基于新型电力系统“网-荷”互动场景的物联网通信模式探索研究

胡志豪，李 昱，宋广磊，解 鹏，罗瑞雪，常喜强

（1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.国网新疆电力信息通信公司，新疆 乌鲁木齐 830000；3.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引 言

最近，国网新疆电力公司完成南疆四地州煤改电工程建设验收。和田策勒县花园村地处策勒县西北面，距县城13 km，属于典型的“偏远散”村，开展分散式电采暖负荷柔性控制试点，完成电采暖项目改造，解决了全村507户、1 969人的电采暖问题，分别改造部署LoRa、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）智能温控器635台、397台。通过智能温控器加碳晶板电采暖设备，实现对整村的电采暖负荷控制。现阶段，新疆绝大部分偏远地区电力基础设施薄弱，多采取城网、农网配电模式。同时，受地理环境等实际因素影响，建设难度大、成本高、远期维护困难。对于电采暖此类的热负荷，具有热惯性，可调度性强。通过物联网技术搭建分散式负荷监测，进行负荷计量分析和控制调度，解决偏远地区人们的电采暖问题。

现阶段物联网技术主要分为两类：一类是ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、Z-wave等适用于智能家居、智慧生活的短距离通信技术；另一类低功率广域网络（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）是 LoRa、SigFox、EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等应用于工业生产的低功耗、远距离的通信技术。在新型电力系统建设中，相较于其他LPWAN技术，LoRa和NBIoT成熟度高，被广泛认可应用于输、变、配电各个领域，并试点成功。

本文通过对比分析LoRa和NB-IoT的技术特点，对其在新型电力系统中电力柔性负荷控制和配网智能传感应用场景进行分类研究，以期为新型电力系统建设、各类新兴负荷控制、终端设备信息采集、配电智能传感等提供灵活接入的支撑。

1 物联网与新型电力系统概述

物联网是互联网技术的进一步发展，由感知层面、网络层和应用层3个部分构成[1]。通过传感器技术、射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）标签、嵌入式系统技术等互联网通信技术将物理对象唯一化并接入物联网网络，进行数据写入，信息交互和智慧调度，提高人与物、物与物的交互效率，广泛应用于智能家居、智慧交通、智能医疗、智能电网、智能物流以及智能农业等各领域。

新型电力系统是传统电力系统的进一步发展，是发电、输电、配电一体化经营模式，通过输电公司牵动发电与配电统筹协调，利用数字化技术实现“源-网-荷-储”的高效互动、多网融合，具备高比例可再生能源、高比例电力电子、灵活柔性、安全可控的特征[2]。常通过有线、无线灵活组网模式，辅以RFID、传感器等物联网技术，进行实时数据采集和状态监测，解决分布式微型负荷和智能配电传感的接入、并网、调度、消纳等一系列问题，实现“云边端”的统筹和灵活调配，打造“网随云动，云网协同”的运营模式，提高电网的泛在接入能力和开放共享能力。

2 NB-IoT和LoRa技术概述

NB-IoT是一种基于蜂窝网络无线通信技术的低功耗网络技术标准，所使用的授权频段都是1GHz以下，依托于全球移动通讯系统（Global System for Mobile Communications，GSM）网络、通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）网络或长期演进（Long Term Evolution，LTE）网络建立，采用半双工通信模式，实现低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具有覆盖广、连接多、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT使用License频段，可根据频谱、带宽、时延等相关要求，灵活采取带内、保护带或独立载波3种部署方式，与现有网络共存，如图1所示。

图1 NB-IOT结构部署图

LoRa是一种低功耗广域网中的通信技术，是Semtech公司专有的一种基于扩频技术且有着超远传输距离的无线通信技术[3]。终端一般采用星形拓扑结构，有3种工作模式，分别是ClassA、B和C，不同的工作模式以满足不同场景的应用需求[4]。采用扩频通信技术提高接收机灵敏度，通过LoRa 网关、采集终端、中央服务器之间的连接配置协议，终端设备通过单跳与一个或多个网关通信，实现平台节点之间双向通信。根据香农定理结合扩频通信原理得出，信道容量一定时，可增大带宽降低信噪比，提高系统的抗干扰性能。同时相比频分多址和码分多址可接入更多的用户量，满足部署灵活、功耗低、远距离的通信要求，如图2所示。

