸、智能處理、互交互聯的新一代電力系統，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、能源需求為背景，對泛在電力物聯網的概念、基本構架進行詳細闡述。然后對電力能耗監測管理系統構架的主要關鍵技術進行說明。以華北電力大學揚中智能電氣研究的電力能耗監測管理系統為實例，闡述泛在電力物聯網基本應用情況，為其它相關研究提供參考。
關鍵詞：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系統的支持。在中國能源生產以及高質量消費革背景下，可再生能源的高比例接入、電動汽車與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主電網的發展形態逐漸演變成互聯互通、優化互動、平衡共享的新型電力互聯網，進一步推動著能源生產消費變革。
當今時代是“互聯網+”的時代，關鍵特征之一便是以現代信息和通信技術為**基礎，以“大云物移智”為代表，通過物與物、人與物之間的物聯網信息交互，實現感知更多面化、傳輸更可靠化、處理更智能化的新型互聯網技術。因此，對于處在電網形態轉變關鍵節點的中國，亟需開展物聯網技術與智能電網的深度融合。2019 年，國家電網公司提出“三型兩網”戰略目標，將建設泛在電力物聯網規劃為近 3 年國家電網的任務，并提出到2024年建成泛在電力物聯網這一宏偉目標。
基于泛在電力物聯網的發展背景，本文從泛在電力物聯網的定義和基本構架入手，首先介紹電力能耗監測管理的主要關鍵技術，然后以華北電力大學揚中智能電氣研究為應用實例，對泛在電力物聯網進行分析研究，為謀劃和建設未來的新型電力系統提供參考。
1泛在電力物聯網概念
1.1 定義
1999年，美國加州施樂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制時間、地點、人和物這四要素的情況下實現無阻礙的連接和交互。
“泛在電力物聯網”的本質在于電力行業“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、業務**基本特點。
1.2 基本構架
為了實現電力泛在物聯，需要進一步構建開放、分層、可擴展的網絡體系結構，因此在物聯網的感知延伸層、網絡傳輸層及平臺應用層的基礎上，增加了邊緣計算層，實現能量流、信息流與業務流的交互耦合。
感知延伸層是泛在電力物聯網的基礎，相當于人體的“神經末梢”，由狀態感知和執行控制主體終端構成。網絡傳輸層是感知延伸層與平臺應用層之間的數據傳輸通道，為泛在電力物聯網的各類型業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/無線傳輸、傳統互聯網、移動空中網等。
相比于傳統物聯網，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于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后，傳送至云平臺集中處理。平臺應用層基于電網運行數據，結合現代先進技術手段，將數據進行融合分析，解決傳統能源生產運行方式下的存儲問題，從而實現信息互聯共享。
以本文的能耗管理系統為例，泛在電力物聯網的4個基本構架在整個系統中的表現為：在感知延伸層上，系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臺應用層，在能耗管理平臺上呈現系統的電力能耗概覽、電力能耗占比、電力能耗統計等主要情況。
2電力能耗管理系統關鍵技術
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、智能平臺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，以下簡要介紹系統所涉及到的3種關鍵技術。
2.1 數據分析技術
電力能耗監測管理系統在運行過程中將產生大量數據，這些數據具有來源多、格式多、信息冗余度高、數據量大、隱含信息價值高但不直觀等特性。為了降低數據的冗余度及分析難度，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。
2.2 網絡信息技術
網絡信息技術在泛在物聯網網絡傳輸層中尤為重要。構建電力能耗監測管理系統的體系方面需要考慮到兩個方面：（1） 終端設施穩定。從物理層角度研究芯片級防護關鍵技術；研究設備的嵌入式操作系統，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制模型及數據保護關鍵技術，保證數據在傳輸過程中不被監聽和篡改；對傳統加密算法進行改進，研究面向多種復雜型業務的加密算法；研究數據動態**、追蹤溯源等關鍵技術。
2.3 智能平臺管理技術
為完成“三型兩網”戰略指標，需大力發展泛在電力物聯網平臺。該智能平臺管理技術首先將海量電網運行數據、用戶側用能數據以及其它能源系統數據經過數據分析技術處理后，進行統一存儲與管理；然后在此基礎上，根據用戶所需求的智能運維、個性化電力能耗分析對比等用戶用能業務，搭建各類針對性應用平臺、智慧能源綜合服務平臺與新型業務培育發展平臺。
3電力能耗監測管理系統平臺
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系統為主要研究對象，并以此作為應用實例進行分析。
3.1 系統整體概述
電力能耗監測管理系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電能有關的數據進行采集，并在電能管理部門進行數據的發布，應用系統架構對應了泛在電力物聯網的框架，如圖1所示。
圖1
該系統以工作站主機、通訊設備、測控單元為基本單元，以所在園區的實時用電信息的數據采集、開關狀態監測及遠程管理與控制為基礎平臺。該系統主要采用的是分層分布式計算機網絡體系結構，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，將每個能源監控采集點獲取到的值以可視化界面展示。
