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    淺談泛在電力物聯網在智能配電系統的應用技術探究及展望

    發布時間: 2020-08-04  點擊次數: 213次

    摘要: 對泛在電力物聯網進行體系架構的探究,對面向配電網的泛在電力物聯網關鍵技術進行條分縷析,就泛在電力物聯網與配電網的融合情形或者說典型應用進行具體展望。

    關鍵詞:泛在電力物聯網;配電系統;智能算法

     

    引言

    隨著時代的發展,配電網的角色在發生轉變:由單純的單向電能供應轉向復雜的雙向能流服務,如分布式發電的接入、用戶側多樣需求的滿足等。但受制于歷史發展情狀,規模龐大的配電網難以立即適應新角色,特別在信息化和自動化水平上存在長足進展空間。正是基于此,內蒙古電力公司積極響應打造泛在電力物聯網的戰略目標,其實質是以物聯網技術為核心,充分吸納人工智能、大數據分析等要素,達成電力生產到電力消費各環節中各類對象的信息互聯共享,從而實現對配網運行狀態的實時感知與精細調控。但泛在電力物聯網的研究尚不成熟,其與配網的融合處于起步階段,需要進行有益探索。

     

    1、泛在電力物聯網概念及體系架構

    在社會高度電氣化的當下,推進電網信息化智能化的升級己成為世界各國共識。美國、歐盟、日韓等發達經濟體均提出了相關愿景展望及工作計劃。我國是電力大國和電力強國,在電網發展的沿陣地自然占有一席之地。內蒙古電力公司關于泛在電力物聯網的理解:將“源- 網- 荷”層面的人、物、設備等充分連接以達成泛在感知,借助可靠通信和高性能信息處理將海量數據在發、供、用之間共享,實現全網“能量流、信息流、業務流”的一體化融合,為價值服務提升提供有效平臺。感知層。它是泛在電力物聯網的“神經末梢”,其物理形態主要是廠站端各類互感器、電能表、集中器以及用戶側智能電器。通過該層的全景式感知,控制決策單元將在廣度和深度上洞悉電網運行各環節的情狀,為各類電力應用奠定數據基礎。

     

    圖1 泛在電力物聯網分層架構

    網絡層。該層負責為泛在電力物聯網的各型業務提供安全的信息交互通道,具體方式按實況、傳距、成本等考量因素進行擇定。

     

    圖2 泛在電力物聯網的通信方式

    平臺層。該層承載海量數據的實時新、科學分析、共享管理,打破了信息孤島,解決了信息碎片化存儲問題,助力電力系統向電力和數據并重的轉型。應用層。該層的功能是基于全景大數據搭建各類新型應用平臺,達成電力系統各參與方的感知互動。

    2、面向配用電系統的泛在電力物聯網關鍵技術

    2.1 感知層關鍵技術

    相較于輸電網,配電網的拓撲結構為復雜、入網設備為多樣,為了實現有效監測,傳感設備高度集成化:充分考量尺寸、兼容等因素研發新型設備;重點是底層傳感器部署技術的深化。

    2.2 網絡層關鍵技術

    配電網點多面廣,“點對點”有線通信方式難以全面鋪開,應采用“有線+ 無線”互補的模式,并重視安全防御的落實。

    底層自組網與核心通信網規劃技術。配電通信系統承載多種業務的信息傳輸任務( 需滿足多款QoS 需求),且接入對象不斷豐富化( 如分布式發電、電動汽車、智能終端、海量傳感器等),為應對泛在感知信息在數據量和呈現維度的指數式攀升,需設計健壯的自組網路由策略來確保底層接入網的狀態量和控制量獲得及時傳輸。在這方面,依托健壯性測度的構建提出網絡擴充的相關算法;基于通信系統與配網系統的耦合關系,以拓撲勢概念為抓手,提出配網CPS系統協同規劃方法。

    安全訪問與信息控制技術。物聯網技術的引入會在一定程度上帶來信息安全風險。解決途徑:身份認證與訪問控制技術(提出的基于哈希函數與非對稱加密技術的雙向身份認證與訪問控制協議) ;數據加密技術。即對傳輸數據施以加密算法,由接收方解密;安全路由技術。主要要借助路由協議的合理設計來保證信息的“源→宿”路徑可被正確發現。

