淺談泛在電力物聯網在智能配電系統應用綜述及展望

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

摘要:構建泛在電力物聯網作為支撐建設堅強智能電網以及能源互聯網的重要內容，對保障電網彈性安全運行、實現異質能源友好接人、服務用戶精細化用能具有重要意義。配電網作為電力系統連接產-銷兩端關鍵中間環節，依靠泛在電力物聯網技術將提升其深度感知與精細控制能力，促使配電網由傳統的“源→荷"單向供能模式向“源?荷"雙向能量流動模式轉變，并賦予配電網能源數據共享、服務提供的新型角色。文章從泛在電力物聯網基本概念、體系架構、典型功能、關鍵技術，以及泛在電力物聯網在配電系統中的典型應用等方面進行綜述，并對泛在電力物聯網未來的發展和挑戰進行討論。

關鍵詞:泛在電力物聯網;配電網;智能電網

0、引言

配電網作為連接輸電與用戶的關鍵環節，其安全可靠運行對電力系統穩定以及用戶體驗的重要性不言而喻。隨著“堅強智能電網"、“能源互聯網"等戰略部署和建設的穩步推進，配電網需要承載的功能正在發生改變。尤其是高比例分布式可再生能源集群效應凸顯、電動汽車普及、異質能源系統融合、用戶側多樣性用能需求增長，配電網的角色已由傳統單向電能提供商向雙向能量流動與高級服務轉變。

現行配電網存在量測覆蓋率低、網架結構不靈活、配網設備規模龐大但標準化程度低、間歇性能源與可變新型負荷接納能力不足、用戶多樣化需求服務能力不足等諸多問題。因此，提升配電網的信息化與自動化水平，實現對配網運行狀態的實時感知與精細化控制，并在此基礎上向用戶提供多樣化差異性的用能服務成為當前配電網改造升級的當務之急。

對于配電網而言，泛在電力物聯網建設將極大程度提升配網運行狀態的感知能力，保障分布式能源的友好接人，提高對新型負荷的彈性承載力，滿足用戶多樣性用能需求，促進電網運營部門向樞紐型、平臺型、共享型企業轉型。

1、泛在電力物聯網概念

電力系統為迄今為止復雜的人造系統。電網安全、經濟、可靠運行的需求與日俱增。推進電網信息化智能化的升級已成為世界各國共識。

我國國家電網有限公司在2019年1月17日明確提出打造“樞紐型、平臺型、共享型"企業，建設“堅強智能電網"和“泛在電力物聯網"。同年3月8日，該公司又專門召開泛在電力物聯網建設部署會議,加快推進戰略落地實施，提出到2024年建成泛在電力物聯網。

國家電網有限公司對“泛在電力物聯網"的定義:將電力用戶及其設備、電網企業及其設備、發電企業及其設備、供應商及其設備，以及人和物連接起來，產生共享數據，為用戶、電網、發電、供應商和政府社會服務。以電網為樞紐,發揮平臺和共享作用，為全行業和更多市場主體發展制造更大機遇，提供價值服務。泛在電力物聯網將通過泛在感知、可靠通信和高性能信息處理與高級電力應用實現電網各環節、全電壓等級的“能量流、信息流、業務流"一體化融合，提升系統安全性和運行效率。

2、泛在電力物聯網體系架構與功能

作為物聯網技術、大數據技術、優化運行調控技術深度融合的復雜大系統，泛在電力物聯網呈現出能量流、信息流與業務流交互耦合的特征，將深刻影響未來電網的運營模式,其總體體系架構分為感知層、網絡層、平臺層和應用層。

