泛在电力物联网功能架构初探

陈 军

（南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094）

0 引 言

中国国家电网有限公司于2019年两会报告中提出建设泛在电力物联网，旨在打造一个基于电网，涵盖生产、运输以及生活等不同社会活动方面的中心系统，建设起沟通万物、远程管理以及精密到点的网络[1]。这一概念包含有3个层次，即泛在网、电力网以及物联网。三者分别从覆盖范围、实施媒介以及构建目的3个方面阐述整个系统。从泛在网的角度而言，泛在电力物联网需要达到无处不在、无时不在以及无所不含等数个目标。网络需要保证对处于泛在网内的任意物体与人员可实现随时随地通信。电力网构成了泛在电力物联网中数据与信息的流通路径，同时需要提供网内所有设备的安全、稳定供电，以及对设备的实时监测，保证整个系统正常运行。物联网则指出了泛在电力物联网的建设目的，主要在于建立起系统中功能独立的各物体之间以及人与物体之间的联系，主要通过传感器获取数据、云端存储数据、算法监测与预测发展等实现。

尽管目前还不存在一个成熟、完整的以电力网为基础与核心的实际泛在电力物联网案例处于运行中，但是相关企业与城市已经开始了相关的研究与推行试点。美国拉斯顿市因设备老化，电力系统稳定性逐年降低。当地电力公司与UtiliWorks Consulting公司开展合作，基于智慧型电表开展智慧仪表与智慧能源管理，对用户实时用电数据开展分析，以监测、维护相关区域电力系统。同时，为方便居民生活，升级用户信息系统，并开发预付费系统协助用户进行电费管理。为提高与新技术的契合，充电站与建筑能源管理同样在项目建设范围内。该系统除保证电力供应稳定与电能质量合格外，在运维、防窃电、节能减排以及便民服务等方面均有较高提升。国内较为成功的能源管理案例有长沙黄花机场智慧能源管理平台项目。该项目基于多能源综合调度与优化、负荷预测以及智能配电管理，可对机场整体进行能源信息收集、能源设施管理，提供高效、可靠以及稳定的能源服务，节能效率达到33%，每年节省折标煤1 527 t，减少二氧化碳排放达3 807 t[2]。琼海市博鳌乐城智能电网与低碳智慧能源综合示范区项目，可实现园区内水、电、气等多方位的能源规划使用，同时统筹优化电力系统运行，每年可减少用电量8×107kW·h，减少用水量6.3×106t[3]。要实现巴黎协定中，到2030年国内单位生产总值二氧化碳排放下降60%的目标，切实推动电力“十三五”规划，除了系统软、硬件设施的升级外，培养用户良好的用电习惯、统筹优化系统运行，将是泛在电力物联网建设的重要目标。

根据已有的新型电网建设与用户用电发展情况，按照国网的指示与实际各层次结构的功能，泛在电力物联网的结构物理上如图1所示。其中，感知层是打造泛在电力物联网的关键结构之一，主要由各类数据获取设备与物体识别手段构成。例如，传感器、智能电表等获取各生产、生活活动环节中输出的各类数据信息，如各结点实时电气量、新能源发电情况等，以实现网络层对数据的整理、分类以及分析功能。网络层是泛在电力物联网连接数据与指令的纽带，通过云端与就近计算机处理手段，采用统一的数据格式整理数据，并基于数据使用智能算法开展监测、预测等，统筹调整所服务的局部范围，同时将数据信息与分析结果打包上传至次级中心节点。节点中心主要起到统一管理相应区域的作用，基于网络层上传的数据与指令信息，完成数据归类与存储工作，以及确定下达部分指令给网络层，达到一定程度的物体智能化效果。调度层主要是对一定范围内的所有结构进行统一管理与规划的中心，与覆盖区域内的所有中心节点连接，统一存储各类状态信息，并下达统筹命令，实现区域的高效运转。

图1 泛在电力物联网结构图

本文将从上述4个构成泛在电力物联网的主要结构入手，对相互联接的4个层次所承担的功能进行说明与分析，并通过相关实际案例说明各层次与泛在电力物联网以及社会、城市的建设和管理的结构与实施方法。

1 泛在电力物联网的架构与功能

构成泛在电力物联网的感知层和节点中心可以高效、实时、精确地达到“物物互联”“人物互联”的效果，而网络层则通过边缘智能算法与技术有效实现基于数据的监测与预测，做到提前预防、避免故障、提高效率。调度层则通过大量的实际应用实现对各型设备、不同行为的远程操控。图1表明，该系统具备较强的模块化与系统集成潜力，实施范围可以小至单个变电站、工厂或是居民小区，大至片区、城区等各级用电区域。无论是数据集成、系统推广还是从智能互联、便民管理等，它都有极强的社会、城市建设意义。

