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浅析泛在物联网在配电系统关键技术研究

更新时间:2024-07-04  |  点击率:75

浅析泛在物联网在配电系统关键技术研究


 

 

摘要:近几年,在我国社会经济不断发展的背景下,我国电力行业也处于快速发展的时期,电网的规模也在不断扩大。在发电机容量不断增加、分布式新能源出现后,电网连接的主体已经成为能源革命的重要部分,能源输送和转换利用的重要枢纽正朝着数字化、智能化的方向不断发展。而基于泛在电力物联网的配电系统关键技术作为现阶段较为先进的技术类型,对于电力物联网的建设具有一定意义。文章基于泛在电力物联网,分析了配电系统关键技术,探究了配电系统关键技术的应用价值。

关键词:泛在电力物联网;配电系统;关键技术

0引言

在我国国家电网的倡导下,泛在电力物联网的概念随之出现,其主要是将物联网技术应用在电力系统当中,对其进行实时监督和智能控制等,使电网运行的效率和控制质量能够得到大幅提升。在电力系统中应用数据技术、云计算技术和人工智能技术等新型技术,不仅可以实现资源信息的整合与分析,还可以使电力企业的生产模式、运营模式和业务模式等实现创新发展,进而促进电力行业的转型与发展。

1泛在电力物联网概述

1.1泛在电力物联网的含义

泛在电力物联网主要是指将电力用户、发电企业和供应商三方进行连接,并实现数据共享的一种服务模式,也就是将配电网作为核心,借助建立信息化数据共享平台的方式,实现信息的传递与交流,进而使电力市场的价值能够得到大程度的发挥。泛在电力物联网着重结合配电网各环节的“能量流”“信息流”“业务流”等,能够使用户了解与掌握电网信息,在对电力企业配电网合理安排的同时还能够使配电网系统的稳定性与可靠性得到提升。

1.2泛在电力物联网的体系组成

泛在电力物联网主要是由感知层、网络层、平台层和应用层4个层次组成,不同层次具有不同的定位和功能,如图1所示。

 

浅析泛在物联网在配电系统关键技术研究
 

 

(1)感知层。在泛在电力物联网体系当中,感知层主要起到“神经末梢”的作用,能够借助不同类型的传感器深入设备内部,对其进行感知。在感知层当中主要包含电力电流互感器和电能表等多种终端设备,不但能够对配电系统的运行状态进行实时监控和风险评估,还能够在配电系统出现故障时时间发出警报信号,并且对故障问题进行管理和控制,尽可能降低突发故障问题对配电系统运行产生的负面影响,进而保证配电系统运行的安全性和稳定性。

(2)网络层。网络层的主要作用是保障泛在电力物联网中的业务通信服务质量,通常分为内部专网和互联专网,并且因为不同系统在使用条件和经济成本等方面存在一定的差异,能够满足其条件的通信方式也有所不同。泛在电力物联网网络层的主要通信方式可以分为4种:移动空中网、传统互联网、近距离有线传输和近距离无线传输。移动空中网主要是以5G、230MHz等为主,传统互联网主要是以Wi-Fi、以太网络等为主,近距离有线传输主要是以电线、USB和有线开关量等为主,近距离无线传输主要是以电力线载波通信和蓝牙等为主。

(3)平台层。平台层能够借助大数据存储和分析技术,实现系统数据的交互与融合,能够很好地处理传统模式中信息存储碎片化的问题,不但能够从本质上对信息“孤岛问题”进行解决,还能够利用线上信息平台和云数据中心等方式,对配电网的运行数据进行收集、整理与分析,实现配电网系统数据处理模式的更新与优化,实现电力信息数据的共享。

(4)应用层。应用层主要包含对内业务和对外业务2个方面,具体包括用户用能业务、电网运营业务、综合能源系统运营等丰富的业务类型,泛在电力物联网的应用层主要是使用户能够与智能配电系统产生互动,解决用户需求。

2配电系统的泛在电力物联网关键技术

2.1感知层关键技术

要想对电力系统进行精细化管理和控制,对电力系统中的各类终端设备进行实时监控与管理十分重要。由于配电网中的结构和设备类型越来越丰富,所需要监测和控制的设备数量较多,其所需处理的数据也呈现出复杂性的特点。所以,对于配电系统和用电人员来说,想要使双方共同降低成本、提升效率、实现电力信息的贡献,就需要泛在电力物联网中的传感设备更加先进与科学,借助感知层性能的提升使泛在电力物联网能够得到发展。

(1)新型电力物联网设备研发。要想使目前的配电系统朝着泛在电力物联网的方向发展,相关部门应当将先进设备的研发作为主要的工作内容,且在设备研发的过程中将电力行业发展现状和发展趋势考虑其中,对设备的尺寸、布设环境、电磁兼容等问题进行思考,研发出先进的电力物联网设备,并将其投入使用。