图2 LoRa结构部署图

3 NB-IoT和LoRa技术比较分析

根据表1可得出，从建设部署和技术指标上进行对比，LoRa和NB-IoT均可以实现远距离、低功耗的数据传输，两者之间差别在于是否工作于授权频谱和部署灵活性等方面：NB-IoT技术所采用的频段是运营商授权频段，可避免其他干扰，安全指数可达到电信级。基站部署需运营商新建 窄带或对现有4G网络升级，存在业务所需区域无网络覆盖的情况；LoRa技术则通过多层加密技术实现在公共频谱上进行传输。在抗干扰性方面，采用线性Chirp扩频调制的方式保证其数据的安全性，常用于军事领域的通信。基站部署灵活、自主可控，终端、网关、服务器网络采用半双工数据通信模式。结合电网建设自主化的发展需要，打造满足偏远无网络覆盖地区的接入要求的专用电力通信网络。

表1 NB-IoT和LoRa技术对比

4 NB-IoT和LoRa在新型电力系统场景应用探索

新型电力系统业务可以分为两类：一类是延迟容忍业务，其特点是数据速率低、接入设备量庞大、对传输延迟不敏感（如电力利用信息采集和负载控制）。另一类是关键任务业务，需要实时或接近实时的数据传输，如配电自动化。NB-IoT和LoRa的通信特点适合处理延迟容忍业务，降低硬件成本。终端设备可根据应用场景、业务需要进行定制选择，常用传感器包括：智能电表、有害气体检测仪、烟感、水浸、倾角、温湿度传感器等，通过传感器终端收集各类数据并通过各自协议发送至基站，实现配电自动化、负荷控制、线路接头盒状态监测、充电桩等领域应用。由于LoRa协议具有一定的独特性，因而该协议可以根据客户的要求针对性地改变协议内容，然后以最快的速度、最低的成本来完成网络部署。尤其是对于数据安全性要求比较高的专用网络来说[5]。根据电力系统不同业务需求，开发新型传感终端，实现接入能力、业务可靠性、运维效率的提升，为电力系统末端接入提供切实可行的方案。

5 典型应用场景

5.1 电力柔性负荷控制

新疆南北疆部分偏远地区人口密度小、地形复杂、架线难度大、投资成本高，后期维护困难，不利用电网运营，引进LoRa技术通过无线通信手段，实现对偏远地区大面积覆盖，可以有效解决偏远地区负荷接入难的问题。通过搭建负荷控制平台，对负荷统一调度，引导集中柔性负荷参与电网的负荷调节，通过负荷调节算法进行科学高效的负荷调度，削峰填谷，降低电网峰谷差。利用电力负荷的时变特性进行调度，实现电力调度系统升级，发挥柔性负荷的优势，如图3所示。柔性负荷是指用电量可在用户指定范围内根据接收到的指令要求进行“伸缩”或在不同时间段间进行转移，但是总用电量不变的负荷[6]。柔性负荷具有灵活调度、双向调节的特点，能够进一步优化电网调度模式。具有“源”和“荷”双重柔性特征，在优化用户负荷曲线、改善电网谷峰差、支撑可再生能源消纳等方面都有出色的表现。现阶段电网调度模式主要为集中式，柔性负荷通常以配电网、专变用户、负荷聚合商等分布式调度单元形式出现。与集中式方法相比，分布式调度可以在每个智能体中同时进行一致性变量的迭代计算。领导者负责系统功率平衡的集中调整，确保所有智能体在迭代计算后能收敛。因而分布式方法有较大的灵活性和可扩展性[7]。处理分布式的能源调度和电网统一调度中个体与整体的决策协调是实现柔性负荷控制的重点，进行分布式控制单元的实时建模并参数拟合、研究与输电网调度中心交换交互模型和计算方法。通过价格信号、激励机制、调度指令等措施，利用柔性负荷作为补充参与电力调度，进行发电侧的调节，优化能源配置。同时，着力风力、太阳能的开发利用，建设可再生能源的消纳机制，采用负荷控制中心或者自动需求响应模式进行负荷控制，实现削峰填谷。利用物联网技术对可激励负荷和可中断负荷的分级管控，按需调整，实现传统负荷与新型柔性负荷的联合调度，完成负荷从人工监控、遥测、遥控到自动调整的转变，提高电力系统的运行效率。

