浅谈基于泛在电力物联网的电力能耗管理系统研究
时间：2022-01-11 阅读：539
淮亚利
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：随着当今时代互联网的飞速发展，传统电网已经不再能满足人民日益增长的电力需求。为实现感知、可靠传输、智能处理、互交互联的新一代电力系统，电网提出发展泛在电力物联网的战略目标。首先以清洁能源、能源需求为背景，对泛在电力物联网的概念、基本构架进行详细阐述。然后对电力能耗监测管理系统构架的主要关键技术进行说明。以华北电力大学扬中智能电气研究的电力能耗监测管理系统为实例，阐述泛在电力物联网基本应用情况，为其它相关研究提供参考。
关键词：物联网；泛在电力物联网；电力能耗；监测管理
0引言
未来的全球经济实现可持续发展，离不开可提供高渗透率分布式清洁能源的电力系统的支持。在中国能源生产以及高质量消费革命背景下，可再生能源的高比例接入、电动汽车与充电基础设施的推广应用以及分布式电源的发展等使得原先以单向潮流为主电网的发展形态逐渐演变成互联互通、优化互动、平衡共享的新型电力互联网，进一步推动着能源生产消费变革。
当今时代是“互联网+”的时代，关键特征之一便是以现代信息和通信技术为创新基础，以“大云物移智”为代表，通过物与物、人与物之间的物联网信息交互，实现感知更多面化、传输更可靠化、处理更智能化的新型互联网技术。因此，对于处在电网形态转变关键节点的中国，亟需开展物联网技术与智能电网的深度融合。2019 年，电网公司提出“三型两网”战略目标，将建设泛在电力物联网规划为近 3 年电网的任务，并提出到2024年建成泛在电力物联网这一宏伟目标。
基于泛在电力物联网的发展背景，本文从泛在电力物联网的定义和基本构架入手，首先介绍电力能耗监测管理的主要关键技术，然后以华北电力大学扬中智能电气研究为应用实例，对泛在电力物联网进行分析研究，为谋划和建设未来的新型电力系统提供参考。
1泛在电力物联网概念
1.1 定义
1999年，美国加州施乐公司及美国麻省理工学院分别提出泛在网及物联网的概念。泛在物联是指信息可在不限制时间、地点、人和物这四要素的情况下实现*的连接和交互。
“泛在电力物联网”的本质在于电力行业“能源数据”的收集、交换、融合及扩展应用，具有全息感知、泛在连接、开放共享、业务创新基本特点。
1.2 基本构架
为了实现电力泛在物联，需要进一步构建开放、分层、可扩展的网络体系结构，因此在物联网的感知延伸层、网络传输层及平台应用层的基础上，增加了边缘计算层，实现能量流、信息流与业务流的交互耦合。
感知延伸层是泛在电力物联网的基础，相当于人体的“神经末梢”，由状态感知和执行控制主体终端构成。网络传输层是感知延伸层与平台应用层之间的数据传输通道，为泛在电力物联网的各类型业务提供可靠的通信信息服务。电力物联网通信方式包括近距离有线/无线传输、传统互联网、移动空中网等。
相比于传统物联网，泛在电力物联网增加了边缘计算层，即靠近末端感知节点处于网络边缘的分布式智能代理。其将感知层的一些设备通过总线、无线自组织传感网等通信方式接入边缘计算层，在处理分析感知层的海量数据后，传送至云平台集中处理。平台应用层基于电网运行数据，结合现代先进技术手段，将数据进行融合分析，解决传统能源生产运行方式下的存储问题，从而实现信息互联共享。
以本文的能耗管理系统为例，泛在电力物联网的4个基本构架在整个系统中的表现为：在感知延伸层上，系统的末端感知节点可现场实时采集园区的所有电力能耗总数据，以GPRS、3G、4G及以太网的网络通信技术应用至平台应用层，在能耗管理平台上呈现系统的电力能耗概览、电力能耗占比、电力能耗统计等主要情况。
2电力能耗管理系统关键技术
本文在泛在电力物联网基础上，运用数据分析技术、网络信息技术、智能平台管理技术等多种技术完成自动化人工智能，实现新一代电力能耗管理，以下简要介绍系统所涉及到的3种关键技术。
2.1 数据分析技术
电力能耗监测管理系统在运行过程中将产生大量数据，这些数据具有来源多、格式多、信息冗余度高、数据量大、隐含信息价值高但不直观等特性。为了降低数据的冗余度及分析难度，需先采用数据融合技术，在海量数据中对有效数据进行深入挖掘和实时存储。
2.2 网络信息技术
网络信息技术在泛在物联网网络传输层中尤为重要。构建电力能耗监测管理系统的体系方面需要考虑到两个方面：(1) 终端设施稳定。从物理层角度研究芯片级防护关键技术；研究设备的嵌入式操作系统，提供密码服务框架及轻量级密码应用技术；发展终端层防护组件适配技术，实现物联网现场设备的接入身份验证。(2) 数据加密。研究支持跨域共享的数据访问控制模型及数据保护关键技术，保证数据在传输过程中不被音频监控和篡改；对传统加密算法进行改进，研究面向多种复杂型业务的加密算法；研究数据动态脱敏、追踪溯源等关键技术。