3.2 系統硬件
電能采集終端所采集的數據是通過傳感器以電力線載波的通信方式傳輸至控制CPU，傳輸至數碼管顯示。
采集模塊中的傳感器采集到的數據，一方面可以在本終端的顯示屏顯示，另一方面可以按照自定義通信協議，通過電力線載波通信的方式傳輸給集中器。
電能采集終端主要由采集模塊和通信模塊兩部分構成。采集模塊主控芯片采用意法半導體公司的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 作為主控CPU，通過系統設計，可完成GPRS/3G/4G/以太網等通信方式的上行通信。
3.3 電力能耗監測管理系統平臺
電力能耗監測管理系統平臺主要反應系統中數據采集的概況，其中包括系統的電力能耗概覽、電力能耗占比、電力能耗統計等，并以條形統計圖、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統計管理系統，開展電力能耗在線監測管理，從而推動能耗信息的統計、分析，建立科學規范的能耗統計工作體系，促進電力能耗監測管理的智能化。
系統模塊為電力能耗管理系統的監測狀態顯示，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歷史曲線每個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，系統監測的當日總電力能耗為178 kWh，實時功率為55.9 kW。在能耗管理系統中觀測各樓層電力能耗環比展示圖，曲線圖顯示前**同期用電、今日實時用電情況，主要反映系統監測各個樓層日能耗的統計數據以及前后對比，并以文字形式直觀顯示各個樓層當時用電總能耗，便于在以后對歷史數據的統計和分析以及對用電情況進行調控。
此外，電力能耗監測管理系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，直觀展示了各個樓層當日的電力能耗占比以及各個功能區的耗電比重，并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，便于建立完整、統一的獎懲制度以及清晰、準確的層次組織關系，詳細系統能耗占比情況如圖3所示。
圖3
圖4為系統電力能耗占比總圖。左半部分為各功能區電力能耗占比總圖，主要根據系統監測總電力能耗的走勢以及系統監測的總電力能耗，通過系統進行數據統計和分析，按辦公、住宿、餐飲、公共照明、IDC等5方面，通過餅形圖展示指定時間內的電力能耗分布結構，探究每個樓層的電力能耗所占比例，并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房間能耗并列排行第三。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安科瑞為國家電網2021泛在電力物聯網建設提供解決方案
安科瑞電氣深耕用戶側能效管理多年，逐漸完善了從電力物聯網云平臺到終端傳感器的生態體系，在“源（電源）-網（電網）-荷（負荷）-儲（儲能）”各個環節加大研發投入，已經形成“云（云平臺）-管（有線/無線物聯）-邊（邊緣計算）-端（終端設備）”的生態系統，參與泛在電力物聯網建設，為國家電網建設“三型兩網”提供解決方案，使用戶在任何時間、地點、人、物之間實現信息連接和交互，產生共享數據，從而為電網、發電、供應商、用戶服務。
4.1云平臺
安科瑞電氣近年來已經陸續推出變電所運維云平臺、能源管理云平臺、智慧用電云平臺、環保用電監管云平臺、充電樁（電動汽車/自行車）運營管理云平臺、預付費管理云平臺等云平臺解決方案等解決方案，并已經廣泛應用在多地國網公司用戶端業務、環保部門、安監部門、住建部門等。
4.1.1變電所運維云平臺
據統計國內高供高計的工商業用戶數量達到200多萬戶，規模巨大，但是大部分日常的運行維護工作比較傳統，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。國網公司和眾多電力運維公司正在搶占這塊巨大的市場，這是一個千億級別的市場。
AcrelCloud-1000電力運維云平臺采用多功能電力儀表、無線通信、邊緣計算網關及大數據分析技術，通過智能網關采集現場數據并存儲在本地，再定時向云平臺推送數據。平臺可同時接入數以千計的用戶變電站數據。平臺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、開關狀態、變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發生10S內通過短信和APP發出告警信號。平臺通過手機APP下發運維任務到指定人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，即時發現運行缺陷并做消缺處理。
4.1.2能源管理云平臺
Acrelcloud-5000能耗管理云平臺可適用于各個行業，如政府辦公建筑、工廠、教育建筑、醫療建筑、商業綜合體等，可通過局域網、互聯網或者4G網絡采集不同區域多個建筑或單位的用能數據。
平臺采集建筑電、水、氣、冷熱量等能源消耗數據和光伏、風力、儲能等新能源數據，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谷各時段用能數據和報表，幫助用戶梳理能源賬單明細和制定能源績效考核。
4.1.3環保用電監管云平臺
近年來我們的環境質量有了很大的改善，這都歸功于國家層面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系統解決方案，助力環保部門堅決打贏藍天碧水保衛戰。
Acrelcloud-3000環保用電監管平臺主要為環保監察部門和產污排污企業服務，為環保部門提供在線監管和執法依據，為生產企業提供設備運行監控和產污排污數據記錄。