1.1 感知层组成

感知层是支撑泛在电力物联网的底层结构，连接到包括电力设备、家庭电器等物体，通过射频识别、传感器以及一/二维码等手段达到物物互通、人物互联的效果。这一结构主要承担泛在电力物联网的数据获取及上传至网络层的功能，通过实时数据与信息上传实现任意物体可随时随地进行数据传输，从而保证上级网络可以准确得到有效且及时的数据信息，使得网络层得以随时更新系统状态，通过内置算法等实时监测、预测，保证上传下达的命令有的放矢，切实提高网络运行效率。

为保证泛在电力物联网可以高效承担所覆盖区域的数据采集工作，并为上级网络提供尽可能全面的数据内容，为社会生产、居民生活以及电网运行提供智能化和便捷化的管理，数据获取覆盖范围应涵盖产业生产数据、居民生活信息、新能源微网运行状态、公共设施工作状况、充电桩动态情况以及包括局部微气象变化、实时交通变化等多维度、全方面的信息。本文设想的完整的感知层网络结构如图2所示。

图2 数据产生来源与数据获取方式

目前，各类感知层设备的传感手段、监测方式不断进步，已经取得了一定的实际应用。对泛在电力物联网而言，目前电网在用户侧多数使用单向电表，且只能测量有功功率与无功功率的相关信息，即仅能将用户侧用电情况数据上传至电网，无法实现用户自主监测和自主调整。Rosario Morello等为提高对电能质量的监测能力，开发出一种可以远程编程与控制的智能电表。除具备功率计量的功能外，它还可以进行电能质量分析、电表间信息沟通以及基于用户要求对电能进行管理[4]等，兼顾对多种物理量的测量，实现多表合一。通过一套设备或系统可以对用户与运行人员感兴趣的多种物理量开展分析，是简化感知层结构、提高电表工作效率的重要方式，也是设备发展的趋势之一。

对泛在电力物联网而言，目前电力公司建设的感知层在工作能力与覆盖范围上还具有极大的提升空间。如何保证不同数据获取设备安全、稳定地运行在合理的工作区间，以保证感知层设备所传递信息的可靠性，是感知层面临的核心问题之一。同时，由于所覆盖设备众多，实时获得的数据量庞大，确保数据传输网络中数据流动的稳定与及时性，对通信网络提出了极高要求。由于感知层设备不断更新，对当前部署的感知层结构合理规划，为尚未接入的设备预留端口，对感知层的设计提出了较高要求。

1.2 网络层功能

网络层的任务主要在于对源于感知层的数据进行收集与整理，并使用数据开展智能分析，评估被监测物体的运行情况，对t+1至t+n时刻的状态进行预测。网络层主要由大量分布在云端与工作范围内的计算机构成，通过智能算法起到智能评估与预测的作用，保证设备运行工况的实时监督，并做到防范于未然，提前感知，在故障发生前进行处理。该结构还需要肩负起生成基本指令以供上级结构进行判断与筛选的任务。

云技术属于典型的实际网络层结构。用户将数据上传且可以直接存储在云服务器内，直接调用云处理器基于数据开展数据分析，用于指导企业的日常运作与生产。这一模式主要由企业与供应链连接的企业联盟使用，跨行业的综合分析案例尚未出现。目前，IBM与亚马逊等智能方案供应商的云计算技术相对成熟，其与汽车行业合作的实际项目对建设泛在电力物联网有一定的指导意义。孤岛运行的智能微电网则属于网络层与调度中心结合的案例。以丹麦博恩霍尔姆海岛的欧盟环保电网为例，这一孤岛电网采用新能源与化石燃料的能源组合进行发电，同时使用智能电网控制器基于北欧电力市场的电价调控家用电器。同时，数据与当地公用事业公司相连，用户可以自主设置家电的使用方式，极大地便利了用户生活与电力分配工作[5]。这一结构通常是按片区开展工作，即独立服务于直接联系的上级节点和所覆盖范围内的物体与人员，就近提供智能分析与指导意见。

该结构承担了所连接的所有感知层数据的接收与上传功能。要保障这一功能的稳定实现，对数据通道提出了极大挑战。不同数据源提供的数据内容与传达的信息各有差异，使用一个规范的标准对数据进行整理与储存，对网络层的模块化与可推广能力极其重要。算法是该层功能实现的另一关键因素。如何有效提高算法能力并保证算法对所处理问题的实用性，实现结合不同类别的数据开展状态实时监测以及预测，做到将智能赋予物体，是构建高效网络层的重要任务之一。

1.3 节点中心作用

节点中心是连接、管理一定区域内所有网络层的结构，主要设备包括运算能力较强的工作站或服务器等、大规模物理存储设备以及通信能力较强的通信线如光纤等。该结构主要起到了存储经网络层整理后上传的各种数据，同时需要下达部分设备运行指令，包括不影响区域整体供电的设备投/切操作、孤岛电源的运行状态调控等，主要起到智能化统筹运行、方便服务区居民生活的作用。