2.1感知層

感知層是泛在電力物聯網的“神經末梢"。其重要功能在于，采用多種類型的傳感器深入設備，實現感知。感知層設備包括電網一次系統的電壓電流互感器和二次系統的電能表、集中器等各類終端，以及用戶側多種多樣的智能電器。通過泛在感知所獲取的海量數據使控制決策單元能夠獲知電網各個環節運行狀態,使電網在面對諸如間歇性新能源并網、隨機負荷投切、電動汽車時空集群效應時，能夠實時掌握系統狀態，及時發現故障隱患，評估安全運行風險;同時，通過靈活調整電網拓撲，實時控制電源出力，優化用戶用能模式，從而提高電網對高比例分布式新能源與新型負荷的接納能力，強化電網應對突發故障的容災性。

2.2 網絡層

網絡層的功能在于為泛在電力物聯網的各類型業務提供確定的通信服務質量(qualityofservice，QoS)以及安全的信息交互通道。網絡層按安全等級與數據類型劃分為內部專網和互聯外網。具體的通信方式則根據實際工況、傳輸距離、經濟成本等靈活選擇，包含移動空中網、傳統互聯網、近距離無線傳輸以及近距離有線傳輸。其中電力線載波與230MHz無線通信為電力通信系統通信方式，而5G技術則是泛在電力物聯網新興應用的通信方式。

2.3平臺層

平臺層承載海量電網運行數據、用戶側用能數據以及其他能源系統數據的統一化存儲與管理。其作用在于解決傳統能源生產運行方式下存在的信息碎片化存儲問題，打破信息孤島現狀，實現信息互聯共享。通過搭建數據中心、云平臺的方式，平臺層對下完成網絡層傳輸數據的實時收集與更新，對上則基于大數據存儲與分析技術為各種特定的高級應用提供跨域共享數據資源，實現電力系統向電力和數據并重的發展方向轉型。

2.4應用層

應用層是電力系統向樞紐型、平臺型和共享型變革的外在表現。其功能在于，基于海量電網運行數據與用戶側用能大數據，并針對電網運營業務(如智能運維、電能結算、配電自動化、用戶用能業務（如個性化用能推薦、電動汽車智能充電、需求側響應）及綜合能源系統運營業務（如協調規劃、儲能市場）等，搭建各類針對性應用平臺，實現電網與用戶及其他能源系統的感知互動。

3、面向配用電系統的泛在電力物聯網關鍵技術

泛在電力物聯網包含了從感知、通信、信息處理到決策控制諸多關鍵技術。而配電網作為連接電網與用戶的橋梁，相較于電力系統其他環節更具有面向社會服務的特性。按照感知層、網絡層、平臺層與應用層的體系結構，并結合近年來相關研究成果對泛在電力物聯網關鍵技術進行梳理、歸類和分析。

3.1感知層關鍵技術

對海量智能終端的監測與控制是實現電力系統精細化調控的前提，這要求未來泛在電力物聯網能夠實現對電力系統的全覆蓋。與輸電網相比，配電網從拓撲結構到含有的電氣設備都更加復雜多樣，如大量分布式電源并網以及用戶側的智能家居、電動汽車等新型用電設備等，從而配電網中的監測對象更加多樣,物聯網終端數量以及監測數據類型都更為復雜。因此，對于配用電雙方而言，為實現降本增效與互聯共享，未來泛在電力物聯網中傳感設備必須朝向高度集成化方向發展

3.1.1新型電力物聯網設備研發

為使現有配電系統向泛在電力物聯網的平穩升級,新型配電終端的研發必須考慮全電力行業背景兼容，如設備尺寸、部署環境、電磁兼容等。

3.1.2底層傳感器部署技術

由于配電網運行場景工況復雜，實現對底層海量配用電設備的全覆蓋監測是保證泛在電力物聯網對配電系統運行狀態可感知可控制的首要前提。

3.2網絡層關鍵技術

健壯、可靠的通信信道是保障泛在電力聯網感知大數據匯聚和控制指令準確下發的關鍵。面向超大規模城市群及地區型新型城鎮的配電網部署場景更加復雜多樣，傳統“點對點"有線通信方式由于布線成本高、實際工況復雜等限制，在使用中存在弊端,而無線自組織網絡具有功耗低、部署靈活、網絡抗毀性強等優點，因此“有線+無線"互補的模式將是未來泛在電力物聯網網絡層通信模式的發展方向。此外，為防止網絡攻擊風險，泛在電力物聯網還應具備安全防御功能。