    2.3 平臺層關鍵技術

    數據融合技術。通過泛在感知的海量數據的特點是多源、異構、高冗余,必須依托數據融合技術來進行置處理(圖3);數據存儲管理與挖掘分析技術。為應對泛在電力物聯網海量數據的實時新存儲,可采取策略:基于Hadoop 平臺的數據壓縮方法;采用NoSQL 技術對實際數據進行分布式存儲管理。為提取大數據蘊含價值,可吸納K-means聚類來分析用電行為,可借助Apriori 算法尋找誘發諧波的主要原因等。

    2.4 應用層關鍵技術

    泛在電力物聯網環境下,諧波注入、潮流雙向流動、頻率/ 電壓波動加劇等情況會較普遍,需要采取新技術予以克服:態勢感知技術。就是通過“態勢察覺→態勢理解→態勢預測”來達成對電網運行風險的識別、分析及處置??刹扇》椒榛陔妷航捣匠毯突貧w分析方法;主動化運行技術。為應對新型能源與負荷的大規模接入,提升現有電網調節容量和調控靈活性,發展方向:依托泛在電力物聯網高性能硬件進行運行方式的實時計算和網架元件的精細化調控;經由價格激勵提高系統備用容量。

     

    圖3 三個層級的數據融合技術

     

    3、泛在電力物聯網與配電網的融合

    泛在電力物聯網與配電網業務的融合將徹底改變現階段供用電情形,展望于三大層面(圖4)。

     

    圖4 泛在電力物聯網在配電網的應用場景

    A 層面。泛在電力物聯網擁有健壯的通信系統,可實時感知各類設備的運行狀態,再依托它的數據挖掘特長,就能不依靠電氣量提取或人工現場巡查來快速辨識系統潛伏性異常、評估電網運行風險程度,從而規避當下電力設備隨壞隨修的不利局面,使得狀態檢修能夠在真正意義上開展。

    B 層面。在時代快速發展的當下,電網與用戶間的界限逐漸模糊,異質能源日趨混雜并協同應用,這需要提升配電網規劃運行的自主靈活性:基于各類感知到的大數據,建立高精細的負荷分布及預測模型,借助邊緣計算技術,提升不確定環境下配電網運行彈性;借助云計算技術對異質能源進行各類分析,目的是達成多種能源的合理應用。

    C 層面。為形成用戶合理用能局面,并使用戶以充分的深度和廣度參與配電網運行,應基于泛在電力物聯網制定個性化用能服務:以智能算法分析用戶用能習慣,達成個性化用能(圖5)?;谂潆娋W主動化運行技術與價格激勵機制,實現“源- 荷”一體化調度(圖6)。

     

    圖5 用戶用電行為分析技術框架

     

    圖6 配電網協同化控制架構

     

    4、安科瑞配電系統智能運維產品選型及平臺介紹

    近兩年來,安科瑞已經陸續參與各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全國各地運行案例700多套,并且根據用戶需求不斷完善產品功能,這些都是未來泛在電力物聯網的一部分。安科瑞可為泛在電力物聯網系統感知層、網絡層、平臺層、應用層提供相應的產品,采用有線及網線的模式,達到各環節信息共享。

     

    4.1安科瑞智能網關、終端設備選型

    名稱

    型號

    功能

    應用

    智能網關

    ANet-1E2S1-4G

    嵌入式linux系統,網絡通訊方式具備Socket方式,支持XML格式壓縮上傳,提供AES加密及MD5身份認真等安全需求,支持斷點續傳,支持Modbus,ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101/103/104

    網絡層

    ANet-2E4S1

    ANet-2E8S1

    多功能電表

    APM830

    具有全電量測量,電能統計,采用模塊化設計,開關量輸入輸出,模擬量輸入輸出,SD卡記錄,以太網通訊可定制,開孔安裝

    感知層

    DTSD1352

    具有全電量測量,電能統計,80A以內可直接接入,導軌式安裝

    物聯網電表

    ADW2XX

    ADW2XX系列導軌式物聯網儀表主要用于低壓三相回路全電參量測量,調試可選擇四個回路的電流輸入??芍苯踊蜷g接測量電壓、電流、功率、功率因數、相角、不平衡度、諧波等參數。還可通過其RJ45接口擴展輔助功能,實現DI、DO、測溫、剩余電流測量,以及4G、LORA、lorawan、NB-Lot無線通信功能。