(2)底层传感器部署技术。在配电系统运行的过程中,由于运行场景相对较复杂,只有对底层大量设备实现全覆盖,才能够保证设备实时监控的效果,进而实现泛在电力物联网对配电系统运行状况的感知,并且对其进行智能化控制。所以,对底层传感器的部署已经成为众多专家和学者研究的重点,例如在对分布式风电状态进行监测时,可以利用空间正四面体的模式完成传感器的部署。

2.2网络层关键技术

泛在电力物联网对配电系统运行状况进行感知和控制的前提是需要具有一个可靠、稳定的通信通道,这样才能够确保数据的及时接收和指令的准确传达。然而,随着我国城镇化水平的不断提高,配电网的结构和部署也变得愈加复杂,如果依然借助传统有线通信的方式进行通信,不但会因线路布设困难对其正常使用产生影响,还会增加通信的成本。近年来,随着无线网络的不断发展,电力物联网具有能耗低、部署便利、抗损毁性强等优势。而在日后的泛在电力物联网发展中,有线通信与无线通信相结合的模式已经成为泛在电力物联网网络层发展的主要方向,不但能够实现通信的稳定性和可靠性,还能够避免遭受恶意网络攻击,确保通信的安全性。

2.3平台层关键技术

为了使用户获取到电力系统相关信息和数据,实现数据的共享、对电网的运行状态数据进行获取和分析、对用户侧用能数据及相关数据进行收集成为泛在电力物联网做出决策的重要数据基础。而在社会不断发展的背景下,数据获取的范围愈加广泛,数据格式较为多样,数据数量也相对较多,其中无用的信息数量也较多,所以,对配电系统中的信息进行分类、筛选与整合,将有用的信息进行整理和分析,并将其共享给用户,才能够大程度上发挥泛在电力物联网平台层的作用和价值。

(1)数据融合技术。泛在电力物联网在对数据进行监测与感知时,会出现很多无实际用途的数据,导致其感知到的整体数据量偏多,而采用数据融合技术可以对数据的冗余度进行降低,精简数据信息,使数据分析量也能够有所减少。而数据融合技术主要可以分为三个级别,分别为数据级、特征级以及决策级。

(2)大数据存储管理技术。由于泛在电力物联网中的数据数量较多,传统的存储管理方式往往存在数据重复率高、利用率低等问题。所以,面对这一情况,可以采用大数据存储管理技术,不但能够实现对电网运行数据的科学管理,还能够尽可能降低数据的重复率,提升数据的利用率。

(3)大数据挖掘分析技术。在泛在电力物联网中,采用大数据挖掘分析技术能够大程度上对数据进行深度的挖掘与分析,将其中的深刻内涵提取,不但有助于提升数据的应用价值,将有效信息与用户进行共享,还能够为决策提供数据支持,维持电网的稳定运行。

2.4应用层关键技术

由于传统电网存在信息化程度低、数据感知不全等方面的问题,导致其往往会存在一系列问题,影响着应用层的发展。而在泛在电力物联网环境中,为了能够对现存问题进行处理和解决,可以采用态势感知技术,通过对电网的态势进行感知和察觉,并对其运行中的风险进行识别、预测、评估等,再采用主动优化运行技术对其存在的风险问题进行优化与处理,可使泛在电力物联网能够保持在一个稳定运行的状态。

3配电系统的泛在电力物联网关键技术应用价值

3.1保障配电系统安全运行

现阶段,我国电网在运行的过程中往往会出现一系列的问题,影响着电力行业的发展,而泛在电力物联网借助关键技术的优势,不但能够对电网运行状态进行监测与控制,还能够实现电气设备的自我诊断,对于配电系统的稳定、安全运行起到较为重要的作用。

3.2提高清洁能源占比

在目前配电系统的运行当中,清洁能源利用率较低,造成清洁能源浪费的情况。而泛在电力物联网的建设能够利用物联网技术、人工智能技术等,对清洁能源的发电情况进行预测,并对清洁能源实现灵活的存储和应用,以多能源互补的方式,提高清洁能源在电网运行中的占比,提升清洁能源的利用率[9]。

3.3加快建设智慧能源服务平台

泛在电力物联网关键技术在配电系统中的应用有助于智慧能源服务平台的建设。电力企业可以通过商业化的模式鼓励人们增强对电力资源的需求,并采用大数据技术、互联网金融技术等将众多新型产业或是企业纳入自身的服务范围之内,不但可以为用户提供好的服务,还能够加强电网与企业、政府的合作,使电力行业得到发展。

