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浅谈泛在电力物联网在智能配电系统的应用技术探究及展望

2020-08-04

摘要: 对泛在电力物联网进行体系架构的探究,对面向配电网的泛在电力物联网关键技术进行条分缕析,就泛在电力物联网与配电网的融合情形或者说典型应用进行具体展望。

关键词:泛在电力物联网;配电系统;智能算法

 

引言

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状,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,内蒙古电力公司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愿景展望及工作计划。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。内蒙古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,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。感知层。它是泛在电力物联网的“神经末梢”,其物理形态主要是厂站端各类互感器、电能表、集中器以及用户侧智能电器。通过该层的全景式感知,控制决策单元将在广度和深度上洞悉电网运行各环节的情状,为各类电力应用奠定数据基础。

 

图1 泛在电力物联网分层架构

网络层。该层负责为泛在电力物联网的各型业务提供安全的信息交互通道,具体方式按实况、传距、成本等考量因素进行择定。

 

图2 泛在电力物联网的通信方式

平台层。该层承载海量数据的实时更新、科学分析、共享管理,打破了信息孤岛,解决了信息碎片化存储问题,助力电力系统向电力和数据并重的转型。应用层。该层的功能是基于全景大数据搭建各类新型应用平台,达成电力系统各参与方的感知互动。

2、面向配用电系统的泛在电力物联网关键技术

2.1 感知层关键技术

相较于输电网,配电网的拓扑结构更为复杂、入网设备更为多样,为了实现有效监测,传感设备高度集成化:充分考量尺寸、兼容等因素研发新型设备;重点是底层传感器部署技术的深化。

2.2 网络层关键技术

配电网点多面广,“点对点”有线通信方式难以全面铺开,应采用“有线+ 无线”互补的模式,并重视安全防御的落实。

底层自组网与核心通信网规划技术。配电通信系统承载多种业务的信息传输任务( 需满足多款QoS 需求),且接入对象不断丰富化( 如分布式发电、电动汽车、智能终端、海量传感器等),为应对泛在感知信息在数据量和呈现维度的指数式攀升,需设计健壮的自组网路由策略来确保底层接入网的状态量和控制量获得及时传输。在这方面,依托健壮性测度的构建提出网络扩充的相关算法;基于通信系统与配网系统的耦合关系,以拓扑势概念为抓手,提出配网CPS系统协同规划方法。

安全访问与信息控制技术。物联网技术的引入会在一定程度上带来信息安全风险。解决途径:身份认证与访问控制技术(提出的基于哈希函数与非对称加密技术的双向身份认证与访问控制协议) ;数据加密技术。即对传输数据施以加密算法,由接收方解密;安全路由技术。主要要借助路由协议的合理设计来保证信息的“源→宿”路径可被正确发现。

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(图3);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

泛在电力物联网环境下,谐波注入、潮流双向流动、频率/ 电压波动加剧等情况会较普遍,需要采取新技术予以克服:态势感知技术。就是通过“态势察觉→态势理解→态势预测”来达成对电网运行风险的识别、分析及处置。可采取方法为基于电压降方程和回归分析方法;主动优化运行技术。为应对新型能源与负荷的大规模接入,提升现有电网调节容量和调控灵活性,发展方向:依托泛在电力物联网高性能硬件进行运行方式的实时计算和网架元件的精细化调控;经由价格激励提高系统备用容量。

 

图3 三个层级的数据融合技术

 

3、泛在电力物联网与配电网的融合

泛在电力物联网与配电网业务的融合将彻底改变现阶段供用电情形,展望于三大层面(图4)。

 

图4 泛在电力物联网在配电网的应用场景

A 层面。泛在电力物联网拥有健壮的通信系统,可实时感知各类设备的运行状态,再依托它的数据挖掘特长,就能不依靠电气量提取或人工现场巡查来快速辨识系统潜伏性异常、评估电网运行风险程度,从而规避当下电力设备随坏随修的不利局面,使得状态检修能够在真正意义上开展。

B 层面。在时代快速发展的当下,电网与用户间的界限逐渐模糊,异质能源日趋混杂并协同应用,这需要提升配电网规划运行的自主灵活性:基于各类感知到的大数据,建立高精细的负荷分布及预测模型,借助边缘计算技术,提升不确定环境下配电网运行弹性;借助云计算技术对异质能源进行各类分析,目的是达成多种能源的合理应用。

C 层面。为形成用户合理用能局面,并使用户以充分的深度和广度参与配电网运行,应基于泛在电力物联网制定个性化用能服务:以智能算法分析用户用能习惯,达成个性化用能推荐(图5)。基于配电网主动优化运行技术与价格激励机制,实现“源- 荷”一体化调度(图6)。

 

图5 用户用电行为分析技术框架

 

图6 配电网协同优化控制架构

 