3.2.1底層自組網與核心通信網規劃技術

配電通信系統承載著配網保護、調度自動化、生產管理、需求側響應等多種業務的信息傳輸任務。不同業務對網絡QoS要求不同，部分電力業務的通信傳輸QoS需求。為保證泛在電力物聯網能夠提供滿足業務需求的網絡服務，新型的網絡協議如時間敏感網絡技術被提出并嘗試在電力通信系統中應用。同時，隨著高比例清潔能源、海量電力傳感器及智能配電終端的接人，泛在感知信息的數據量和呈現維度都以爆發式趨勢增長。因此，對于終端數量多、帶寬資源有限的底層接人網，需要設計健壯的自組網路由策略保障狀態量和控制量的及時傳輸。對于承載QoS需求迥異的多業務傳輸的核心骨干網絡，需要在現有的電力通信系統基礎上進行合理規劃，提升網絡健壯性和抗毀性。

3.2.2安全訪問與信任控制技術

物聯網技術在配電系統中的引入在提升配電網信息感知深度和廣度的同時，開放性的終端接入和數據交互使得配電系統的安全可靠性受到挑戰。因此，網絡對終端身份的真實合法性認證、數據真實性辨別以及信息流可靠安全傳輸是關鍵。

泛在電力物聯網背景下配用電環節可能存在的信息安全風險，而保證其信息安全的技術主要有以下3類。

1. 身份認證與訪問控制技術。通過對用戶身份合法性與權限等級進行確認，從而實現對用戶的身份認證以及限制已認證用戶對系統資源的訪問條件。

2. 數據加密技術。通信雙方按照約定法則對傳輸數據進行特殊變換(即加密算法)，并在接收方進行解密，保證數據在傳輸過程中的不被和篡改。加密方法可分為單密鑰(又稱專用密鑰、對稱密鑰)、多密鑰(又稱非對稱密鑰)以及結合二者優點的混合加密算法。

3. 安全路由技術。通過路由協議設計，保證信息從信源端發送到信宿地址的路徑能夠被正確發現且合法，保證任意一個合法的接收者能夠驗證每條信息的完整性與信息發送者身份的真實性。

3.3平臺層關鍵技術

電網海量狀態信息、用戶側用能數據以及其他關聯數據(如天氣、分布式能源和儲能數據是配電自動化運維、全景態勢感知、個性化用能推薦、綜合能源協調運行等高級應用決策依據的來源。這些數據具有多源性、格式多樣性、信息冗余度高、數據量大、隱含信息價值高但不直觀的特性。因此，只有對配電系統中的海量高維數據進行數據聚合、管理與信息挖掘，才能獲取更多的數據內在價值。

3.3.1數據融合技術

物聯網泛在感知產生的海量多源異構數據具有高冗余性，需要采用數據融合技術以降低冗余度、減少通信量、降低數據分析難度，其在泛在電力物聯網中具有重要意義。

3.3.2數據存儲管理與挖掘分析技術

已有文獻表明，僅對于用電信息采集系統而言，每100萬居民用戶每日用電信息數據便超過1TB。而未來電力系統中，大量配電終端、用電終端、綜合能源系統產生的結構化、半結構化、非結構化數據將遠遠超過現有電力系統所能處理和承受的范圍。對其中蘊含的信息進行深入挖掘分析，并可視化地呈現，對電力系統優化運行，形成技術閉環具有重要意義。