图3 基于物联网模式下负荷控制图

随着电力系统规模的不断扩大，负荷控制方式不断优化，包括电力载波通信、架空明线、数字微波、卫星通信、光纤通信等多种通信方式。电力通信网的传输速率、传输时延、带宽容量、接入方式不断升级，电网运行、经营、管理水平不断提升。引进物联网技术，实现分布式柔性负荷控制，能够完成特殊情况下负荷的快速精准切除和接入，进行能源高效调度，削峰填谷，推进新型电力系统的构建。

5.2 配网智能感知

配网感知系统用于配电自动化、智能巡检、用电信息采集、柔性负荷控制以及变电站无人值守等，其核心是建立电力物联网架构，实现终端设备感知与控制，通信端信息上传与下发，应用端基于大数据分析及人工智能应用，形成决策。终端设备如充电桩、光纤传感器、温度传感器等负责信息的采集，LoRa、ZigBee、NB-IoT等通信网络负责整个系统信息的传递，应用端负责信息处理和分析决策。本文以新疆阿勒泰地区智慧机井群控系统为例分析配网感知应用。

随着互联网技术的蓬勃发展，电子商务已经成为全球范围内重要的经济模式之一，随着2015年李克强总理在政府工作报告中提出“大众创业，万众创新”的行动号召，双创已成为这个时代的鲜明主题，各个行业都面临着“互联网+”的转型。电子商务，正不断地改变着人们的生产生活方式，可谓是大众创业，万众创新的“新引擎”。

智慧机井群控系统由感知层、网络层、平台层、应用层组成，图4为智慧机井群控系统物联网架构图。感知层熵情传感器监测土壤温湿度，超声波流量计和压力变送器监测机井出水口水流量、流速和水压，智能塑壳断路器监测机井三相电压、三相电流、功率因素等电力数据，北斗断路器馈线自动化终端监测10 kV线路电力数据。网络层由LoRa通信、RS485通信、北斗通信组成。虽然LoRa通信与ZigBee通信都属于常用的物联网通信模式，但是LoRa通信传输距离远，最远达15 km，非常适合于农田范围广、传感器布局分散的情况。平台层由北斗接入平台、物联网管理平台、安全接入平台组成。应用层由配网IV区云主站、农业智慧用能平台、智能灌溉小程序组成。智能灌溉小程序负责展示农民土壤温湿度、机井运行状况及机井开关申请。配网IV区云主站、农业智慧用能平台负责机井负荷柔性调度，当线路出现重过载情况时，基于线路负荷情况、土壤温湿度、机井运行状况生成柔性负荷调度命令，有序调控机井，保障线路运行安全。

图4 智慧机井群控系统物联网架构图

6 结 论

综上所述，建立LoRa技术物联网平台，实现全疆偏远地区的可中断柔性负荷控制，例如：电采暖、空调、电梯等，实现一种自主可控、便于维护的“网-荷”互动场景的物联网通信控制模式，在全疆推广应用。满足偏远地区多连接、低功耗、远距离的传输要求，实现在基础环境监测、生产控制业务、用电采集业务等场景的应用。解决电力通信“最后一公里”问题。

为解决LoRa技术在低时延应用领域的缺失，将依托于现有试点经验，结合5G和北斗新技术，不断探索LoRa技术在输电、变电、配电等相关低时延领域的应用方案，对构建新型电力系统提供关键支撑。