3.4实现电网资产管理

过去通常以人力或是电子设备的方式对配电系统中的电气设备进行巡检,而在电气设备不断增加、巡检任务不断增强的背景下,依靠传统的巡检方式已经难以满足现阶段巡检的要求。而泛在电力物联网可以利用实物ID数据技术,对电气设备资产进行智能化管理,并对其进行评估,极大程度上提升了电网资产管理的准确性与高效性。

4 Acrel-EIOT能源物联网云平台

(1)概述

Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台,建立统一的上下行数据标准,为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器,选配网关,自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能,并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

(2)应用场所

本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

(3)平台结构

 

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(4)平台功能

电力集抄

电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示,以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制,对系统进行综合检测和统一管理;在数据资源管理方面,可以显示或查询供配电室内各设备运行(包括历史和实时参数,并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印,提高工作效率,节约人力资源。

 

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变压器监控

 

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配电图

能耗分析

能耗分析模块采用自动化、信息化技术,实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理,使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来,运用先进的数据处理与分析技术,进行离线生产分析与管理,实现全厂能源系统的统一调度,优化能源介质平衡、有效利用能源,提高能源质量、降低能源消耗,达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。

 

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能耗概况

 

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预付费管理

1)登陆管理:管理操作员账户及权限分配,查看系统日志等功能;

2)系统配置:对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置;

3)用户管理:对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作;

4)售电管理:对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作;

5)售水管理:对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作;

6)报表:提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询,本系统所有的报表及记录查询,都支持excel格式导出。

 

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预付费看板

充电桩管理

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。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能,包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。

 

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充电桩看板

智能照明

智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测,也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等,降低路灯设施的维护难度和成本,提升管理水平,并达到一定节能减挂的效果。

 

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监控页面

安全用电

安全用电采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器,对引发电气火灾的主要因素(导线温度、电流和剩余电流)进行不间断的数据跟踪与统计分析,并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员,指导企业实现时间的排查和治理,达到消除潜在电气火灾安全隐患,实现“防患于未然”的目的。

智慧消防

通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析,帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白,适应于所有公建和民建,实现了无人化值守智慧消防,实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。

(5)系统硬件配置

类型

型号

外观

产品功能

能源物联网云平台

Acrel-EIOT

 

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提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能,并支持多平台、多语言、多终端数据访问

智能网关

AWT100-4G

 

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1路下行485,上行可选配4G、WIFI、网口

ANet-1E2S1-4G

 

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上行:以太网、4G

下行:RS485

物联网电表

ARTU系列

 

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可扩展DIDO以及多路模拟量输入输出单元。

通讯方式:RS485接口,Modbus协议。可扩展2G、Lora、LoRAWAN、NB-IoT、4G、以太网

无线测温

ARTM-Pn

 

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可监测电压、电流、频率、有功功率、无功功率、电能,可接收60个无线温度传感器温度

ATC600

 

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ATC600有2种工作模式:终端(-C)、中继(-Z),可根据项目布局选择配置。可接收240个无线温度传感器温度

光伏监控

AGF

 

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光伏电池串开路报警,可以配合组串电压进行综合判断;带3路开关量状态监测,用于采集直流断路器、防雷器等输出空接点状态;一次电流采用穿孔方式接入,安装方便,安全性高;测量元件采用霍尔传感器,隔离测量电流20A;电压测量功能可测量母线电压高DC1500V

电力监控

AEM96

 

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三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量(电压、电流、功率)、开关量、报警输出

通讯方式:RS485接口,支持Modbus-RTU协议

AEM72

 

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三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量(电压、电流、功率)、开关量、报警输出

通讯方式:RS485接口,支持Modbus-RTU协议

ACR系列

 

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三相所有电力参数、需量记录(ACR320EFL)、分时电能统计及12月电能统计、日期时间显示、LCD显示、RS485通讯,事件记录。

通讯方式:RS485,Prifibus-DP、以太网

APM系列

 

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全电量测量,四象限电能,复费率电能,仪表内部温度测量,总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量及需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月值和上月值(包含时间戳)。中文显示,有功电能0.2s级。通讯方式:RS485,Prifibus-DP、以太网

物联网电表

DDS

 

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有功、无功电能计量,电参量测量:U、I、P、Q、S、PF、F,LCD显示,RS485通讯,MODBUS-RTU和DL/T645协议

物联网电表

DDSD

 

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电能计量:总电能计量(反向计入正向),3个月历史电能数据冻结存储电参量测量:U、I、P、Q、S、PF、F测量LCD显示:8位段式LCD显示按键编程:3按键可编程设置密码、通讯地址、波特率、复费率和通讯协议。

脉冲输出:L有功电能脉冲输出复费率:4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率通讯:RS485接口,MODBUS-RTU、DL/T645-97、DL/T645-07协议、红外通讯

物联网电表

DTSD

 