2.3 智能平台管理技术
为完成“三型两网”战略指标，需大力发展泛在电力物联网平台。该智能平台管理技术首先将海量电网运行数据、用户侧用能数据以及其它能源系统数据经过数据分析技术处理后，进行统一存储与管理；然后在此基础上，根据用户所需求的智能运维、个性化电力能耗分析对比等用户用能业务，搭建各类针对性应用平台、智慧能源综合服务平台与新型业务培育发展平台。
3电力能耗监测管理系统平台
本文以华北电力大学扬中智能电气研究的电力能耗监测管理系统为主要研究对象，并以此作为应用实例进行分析。
3.1 系统整体概述
电力能耗监测管理系统主要包括用电信息的收集、实时监测以及分析发布。其主要功能是对所有与电能有关的数据进行采集，并在电能管理部门进行数据的发布，应用系统架构对应了泛在电力物联网的框架，如图1所示。
图1
该系统以工作站主机、通讯设备、测控单元为基本单元，以所在园区的实时用电信息的数据采集、开关状态监测及远程管理与控制为基础平台。该系统主要采用的是分层分布式计算机网络体系结构，数据采集单元采用电力线载波的通信方式，将采集点信息汇聚到集中器处，再由集中器通过 GSM/3G/4G/以太网的方式上传至核心数据库服务器，由核心数据库服务器将获取到的报文转换成前端可识别的帧格式，将每个能源监控采集点获取到的值以可视化界面展示。
3.2 系统硬件
电能采集终端所采集的数据是通过传感器以电力线载波的通信方式传输至控制CPU，传输至数码管显示。
采集模块中的传感器采集到的数据，一方面可以在本终端的显示屏显示，另一方面可以按照自定义通信协议，通过电力线载波通信的方式传输给集中器。
电能采集终端主要由采集模块和通信模块两部分构成。采集模块主控芯片采用意法半导体公司的STM32F103C8T6高性能CPU，可满足各功能模块的使用要求。通信模块采用 STM32F070F6P6 作为主控CPU，通过系统设计，可完成GPRS/3G/4G/以太网等通信方式的上行通信。
3.3 电力能耗监测管理系统平台
电力能耗监测管理系统平台主要反应系统中数据采集的概况，其中包括系统的电力能耗概览、电力能耗占比、电力能耗统计等，并以条形统计图、饼状图的形式显示总电力能耗走势，统计报表和电力能耗分配图纳入到其中，形成了完整的能源计量与统计管理系统，开展电力能耗在线监测管理，从而推动能耗信息的统计、分析，建立科学规范的能耗统计工作体系，促进电力能耗监测管理的智能化。
系统模块为电力能耗管理系统的监测状态显示，主要包括三相电能表的状态显示、实时电力能耗显示以及各个楼层当日总电力能耗显示三大部分，以曲线图的方式直观地展示实时曲线以及历史曲线每个小时的电力能耗情况。同时，在图形展示上分别附加显示研究各个楼层的当日总电力能耗，主要数据监测情况如图2所示。
图2
由图 2可知，系统监测的当日总电力能耗为178 kWh，实时功率为55.9 kW。在能耗管理系统中观测各楼层电力能耗环比展示图，曲线图显示前一天同期用电、今日实时用电情况，主要反映系统监测各个楼层日能耗的统计数据以及前后对比，并以文字形式直观显示各个楼层当时用电总能耗，便于在以后对历史数据的统计和分析以及对用电情况进行调控。
此外，电力能耗监测管理系统还可显示各功能区电力能耗占比、各楼层电力能耗占比、高能耗排行榜、低能耗排行榜，直观展示了各个楼层当日的电力能耗占比以及各个功能区的耗电比重，并且通过柱状图显示当月用电高能耗的前5名以及用电低能耗的前5名，便于建立完整、统一的奖惩制度以及清晰、准确的层次组织关系，详细系统能耗占比情况如图3所示。
图3
图4为系统电力能耗占比总图。左半部分为各功能区电力能耗占比总图，主要根据系统监测总电力能耗的走势以及系统监测的总电力能耗，通过系统进行数据统计和分析，按办公、住宿、餐饮、公共照明、IDC等5方面，通过饼形图展示zhi定时间内的电力能耗分布结构，探究每个楼层的电力能耗所占比例，并进一步通过各楼层电力能耗的占比情况，找到电力耗能较大的楼层进行分析。
图4右半部分所示为高能耗排行榜，以条形图的形式展示了当月用电能耗较高的前5名。从图4可以看出，2019年8月，8419房间能耗高，105房间能耗次之，8417、8403、301、303房间能耗相对较低，对高能耗排行榜中的前五名进行告警数据记录。由图4中的低能耗排行榜可知，在2019年8月，8422房间的能耗低，8421房间次之，8426、101及8425房间能耗并列排行第三。低能耗排行榜以绿色横式条形图的方式，对低能耗排行榜中的前5名进行嘉奖数据记录。