(1)大數據存儲管理技術。對海量數據進行實時更新存儲與管理，為進行數據挖掘分析提供物理基礎與數據來源。泛在電力物聯網中海量數據，若仍按照傳統采集-傳輸-集中存儲的方式，將導致數據冗余度過大、數據重復存儲、資源利用率低等問題。此外，非電網內部數據(如用戶側用能數據等)的存儲還涉及到對電網的安全影響問題。因此，設計適應于泛在電力物聯網的大數據存儲管理方案具有的工程應用價值。

(2)大數據挖掘分析技術。提取大數據蘊含價值,提供未來泛在電力物聯網高級應用決策依據。然而，現階段電網底層終端監測覆蓋率不足且較為封閉，尚未實現用戶側用能大數據、其他能源系統大數據等互聯共享。故泛在電力物聯網概念下針對多源異構大數據的分析挖掘以支撐電網可靠運行將具有廣闊應用前景和工程價值。

3.4應用層關鍵技術

高比例間歇性分布式能源與電動汽車等新型負荷的接入將為配用電系統帶來諧波注人、潮流雙向流動、頻率/電壓波動加劇等問題，傳統電網由于感知不信息化自動化程度較低，往往采取棄風、棄光或增加備用容量等措施，導致彈性承受力不強、新能源利用率不高、投資成本過大等問題。泛在電力物聯網技術的應用使電網感知運行狀態、精細化調控以及用戶側和其他能源系統參與配網協調運行成為可能。

3.4.1態勢感知技術

智能電網態勢感知是以海量電力系統運行大數據為基礎，基于環境的，動態、整體地洞悉電網運行安全風險的能力，實現對電網運行安全威脅的發現識別、理解分析、響應處置，是一系列提升電網運行智能化水平與健壯性能力的技術集合。

3.4.2主動優化運行技術

分布式能源與新型負荷的大規模接入將對配網運行安全造成沖擊。其根本原因在于現有電網拓撲形式固定而調節容量有限，存在調控手段不靈活的缺點。而主動優化運行技術的應用，可從4個方面提升電網對間歇性新能源與新型負荷的接納能力；

（1）對于電網設備而言，依托于泛在電力物聯網技術實現實時計算，獲取運行方式;

（2）對于網架優化，利用泛在互聯的通信網絡對諸如有載調壓變壓器、分布式電源、聯絡線開關等進行精細化調控，靈活調整網架拓撲;

（3）對于用戶側而言，通過價格激勵機制引導用戶合理用能，如用能策略推薦電動汽車V2G(Vehicle-to-Grid)參與等，等效提高系統備用容量;

（4）對于其他能源系統設備而言，通過能量轉換設備(如換熱器、氫儲能等)實現電能替代與存儲。

4、泛在電力物聯網在配網中的典型應用

配電網作為溝通輸電網與用戶的橋梁，在泛在電力物聯網背景下，除對傳統配電網業務進行智能化升級外，還將承載大量面向用戶和綜合能源系統的新型業務，因此需要深入研究泛在電力物聯網與配電系統的融合和典型應用場景。

4.1配電網運行狀態在線監測與風險評估

現階段，配電網決策過程中信息化手段和技術支撐還不完備，電力設備存在隨壞隨修、隨檢隨修的現狀。然而高比例間歇性能源與新型負荷的快速增長對配電網供電可靠性與供電質量的要求越來越高。泛在電力物聯網技術的應用，能夠使配網系統實時感知電力設備的運行狀態，評估配電網運行風險，從而及時排除故障隱患，主要表現在:

1. 在線監測手段進一步豐富。依托于健壯的通信系統，使得原先僅能通過電氣量甚至人工現場判定的故障類型能夠通過多種方式辨識。

2. 安全風險評估。對配電網歷史運行數據進行聚類分析和挖掘，并利用機器學習等人工智能方法開展配電網運行狀態實時風險評估，及時發現系統薄弱環節，提高供電可靠性。

4.2主動配電系統規劃與綜合能源協調運行

對于高度信息化、異質能源混雜的未來配電系統，現有配網規劃方法將不再適用:

(1)就配電系統自身而言,電網與用戶間的界限逐漸模糊，除了可再生能源與電動汽車等帶來的諸如潮流雙向流動、節點電壓與頻率波動等不確定性問題凸顯以外，配電通信系統的健壯性同樣是未來配電系統需要考慮的問題。

(2)現階段與居民用戶緊密聯系的電力、交通、熱力、燃氣等系統均是各自獨立規劃，而未來配電網將作為區域能源系統的核心與樞紐，將承擔諸如電、水、氣、熱等異質能源梯級利用、消納與轉化、協同優化運行的責任。

因此，未來需將配電系統與其他系統統一協調規劃，從而滿足綜合能源系統在大時空范圍能源配置的需求。泛在電力物聯網下，配電網規劃運行需具備更多的自主靈活性:

4.3用戶個性化用能服務

傳統配電網僅以供電為目的，用戶僅作為受電端被動參與配電網運行。雖然目前已有分時電價機制以鼓勵電力用戶移峰填谷，優化用電方式，然而總體而言，用戶參與程度低且對用戶的調控水平不夠精細。隨著泛在電力物聯網發展，物聯網終端和網絡深人用戶側,電力用戶角色將逐步發生改變:

1. 安裝屋頂光伏電站、小型風機，具有V2G功能電動汽車的用戶在一定程度上成為電能供應方。更廣義地，用戶側熱水器甚至用戶室內空氣等都可視為蓄能設備參與配電網運行。

(2)電力用戶的智能終端，如智能空調、電熱水器、電動汽車等蘊含豐富的用電行為信息，使得用戶成為泛在電力物聯網的信息提供方。

為更好地服務于用戶,引導用戶合理用能并提升用戶參與配電網運行深度和廣度，形成優化配電網運行的技術閉環，泛在電力物聯網與配電系統深度融合,通過制定個性化用能服務調動電力用戶參與配網優化運行的積極性。

5、安科瑞Acrel-EIOT能源物聯網平臺概述

Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。 用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器，選配網關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問。

6、應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統集成商、小型物業、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

7、組網結構

8、平臺功能

8.1 可定制駕駛艙

可定制化的駕駛艙：可根據客戶的行業特性，行業需求，經過培訓的工程或調試人員自行繪制客戶所需的駕駛艙頁面。

例如下圖所示的智慧物業駕駛艙，內容有：預付費、充電樁、電梯、空調、照明等設備管理、能耗統計、收益統計、運維情況等。其中地圖可以選配成BIM建筑模型，任何傳感器報警時可以在BIM模型中預警顯示。

8.2 電力集抄

電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設 備運行（包括歷史和實時參數，并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

8.3 能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動 化、科學化管理，使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用數據處理與分析技術，進行離線生產分析 與管理，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節能降耗和提 升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

8.4預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導出。

預付費看板

8.5 充電樁管理

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。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

8.6 智能照明

智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測，也可以實現定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

照明實時監控

8.7 安全用電

安全用電采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現快速時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現“防患于未然"的目的。

8.8 智慧消防

通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。原先針對“九小場所"和?；飞a企業無法監控的空白，適應于所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實際需求。

智慧消防看板

9、系統硬件配置

結語

當前電力系統與其他能源系統的信息壁壘仍然存在，諸如綜合能源協同優化、能源市場交易、車聯網等新興產業尚處于理論論證階段?？傊?，泛在電力物聯網的建設需要社會各方的廣泛共同參與，協力開展技術攻關，以促進我國能源產業升級。

參考文獻：

[1] 彭小圣，鄧迪元，程時杰，等.面向智能電網應用的電力大數據關鍵技術[J].中國電機工程學報，201535(3);503-511。

[2] 張小平，李佳寧，付灝.全球能源互聯網對話工業4.0[J].電技術201640(6):1607-1611。

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版。