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电能计量:有功电能计量(正、反向)、无功电能计量(正、反向)、A、B、C分相正向有功电能电参量测量:U、I、P、Q、S、PF、F谐波测量:2~31次谐波电压电流LCD显示:8位段式LCD显示、背光显示按键编程:4按键可编程通信、变比等参数脉冲输出:有功脉冲输出、无功脉冲输出、时钟脉冲输出LED报警:失压、过压报警复费率及附带功能:有源开关量输入、3开关量输出、支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率、需量及发生时间、上48月、上90日历史冻结数据、日期、时间

通讯:红外通讯、RS485接口、同时支持Modbus、DL/T645测温:支持3外置NTC测温

物联网电表

ADL200

 

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单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。总电能计量(反向计入正向),3个月历史电能数据冻结存储;8位段式LCD显示;有功电能脉冲输出;有功电能精度1级,无功电能2级。

ACR10R

 

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三相电流/电压/频率/功率因数,有功/无功/视在功率,四象限电能计量,需量,复费率电能计量,总谐波含量、分次谐波(2-63次),事件记录和报警功能。电能精度0.5级。

通讯方式:RS485接口,支持Modbus-RTU协议

ADL10-E

 

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有功、无功电能计量,电参量测量:U、I、P、Q、S、PF、F,LCD显示,RS485通讯,MODBUS-RTU和DL/T645协议

ADL400

 

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三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。(正、反向)有功、无功电能计量;A、B、C分相正向有功电能计量;2-31次谐波电压电流;12位段式LCD显示、背光显示,电能精度0.5s级。

ADW200

 

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4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量;当月及上三月的电压、电流、功率值记录;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持12路开关量输入4路开关量输出;支持12路测温4路剩余电流测量;有功电能精度1级。

通讯方式:RS485接口,支持Modbus-RTU协议

ADW210

 

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4路三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量;当月及上三月的电压、电流、功率值记录;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持12路开关量输入4路开关量输出;支持12路测温4路剩余电流测量;有功电能精度1级。

ADW300-4G

 

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三相电压、电流、功率、功率因数、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度测量;电压电流2-31次分次谐波及总畸变测量;当月及上三月的电压、电流、功率值记录;需量及上十二月历史需量记录;事件记录、复费率、四象限电能及历史电能记录;支持4路开关量输入、2路开关量输出;支持4路测温;支持1路剩余电流测量;支持本地显示及按键设置;有功电能精度1级。

通讯方式:支持RS485通讯、Lora无线通讯、4G通讯;WIFI通讯

预付费电表

DDSY-4G

 

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单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量(正、反向),A、B、C分相正向有功电能,支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率需量及发生时间,实时需量,历史冻结数据购电记录;8位段式LCD显示、背光显示;有功电能脉冲输出;有功电能精度1级,无功电能0.5s级。

DTSY-4G

 

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三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量。有功电能计量(正、反向),A、B、C分相正向有功电能,支持4个时区、2个时段表、14个日时段、4个费率需量及发生时间,实时需量,历史冻结数据购电记录;8位段式LCD显示、背光显示;有功电能脉冲输出;有功电能精度1级,无功电能0.5s级。

直流电能表

DJSF1352

 

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1.精度:1级或0.5级,带±12V电压输出用于霍尔传感器供电

2.测量:电压、电流、功率、正反向电能,支持双路计量。

电气安全

ARCM300-Z

 

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三相(I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、cosΦ),视在电能、四象限电能计量,单回路剩余电流监测,4路温度监测,2路继电器输出,2

路开关量输入,支持断电报警上传

AAFD-DU

 

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监测故障电弧、漏电、温度

两路无源干接点(开关量)输入

两路无源常开触点(开关量)输出

充电桩

ACX系列

 

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充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。

支持投币、刷卡,扫码、免费充电,

AEV_AC007

 

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额定功率7kW,单相三线制,防护等级IP65,具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级,支持刷卡、扫码、即插即用。

通讯方式:4G、蓝牙、Wifi

智慧照明

ASL200

 

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遥控输出

两路无源干接点(开关量)输入

两路无源常开触点(开关量)输出

5结论

泛在电力物联网主要利用物联网技术进行智能电网的建设,不但可以确保配电系统运行的安全,提升清洁能源的利用率,还能够实现智慧能源平台的建设,提供综合化的服务,使泛在物联网关键技术的价值能够充分发挥,对于电力行业的发展具有至关重要的作用。

参考文献

[1]王月阳.基于泛在电力物联网的配电系统关键技术研究

[2]陈皓勇,李志豪,陈永波,等.基于5G的泛在电力物联网[J].电力系统保护与控制,2020(3):1-8

[3]周荔丹,曹祖加,姚钢,等.泛在电力物联网的发展分析[J].现代电力,2021(2):119-128

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5