实际运行的系统中，这一结构与Internet网状结构的网络核心层所起到的功能较为相似。国内Internet核心层由包括北京、上海等8个城市的核心节点构成，起到与国际Internet互联以及为不同区域的信息交换提供通路。相比于常规Internet互联网，泛在电力物联网因不仅存在数据流通，需要各层网络具备自主意识与智能能力，承担的任务较重，对计算能力要求较高，而且随着数据种类与数据量的增加，计算成本急剧提高。因此，节点中心的覆盖范围能包括区、镇即可，通过减小覆盖区域保证高效发挥其功效，同时能为相关行政区域政府开展社会管理提供便利。

数据流通的稳定性与对存储数据的安全维护，是节点中心面临的最大挑战。由于各节点中心所连接的网络层较多，且各网络层的数据并非完全一致，所以保证数据传输通道的稳定可靠、对数据的安全维护是技术上仍需进一步提高的方面。同时，每天的生活、生产产出的大量数据对存储设备也提出了较高要求，云空间与物理存储手段的革新将降低节点中心的压力，而高效的数据压缩手段也是解决方案之一。

1.4 调度中心责任

在泛在电力物联网中，感知层和网络层主要负责数据的收集与基本处理，节点中心负责相应区域的基本指令判断与下达，均不会承担全局级别的判断、决策和指挥等任务。存在全局影响的指令与动作需要由更高一级的结构即调度中心来完成。调度中心主要需要对整个负责范围的包括电网运行潮流、关键能量交互以及全网运行情况等做到无所不知、无所不管、及时调控，由现场工作人员与在线调度计算机、管理计算机合作，完成对全系统的分析、计算、监视和控制。

这一层次的功能与国家电网下属国调中心以及网调中心所起作用类似，且可以根据所服务的范围大小进行多级划分，主要目的即实现分层控制，按所属区域的电力运行的具体情况进行调整，实现区域间的彼此独立，统一于上一级调度中心。以IBM在美国Dubuque市开展的水务智慧城市试点项目为例，由于服务范围较小，调度中心与结点中心的任务统一由IBM智慧城市可持续发展模型与Dubuque市优化水处理中心承担。它基于感知层的数据与网络层的指令，依托IBM云计算监测居民用水、判断是否存在管道破损等导致漏水的情况等，优化项目区内的水资源调度[6]。这一实例对建设泛在电力物联网具有很好的指导作用，但由于项目覆盖人数较少，对于如何构建大范围、大规模的网络系统，还需要进一步研究与调整。

数据流通是调度中心面临的最大问题之一，而由于存在大量的数据与指令需要及时且准确地处理与下达，给调度中心的工作人员与计算机提出了较大挑战。由于调度中心需要保证具备根据区域进行调整的特性，为新的结点中心接入预留端口，所以计算能力提供备用同样是这一结构需要考虑的问题。

上述4层结构，即感知层、网络层、节点中心以及调度层构成了整个泛在电力物联网，通过根据任务性质与功能复杂程度进行工作分层，对低级指令可以就地下达、局部处理，大大缓解了节点中心与调度中心的工作压力。由于各层次分别独立统一于自己的上级结构，故局部故障不会影响其他部分。此外，通过预留接口以及各层次的模块化，大大加强可扩展能力。

由于数据实时产生、实时传输，如何保证数据稳定、可靠地上传下达是泛在电力物联网建设与运行过程中亟待解决的难题。数据安全是该系统可以推广所面临的核心问题。生活、生产产生的数据事关国家安全与社会稳定，建立足够坚强的防火墙是系统具备实用性面临的问题之一。数据格式、无线通信的协议规范化与标准化，是整套系统可以具备推广意义与可进一步升级的重要保障，同时对不同设备包括电力设备与家庭用电设备等在自动化协议的统一上提出了要求。充分保证各层结构的兼容性与可扩展能力以实现系统模块化，是系统市场化需要着重考虑的情况。

2 结 论

从泛在电力物联网的功能与目的出发，对网络进行分解可以更有效地做到不同层次结构的功能统一，同一层次结构的功能独立，既能加强网络的可靠性与稳定性，也能提高工作效率。按照数据收集、数据分析、指令下达以及统筹全局工作的流程，泛在电力物联网可以分为感知层、网络层、节点中心与调度层4个部分。根据不同结构的主要承担任务的不同，它的技术关键与突破口也各有侧重。借鉴已有的物联网与智慧电网建设情况，更好地打造泛在电力物联网，对建设能源互联生态圈、节能减排、便民生活以及优化社会生产均将产生巨大的社会效益。