物联网技术在分布式能源系统中的应用*

李世兴，王 宏，王 颖，苑明哲

(1.中国科学院 沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳110016;2.沈阳中科博微自动化技术有限公司，辽宁 沈阳110179;3.北京送变电公司，北京102401;4.中国科学院 研究生院，北京100039)

0 引 言

分布式能源被引入到国内已经有10 余年的时间，它具有能源利用效率高、环境负面影响小、能源供应可靠性高和经济性好的特点，是未来世界能源技术的重要发展方向，也是我国实现可持续发展的必由选择。

随着信息技术的飞速发展，物联网是一个新的领域。物联网技术是将传感技术，射频识别技术、智能芯片嵌入技术集于一体，使任何物体之间都可以实现信息交换和共享，为分布式能源系统的建设提供了有力的技术支撑。物联网由传感器、通信网络和信息处理等系统构成，具有实时数据采集、监督控制和信息共享与存储管理等功能。它使目前的网络技术的功能得到极大拓展，使通过网络实时监控各种环境、设施状态参数及内部运行机理成为可能。也就是说，原来与网络相距甚远的能源系统、交通管理、农业生产、建筑物安全、旱涝预警等都能够得到有效的网络监测，有的甚至能够通过网络进行远程控制。

1 分布式能源系统

分布式能源系统是世界能源发展的最新方向。相对于传统集中式能源供应系统，分布式能源系统是将小规模的发电系统以分散的形式在用户端建设，按照用户对能源产品的不同需求，贴近用户进行能源转换并梯级利用，实现独立运行和输出冷、热、电等能源产品的供能系统［1］。分布式能源节能、高效、环保，都是多联产或多功能系统，其主要优势是用在冷热电联产中，具有效率高、占地少、保护环境、变负荷特性灵活、输电损失小、供电可靠性高、初投资低等［2］。目前，许多发达国家将分布式能源综合利用效率提高到90%以上，大大超过了传统用能方式的效率［3］。

国际分布式能源联盟WADE定义“分布式能源”由下列发电系统组成，而这些系统能够在消费地点或附近的地方发电:1)高效利用发电产生的废能来生产热和电的系统;2)具有现场端的可再生能源发电系统;3)包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。这些系统不考虑规模、燃料、技术及系统是否联网等条件［4］。

北京燃气集团给出的定义为:分布式能源相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷热电系统以小规模、小容量(数千瓦至50 MW)、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能的系统。分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气冷热电三联供等多种形式［4］。

分布式能源系统的燃料多样化，石化能源、太阳能、水能、生物质能、沼气、风能等都可以实现分布式能源系统，进行冷热电三联供。其中，以天然气为燃料的热电冷三联供方式发展最快，在我国的分布式能源领域占有较大比例。采用天然气为燃料的分布式能源系统，一般采用燃气轮机或燃气内燃机作为发电设备，在发电的同时，利用发电产生的烟气余热生产冷热产品就近满足用户电冷热需求。分布式能源系统是能源综合梯级利用技术的一个典型例子如图1所示［5］。

图1 分布式能源系统能源综合梯级利用示意图Fig 1 Diagram of energy comprehensive cascaded utilization of distributed energy system

2 物联网体系架构

物联网结构体系包括三层:信息采集处理层、网络传输层、应用处理层，如图2所示。

信息采集处理层:利用RFID、传感器以及其他传统信息采集装置，协作的感知、采集所检测环境中的信息，同时不同传感器之间可以通信，实现物物相连。

图2 物联网架构图Fig 2 Framework diagram of Internet of things

网络层:通过不同的接入方式将信息采集处理层传递上来的数据接入到基础架构统一的传输网络中［6］，由于不同的感知端装置不同且数量很大，需要利用异构网络接入技术和基础核心网络技术，包括Internet，3G，蓝牙，UWB等接入技术［7］。

应用层:该层面对众多的数据来源和庞大的数据量，一方面需要结合具体的需求，以特定的流程和规则进行数据分析和利用，另一方面需要具有极强的数据处理能力和分发能力［8］。因此，该层将会利用以云计算为代表的数据计算处理分析和信息分发平台技术。

3 基于物联网技术的分布式能源系统

在分布式能源系统中，物联网能有效解决分布式能源网络信息的过程化、高密度、精细化、快速化采集等问题。基于物联网技术的分布式能源系统分为分布式能源系统感知层、分布式能源系统网络层和分布式能源系统应用层，如图3所示，其作用可形象表述为信息传感、传输和监控与优化调度。