图4
4安科瑞为电网2021泛在电力物联网建设提供解决方案
安科瑞电气深耕用户侧能效管理多年，逐渐完善了从电力物联网云平台到终端传感器的生态体系，在“源(电源)-网(电网)-荷(负荷)-储(储能)”各个环节加大研发投入，已经形成“云(云平台)-管(有线/无线物联)-边(边缘计算)-端(终端设备)”的生态系统，参与泛在电力物联网建设，为电网建设“三型两网”提供解决方案，使用户在任何时间、地点、人、物之间实现信息连接和交互，产生共享数据，从而为电网、发电、供应商、用户服务。
4.1云平台
安科瑞电气近年来已经陆续推出变电所运维云平台、能源管理云平台、智慧用电云平台、环保用电监管云平台、充电桩(电动汽车/自行车)运营管理云平台、预付费管理云平台等云平台解决方案等解决方案，并已经广泛应用在多地国网公司用户端业务、环保部门、安监部门、住建部门等。
4.1.1变电所运维云平台
据统计全国高供高计的工商业用户数量达到200多万户，规模巨大，但是大部分日常的运行维护工作比较传统，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障抢修时间长、风险预防薄弱等问题。国网公司和众多电力运维公司正在抢占这块巨大的市场，这是一个千亿级别的市场。
AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力仪表、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术，通过智能网关采集现场数据并存储在本地，再定时向云平台推送数据。平台可同时接入数以千计的用户变电站数据。平台采集的数据包括变电所电气参数和环境数据，包括电流电压功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、烟雾、浸水、视频、门禁等信息，有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到zhi定人员手机上，并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环，提高运维效率，即时发现运行缺陷并做消缺处理。
4.1.2能源管理云平台
Acrelcloud-5000能耗管理云平台可适用于各个行业，如政府办公建筑、工厂、教育建筑、医疗建筑、商业综合体等，可通过局域网、互联网或者4G网络采集不同区域多个建筑或单位的用能数据。
平台采集建筑电、水、气、冷热量等能源消耗数据和光伏、风力、储能等新能源数据，对用能数据进行分析，按照区域、部门、用电设备类型进行细分，提供同比、环比分析比较和用能数据追溯，同时可以提供尖峰平谷各时段用能数据和报表，帮助用户梳理能源账单明细和制定能源绩效考核。
4.1.3环保用电监管云平台
近年来我们的环境质量有了很大的改善，这都归功于层面对环保的重视和环保部门的有力监察执法。安科瑞针对环保监察的痛点研发了环保用电监管系统解决方案，助力环保部门坚决打赢蓝天碧水保卫战。
Acrelcloud-3000环保用电监管平台主要为环保监察部门和产污排污企业服务，为环保部门提供在线监管和执法依据，为生产企业提供设备运行监控和产污排污数据记录。
平台采集生产企业总用电量、生产用电和治污设备用电量，进行关联分析，及时给出环保设备异常运行信号或企业异常生产信号，实现全过程防控。前端设备采用不停电免接线方案采集用电数据，经LORA无线上传到环保数据网关，再通过4G上传平台服务器或县、市、省级环保平台。各地环保部门通过污染防治设施用电实时监控，实现对排污企业生产运行*、全流程监控，达到变人防为信息化技防，从事后处罚到介入式执法，扭转传统依靠人力、经验进行现场核查的状态，为环保监管开辟更加切实、有效的监管方式，形成长效机制。
4.1.4智慧用电云平台
据应急管理部网站数据，2016~2018年期间因为电气原因导致的火灾占总数的百分之三十到百分之三十四左右，其中2018年全国共接报火灾23.7万起，因违反电气安装使用规定引发的火灾占总数的百分之三十四，较大和重大火灾事故中，电气火灾的比例更高。国务院、公安部消防局以及各省市自治区直辖市纷纷出台文件推广智慧用电，从源头上预防电气火灾的发生，现用电管理平台已在九小场所、三合一场所、养老福利院、医疗场所、学校、金融网点等人员密集场所广泛开展。
