基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系统

郑涛 孙刚 张晖

摘要

文章给出一种基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系统，综合运用NB-IoT技术结合WEBGIS技术，通过采集电力设备电压、电流、电量、环境、工况、台帐等信息，将各种孤立的能源信息進行有效的整合，实现对电力节能设备的实时监测，合理选择统计方法和分析模型对设备能效进行评估，并且通过WEBGIS形象直观地展示了电网的拓扑关系及电力系统运行状态，该系统的建设不仅提高了能源管理水平，而且实现了电网企业节能减排任务，加快配电网建设和智能化改造，全面提升了配电变压器能效水平.

【关键词】NB-IoT WEBGIS 节能服务 电网建设 能效水平

目前，智能电网和物联网产业的发展均被提升到国家经济发展的战略层面，如何将这两者进行结合起来是电力发展中要解决的重要问题。物联网技术指的是通过网络将人与物、物与物互联，实现信息交互的网络技术，其作为“智能信息的感知末端”，将逐步深入到电网生产运营的各个环节，形成“智慧能源物联网”。智慧能源物联网可以全面地提高智能电网各环节的信息的感知深度、广度及密度，促进并推运智慧能源的发展。文章综合运用NB-IoT技术结合WEBGIS技术，通过采集电力节能设备电压、电流、电量、环境、工况、台帐等信息，对电力设备的实时监测，合理选择统计方法和分析模型对设备能效进行评估，并且通过WEBGIS形象直观地展示了电网的拓扑关系及电力系统运行状态，建设基于NB-IoT的WEBGIS节能服务管理系统，在一定程度上解决了能源管理水平，初步形成“智慧能源物联网”。

1 NB-IoT

与传统的蜂窝通信不同，物联网应用具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖能力等特殊需求。基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWA）。NB-IoT支持待机时间短、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。NB-IoT解决了深度覆盖、低功耗、低成本、大连接的物联网需求，未来还可以进一步升级满足5G需求。

2 系统总体架构分析

由于目前现有电力节能设备在采集终端上存在着盲区，比如客户服务单一、信息量少，系统内部存在信息孤岛，并缺乏信息共享，不能构成一个实时的完整的有机统一体，所以在目前情况下能源管控系统智能化程度还不够局。

针对以上情况搭建基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系统，是利用物联网建设全面感知，全实时的“智慧能源”系统，将物联网的环境感知性、多业务和多网络融合性有效地植入能源管控系统中，从而解决数据采集盲区，实现对电力节能设备的实时监控及双向互动，并通过WEBGIS技术形象直观地展示给业务人员。

基于NB-IoT的系统架构图如图1所示。

电力节能设备终端通过NB-IoT模块连接到基站，IoT核心网承担终端与非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理，IoT平台汇聚从各接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发至应用服务器进行处理后存入数据库。

3 物联网（IoT）分层网络架构

物联网架构大体可以分为三层，由应用层、网络层和感知层三层组成。基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系统的应用功能框架根据各大环节不同提出了不同的应用需求，根据系统的不同阶段完成的功能，结合物联网的模型将系统分为三层，如图2所示。

感知层包括三相不平衡装置、无功协调控制柜、串联无功补偿装置、10kV线路并联无功补偿装置，低压双向电力电子调压器等电力节能设备传感器终端;网络层基于NB-IoT网络，包含接入网和传输网，分别实现接入和传输功能，负责将感知层获取的信息，安全可靠地传输到应用层;应用层功能有两个方面一方面是数据的管理和数据的处理，另一方面是能源管控方面的业务应用。

4 基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系统的应用实现

在整个能源管控运行的环节中，对电力节能设备数据的采集需要依托信息的感知、安全可靠的数据传输、低功耗的、低成本的、大连接的网络技术，基于NB-IoT的技术恰好在多种场合满足能源管控的需求。

基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系统的建设目标：可以使设备的运行状态得到实时监测，对电力能源的消耗及数量进行全面的掌握;对电力节能设备信息进行管理;对节能量数据进行评估和分析从而提高能源管理水平。针对系统的建设目标，现将系统应用服务架构设计如图3所示。

客户端：用于访问应用系统和处理人机交互的客户端，包括浏览器、桌面应用程序、无线应用等。

展示控制层：在J2EE技术体系，并采用MVC应用框架，由界面控制器组件、界面操作组件、JSP页面组件和服务代理单元组成。其中界面的显示由JSP网页组件及WEBGIS展示组件完成，网页上的具体操作由界面操作组件通过服务代理单元调用业务逻辑层的具体服务来完成，由界面控制器组件负责统一调用不同的界面操作组件和JSP网页组件。

业务逻辑层：用于部署业务逻辑组件，可细分为业务处理逻辑组件和基础应用支撑组件。

业务处理逻辑：具体的业务逻辑实现，总体上包括运行监测、统计分析、防真分析、项目管理、资产管理、系统支撑等业务处理逻辑。应用支撑：为各个组件提供统一共享的公共服务和平台支撑，包括参数配置、权限控制、查询服务、报表服务、图形服务、统计服务等，提高系统的灵活性与可扩展性，此外还提供统一的集成服务，实现与其它业务应用的全面集成，使得整个系统形成一个有机整体。

数据服务层：数据层由数据映射层和数据源构成，数据映射层完成对数据源的访问封装，并使得业务逻辑层的设计和实现更集中于系统本身的功能。同时，数据映射层的存在屏蔽了业务逻辑层对底层数据存储形式的依赖，使应用系统能够适应多种类型的数据库。

5 WEBGIS在系统中的应用

电力节能设备只有在地理图上建立了模型，才能准确地描述各电力节能设备与系统及WEBGIS模块之间通过数据库关联之间的关系并进行集成展示，从而实现有效的对节能设备的管理，达到能源管控的目标。由于电力节能设备传感器上能够发送GPS定位信息，所以电力节能设备在地图上的模型就很容易建立。

系统中WEBGIS功能层分为三层，底层为数据层包括业务数据库和空间数据库;中间层为GIS服务层，该层提供数据服务和功能服务，数据服务向上层操作提供空间数据，功能服务向上层提供对空间数据的处理和操作功能。最上层为WEB服务层，WEB服务对GIS服务层的数据和业务数据进行处理，为用户提供查询展示等功能。

WEBGIS在能源管控系统中的应用，使WEB系统可以与GIS进行整合，系统用户可以通过网页就可以查看电力节能设备的位置、状态信息、节能量等信息及对各种空间数据进行检索和分析，实现空间数据的增值服务。

WEBGIS模块系统架构如图4所示。

6 结语

随着物联网技术的进步，利用先进的NB-IoT技术，结合地理信息WEGGIS技术建立通畅、稳定、高速、安全可靠的能源管控系统是实现能效管理的保障和趋势。文章充分考虑了能源管控的应用需求，提出了基于NB-IoT的WEBGIS能源管控系统，该系统充分利用物联网的优势，在电力节能设备终端实现了全方位的信息采集，通过安全可靠的通信网络将实时数据传输到服务器，系统通过对实时数据的处理分析，并通过WEBGIS进行展示，结合评估模型对能效进行有效评估，在一定程度上解决了能源管理水平，初步形成“智慧能源物联网”，既满足了客户需求，又适应了未来的发展。

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