3.1 分布式能源系统感知层

感知层解决的是各类物理量、标识、音频和视频数据的获取问题，也可以说是人类世界和物理世界的数据获取问题。分布式能源系统感知层的数据采集子层包括用于电量双向计量的智能电表、双向功率表、制冷与供热计量仪表、电压频率和相位以及波动监测仪表、分布式能源设备的温度、振动等设备状态指标监测仪表等。感知层位于三层架构的最底层，是分布式能源系统物联网获取信息的基础和来源，具有物联网全面感知的核心能力。它作为物联网的最基础一层，对物联网的整体构架具有十分重要的作用。

图3 应用于分布式能源系统的物联网体系架构Fig 3 System framework diagram of Internet of things applied in distributed energy system

分布式能源系统感知层还包括传感器、各类仪表短距离组网技术。低速与中高速短距离传输技术主要是指所获取数据的短距离传输技术、传感器网络组网技术和协同信息处技术。自组织网络技术则可提高网络的灵活性和抗毁性，增强数据传输的抗干扰力，而且建网时间短、抗毁性强，然而，它在组网中的同步技术的重要性却日益突出［9］。在传感器网络现场组网和协同信息处理子层中组织传感器组网以及多个传感器利用协同信息处理技术对感知到的信息进行加工处理，经传感器中间件进行转换和过滤筛选之后传递到网络层进行远距传输［10］。分布式能源系统感知层利用底层的终端设备完成了分布式能源系统的信息获取与汇集、数据融合处理与短距离传输功能。

3.2 分布式能源系统网络层

网络层是以现有网络为基础的，它与当代主流的国际互联网、移动通信网、企业内部网、各类专网等网络一样，能够无障碍、高效安全地进行信息传输。分布式能源系统的网络层一方面需要完成分布式能源系统感知层与应用层之间的信息通信功能，另一方面需要具有高度承载能力的通信网络来完成信息的海量、安全、高速度的传输，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。承载网络包括现行的Internet网络、无线通信网络、各行业专网等。网络层利用高度融合的承载网，将会充分发挥已建设起的网络基础设施的应用价值，也为物联网的进一步发展提供了一个高水平的网络通信基础设施平台，以满足物联网信息传输过程中新的发展需求［9］。

3.3 分布式能源系统应用层

应用层是一个具有高度计算能力和处理能力的云计算信息加工厂，用户端得到的数据是经过大量融合处理的非原始数据。分布式能源系统应用层包括分布式能源总控平台子层、应用支撑子层和云计算子层。分布式能源总控平台即分布式能源信息化管理系统，包括电量、功率、电能质量等数据监测以及系统优化调度平台，综合考虑能源需求、燃料消耗、电价、电能质量等因素，实现分布式能源双向计量、就地消纳和优化协调控制。应用支撑子层提供数据存储、数据管理、权限管理和报表等服务。

随着分布式能源系统监测规模的扩大和监测力度的细化，从底层传来的数据量越来越庞大，所需处理计算能力越来越强。在分布式能源系统的应用层，高效处理海量数据的技术和算法模型将会出现并将大规模应用。最近几年，云计算技术的提出和快速发展，为物联网的数据处理和计算提供了全新的思路［11］。云计算是以虚拟化技术为基础，以网络为载体提供基础架构平台软件等服务为形式，整合大规模可扩展的计算存储数据应用等资源进行协同工作的超级计算模式［12］。云计算具有可扩展性、高度灵活性和高可靠性等优点，因此，基于云计算平台构建分布式应用具有非常明显的优势，预计将会在面向分布式能源系统的物联网中得到大规模地使用。

4 结束语

分布式能源系统因灵活的变负荷性、低的初投资、很高的供电可靠性、很小的输电损失和适合可再生能源等特点在世界范围内越来越受到重视［13］。在能源日益紧张与信息化深度发展的今天，物联网与分布式能源不期而遇，这既是一个机遇，又是一种必然趋势。从本质上来讲，将物联网用于分布式能源系统的作用是实现信息与电能的双向流动，需要信息技术和能源技术的深度融合。物联网可以借助信息手段，对分布式能源系统的各个状态做出反应，帮助商业、工业和居民等消费者直观地观察到能源消费的数量和价格，在此基础上，进一步选择最适合自己的能源方案，或者实现能源方案的自动选择，同时还能保证彻底的安全性，避免能源质量问题，适应各类设备的耗能需求［14］。

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