4、安科瑞配电系统智能运维产品选型及平台介绍

近两年来,安科瑞已经陆续参与各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,这些都是未来泛在电力物联网的一部分。安科瑞可为泛在电力物联网系统感知层、网络层、平台层、应用层提供相应的产品,采用有线及网线的模式,达到各环节信息共享。

 

4.1安科瑞智能网关、终端设备选型

名称

型号

功能

应用

智能网关

ANet-1E2S1-4G

嵌入式linux系统,网络通讯方式具备Socket方式,支持XML格式压缩上传,提供AES加密及MD5身份认真等安全需求,支持断点续传,支持Modbus,ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101/103/104

网络层

ANet-2E4S1

ANet-2E8S1

多功能电表

APM830

具有全电量测量,电能统计,采用模块化设计,开关量输入输出,模拟量输入输出,SD卡记录,以太网通讯可定制,开孔安装

感知层

DTSD1352

具有全电量测量,电能统计,80A以内可直接接入,导轨式安装

物联网电表

ADW2XX

ADW2XX系列导轨式物联网仪表主要用于低压三相回路全电参量测量,调试可选择四个回路的电流输入。可直接或间接测量电压、电流、功率、功率因数、相角、不平衡度、谐波等参数。还可通过其RJ45接口扩展辅助功能,实现DI、DO、测温、剩余电流测量,以及4G、LORA、lorawan、NB-Lot无线通信功能。

物联网电表

ADW300

ADW300无线计量仪表主要用于计量低压网络的三相有功电能,具有RS485通讯和LORA无线通讯功能,方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内,实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量,统计和分析。

 

 

4.2 安科瑞智能运维平台介绍

平台结构

变配电站通过安装多温湿度传感器,水浸传感器,烟雾传感器,门磁开关等传感器,通过网关经无线(3G/4G)或有线的方式将数据上传云服务器上,并将数据进行集中存储、统一管理。具有权限的用户可通过PC、PAD、手机等各类终端设备访问数据、接收报警信息,监控变配电站环境状态。

平台功能

安科瑞变电所运维云平台(AcrelCloud-1000)根据市场需求反馈,运用互联网和大数据技术,为电力运维公司提供配套线上运维服务。该平台作为连接运维单位和用电企业的纽带,监视用户配电系统的运行状态和电量数据,为客户提供更好的运维服务,平台提供系统总览、电力数据监测、电能质量分析、用电统计分析和日/月/年电能统计报表、异常预警、事故报警和事件记录、运行环境监测、运维巡检派单等功能,并支持多平台、多终端数据访问。

  • 电力监测

通过矢量配电图监测变电所用电情况,画面响应遥信变位、遥测越限报警,点击某个配电回路后可以查询该配电回路的各类详细用电参数,包括实时值、平均值;

实时监测变压器运行情况,包括功率、负荷率、需量、绕组温度等。

 

提供多种类型的查询报表,可以查询各配电回路的各类电力参数(电压、电流、功率、频率、谐波、三相不平衡度等),系统可以对某电力参数按照天、月进行极值统计。

 

可实现漏电监测、线缆及母排温度监测。

 

  • 故障报警

平台可配置遥信变位报警(水浸、烟雾、门磁、开关跳闸等)、遥测越限报警(过压、欠压、过流、线缆温度过高、绕组温度过高等)、运行报警(仪表离线、网关离线等),并将接收到的报警通过短信、网页推送,报警上下限可根据现场情况灵活配置。

 

  • 能效分析

按照配电回路、区域、部门、分项(照明、空调、动力等)统计每时、每天、每月、每年用电数据,并进行同环比分析;

 

按尖、峰、平、谷统计各配电回路的用电量及用电金额; 

统计四象限电能并计算每天、每月的平均功率因数;

按月统计每个回路的需量及发生值,为需量申报提供依据。

设备档案

系统可配置每个变电所内变压器、进线柜、出线柜、计量柜、高压电缆等设备信息,记录设备的厂家、型号、投运日期等,并可灵活定义设备的巡检项、缺陷类别等信息。

 

巡检消缺 

通过系统编制巡检计划,并将计划下发到巡检人员手机上,巡检人员在变电所现场根据巡检要求执行巡检任务,如果在巡检过程中发现缺陷,可记录缺陷并在系统中生成消缺任务。

用户报告

 

  • 手机APP

通过手机APP实现配电图查看、视频监视及回放、电力参数查询、需量统计、用能分析,并可通过手机接收报警、执行巡检、记录缺陷.

 

 

参考文献

【1】 杨挺,赵黎媛,王成山, 人工智能在电力系统及综合能源系统中的应用综述[J].电力系统自动化

【2】 汪鹏,郑宵,汤晓颖,泛在电力物联网在智能配电系统的应用探究

【3】 安科瑞企业微电网设计及应用手册.2020.6版

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