    物聯網電表

    ADW300

    ADW300無線計量儀表主要用于計量低壓網絡的三相有功電能,具有RS485通訊和LORA無線通訊功能,方便用戶進行用電監測、集抄和管理??伸`活安裝于配電箱內,實現對不同區域和不同負荷的分項電能計量,統計和分析。

     

     

    4.2 安科瑞智能運維平臺介紹

    平臺結構

    變配電站通過安裝多溫濕度傳感器,水浸傳感器,煙霧傳感器,門磁開關等傳感器,通過網關經無線(3G/4G)或有線的方式將數據上傳云服務器上,并將數據進行集中存儲、統一管理。具有權限的用戶可通過PC、PAD、手機等各類終端設備訪問數據、接收報警信息,監控變配電站環境狀態。

    平臺功能

    安科瑞變電所運維云平臺(AcrelCloud-1000)根據市場需求反饋,運用互聯網和大數據技術,為電力運維公司提供配套線上運維服務。該平臺作為連接運維單位和用電企業的紐帶,監視用戶配電系統的運行狀態和電量數據,為客戶提供好的運維服務,平臺提供系統總覽、電力數據監測、電能質量分析、用電統計分析和日/月/年電能統計報表、異常預警、事故報警和事件記錄、運行環境監測、運維巡檢派單等功能,并支持多平臺、多終端數據訪問。

    • 電力監測

    通過矢量配電圖監測變電所用電情況,畫面響應遙信變位、遙測越限報警,點擊某個配電回路后可以查詢該配電回路的各類詳細用電參數,包括實時值、平均值;

    實時監測變壓器運行情況,包括功率、負荷率、需量、繞組溫度等。

     

    提供多種類型的查詢報表,可以查詢各配電回路的各類電力參數(電壓、電流、功率、頻率、諧波、三相不平衡度等),系統可以對某電力參數按照天、月進行極值統計。

     

    可實現漏電監測、線纜及母排溫度監測。

     

    • 故障報警

    平臺可配置遙信變位報警(水浸、煙霧、門磁、開關跳閘等)、遙測越限報警(過壓、欠壓、過流、線纜溫度過高、繞組溫度過高等)、運行報警(儀表離線、網關離線等),并將接收到的報警通過短信、網頁推送,報警上下限可根據現場情況靈活配置。

     

    • 能效分析

    按照配電回路、區域、部門、分項(照明、空調、動力等)統計每時、每天、每月、每年用電數據,并進行同環比分析;

     

    按尖、峰、平、谷統計各配電回路的用電量及用電金額; 

    統計四象限電能并計算每天、每月的平均功率因數;

    按月統計每個回路的需量及發生值,為需量申報提供依據。

    設備檔案

    系統可配置每個變電所內變壓器、進線柜、出線柜、計量柜、高壓電纜等設備信息,記錄設備的廠家、型號、投運日期等,并可靈活定義設備的巡檢項、缺陷類別等信息。

     

    巡檢消缺 

    通過系統編制巡檢計劃,并將計劃下發到巡檢人員手機上,巡檢人員在變電所現場根據巡檢要求執行巡檢任務,如果在巡檢過程中發現缺陷,可記錄缺陷并在系統中生成消缺任務。

    用戶報告

     

    • 手機APP

    通過手機APP實現配電圖查看、視頻監視及回放、電力參數查詢、需量統計、用能分析,并可通過手機接收報警、執行巡檢、記錄缺陷.

     

     

    參考文獻

    【1】 楊挺,趙黎媛,王成山, 人工智能在電力系統及綜合能源系統中的應用綜述[J].電力系統自動化

    【2】 汪鵬,鄭宵,湯曉穎,泛在電力物聯網在智能配電系統的應用探究

    【3】 安科瑞企業微電網設計及應用手冊.2020.6版

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