安科瑞Acrelcloud-6000用电管理云平台对电气引发火灾的主要因素(线缆温度、漏电电流、负荷电流、电压)进行不间断的数据跟踪与统计分析，通过2G/NB-IOT/4G方式采集现场数据，实时发现电气线路和用电设备存在的隐患(如：线缆温度异常、过载、过压、欠压及漏电等)并通过短信、APP推送、自动语音呼叫等方式及时预警，有效防止电气火灾的发生。系统可以显示所有监测点位的漏电电流等电气参数和线缆温度，并支持巡检记录和派单操作，提供隐患分析报告，实时评估企业用电状态。
4.1.5电动汽车/电瓶车充电桩运营管理云平台
电动汽车现已成为广泛使用的绿色能源交通工具，Acrelcloud-9000充电桩运营管理云平台系统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；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。
电动自行车数量越来越多，解决了老百姓短距离出行问题，但是和电动自行车相关的和火灾事故新闻也屡见不鲜，有逐年增长的趋势，给社会带来了很大的损失，成为人民生命和财产的一个隐患。基于电动自行车火灾的危害和特点，各级政府部门发文对电动自行车火灾的整治都放在规范停放和充电行为上。安科瑞Acrelcloud-9500充电桩运营管理云平台，针对电动自行车火灾治理提供充电管理、资产管理和交易管理的一揽子解决方案，解决充电难、管理难和收费难的问题，可应用于商业楼宇、小区、学校、医院等场所设置的电动自行车充电场所的运营管理。
4.1.6物业小区预付费管理云平台
安科瑞远程预付费系统可以针对各商业综合体、小区、写字楼、办公楼、酒店式公寓等物业，学校、工厂宿舍的后勤管理部门以及连锁超市、大型物业分布式财务操作，在线支付，总部财务扎口等。目前Acrelcloud-3000预付费管理系统已经成功在上述各场景得到广泛的应用并已经稳定运行多年，适用于物业公司对小区、办公和商铺租户的水电预付费管理，或者学校对学生宿舍的用电预付费和用电管控系统。
4.2有线/无线物联
安科瑞根据多年来的项目经验，结合用户实际需求，开发了各类有线、区域无线、广域无线通讯产品，包括网关和终端设备。支持RS485、以太网、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多种通讯方式，随着5G建设步伐的加快，未来将会有越来越多的通讯方式融入产品，服务于泛在电力物联网建设。
4.3边缘计算
安科瑞针对物联网应用开发了多款智能网关，采用嵌入式系统和边缘计算技术，现场采集和存储终端设备数据，并根据云平台的需要，采用不同的协议和云平台对接。所有数据采集、计算、异常报警触发逻辑均在网关就地设置，网络故障时数据存储在本地，网络恢复后补传数据，断点续传，提高数据可靠性。
4.4终端设备
针对泛在电力物联网的建设，安科瑞陆续推出多款物联网仪表，应用在不同场合以满足不同需求，2019年全年各类终端仪表出货量超过185万台。
4.5安科瑞产品在泛在电力物联网的应用
近两年来，安科瑞已经陆续参与江苏省部分县市电力公司的用户端能源管理平台、云南省网综合能源服务平台、上海嘉定区147所学校电力运维平台等相关平台的建设，提供了包括云平台、智能网关、终端设备等产品，各类用户端云平台在全国各地运行案例700多套，并且根据用户需求不断完善产品功能，这些项目就是未来泛在电力物联网的一部分。
“能源互联网的春天到了，因其所能，它必将成为充满活力的新型能源业态。”尽管针对泛在电力物联网还有一些不同的声音，但是泛在电力物联网已经悄无声息的铺开来，融入能源互联网基础建设的方方面面。
5结束语
本文首先从感知层、计算层、网络层、平台层、应用层入手，分析泛在电力物联网的基本概念和整体网络构架。进而介绍了电力能耗监测管理系统所涉及到的几种较为重要的泛在电力物联网关键技术。从设计、开发分析和说明以及运行等维度，阐述了华北电力大学扬中智能电气研究的电力能耗监测管理系统，展示了一个智慧能源综合服务平台，以期为相关领域后续研究提供参考。
参考文献
[1] 朱鹏,朱国义,杨顺,周健.基于泛在电力物联网的电力能耗管理系统研究
[2] 童光毅. 关于当代能源转型方向的探讨.智慧电力.2018
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介
淮亚利，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能照明的研发与应用