平臺采集生產企業總用電量、生產用電和治污設備用電量，進行關聯分析，及時給出環保設備異常運行信號或企業異常生產信號，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無線上傳到環保數據網關，再通過4G上傳平臺服務器或縣、市、省級環保平臺。各地環保部門通過污染防治設施用電實時監控，實現對排污企業生產運行無死角、全流程監控，達到變人防為信息化技防，從事后處罰到介入式執法，扭轉傳統依靠人力、經驗進行現場核查的狀態，為環保監管開辟更加切實、有效的監管方式，形成長效機制。
4.1.4智慧用電云平臺
據應急管理部網站數據，2016~2018年期間因為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年國內共接報火災23.7萬起，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臺文件推廣智慧用電，從源頭上預防電氣火災的發生，現用電管理平臺已在九小場所、三合一場所、養老福利院、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用電管理云平臺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）并通過短信、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。系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，并支持巡檢記錄和派單操作，提供隱患分析報告，實時評估企業用電狀態。
4.1.5電動汽車/電瓶車充電樁運營管理云平臺
電動汽車現已成為廣泛使用的綠色能源交通工具，Acrelcloud-9000充電樁運營管理云平臺系統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；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制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，基于TCP/IP的數據交互協議，與云端進行直連。
電動自行車數量越來越多，解決了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關的和火災事故新聞也屢見不鮮，有逐年增長的趨勢，給社會帶來了很大的損失，成為人民生命和財產的一個隱患。基于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范停放和充電行為上。安科瑞Acrelcloud-9500充電樁運營管理云平臺，針對電動自行車火災治理提供充電管理、資產管理和交易管理的一攬子解決方案，解決充電難、管理難和收費難的問題，可應用于商業樓宇、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物業小區預付費管理云平臺
安科瑞遠程預付費系統可以針對各商業綜合體、小區、寫字樓、辦公樓、酒店式公寓等物業，學校、工廠宿舍的后勤管理部門以及連鎖超市、大型物業分布式財務操作，在線支付，總部財務扎口等。目前Acrelcloud-3000預付費管理系統已經成功在上述各場景得到廣泛的應用并已經穩定運行多年，適用于物業公司對小區、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系統。
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、廣域無線通訊產品，包括網關和終端設備。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，未來將會有越來越多的通訊方式融入產品，服務于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，采用嵌入式系統和邊緣計算技術，現場采集和存儲終端設備數據，并根據云平臺的需要，采用不同的協議和云平臺對接。所有數據采集、計算、異常報警觸發邏輯均在網關就地設置，網絡故障時數據存儲在本地，網絡恢復后補傳數據，斷點續傳，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表，應用在不同場合以滿足不同需求，2019年全年各類終端儀表出貨量超過185萬臺。
4.5安科瑞產品在泛在電力物聯網的應用
近兩年來，安科瑞已經陸續參與江蘇省部分縣市電力公司的用戶端能源管理平臺、云南省網綜合能源服務平臺、上海嘉定區147所學校電力運維平臺等相關平臺的建設，提供了包括云平臺、智能網關、終端設備等產品，各類用戶端云平臺在國內各地運行案例700多套，并且根據用戶需求不斷完善產品功能，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，它必將成為充滿活力的新型能源業態。”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面面。
5結束語
本文首先從感知層、計算層、網絡層、平臺層、應用層入手，分析泛在電力物聯網的基本概念和整體網絡構架。進而介紹了電力能耗監測管理系統所涉及到的幾種較為重要的泛在電力物聯網關鍵技術。從設計、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系統，展示了一個智慧能源綜合服務平臺，以期為相關領域后續研究提供參考。
參考文獻
[1] 朱鵬,朱國義,楊順,周健.基于泛在電力物聯網的電力能耗管理系統研究
[2] 童光毅. 關于當代能源轉型方向的探討.智慧電力.2018
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介
張娟，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能照明的研發與應用
