物联网技术在配电台区中的研究与应用

周淦林

摘 要：在以“再电气化”为路径的新一轮能源革命浪潮中，传统配电台区自动化技术不成熟，相应自动化设备不完善，各个信息化系统之间无法进行信息共享等缺陷越来越突出。本文借助物联网的技术与理念，提出一种新型配电台区应用实践方式，以适应日益精细化的管理要求，满足能源转型的需求。首先，本文介绍了配电物联网的基本概念和架构体系，接着分析了配电物联网所应用到的关键技术，阐述了配电物联网在电动汽车有序充电桩的管理和新能源的灵活消纳方面的实际应用，最后本文对物联网技术在配电台区中的应用前景进行了展望。

关键词：配电台区;物联网;配电物联网;再电气化

物联网技术作为信息科技领域的第三次革命，随着5G、LoRa以及NB-IoT等信息通信技术的快速发展和应用，已然进入了人与人、人与物、物与物的深化大连接阶段。配电物联网即是物联网技术应用到电力行业产生的新事物，配电物联网利用物联网技术，可以收集参与电力生产到电力消费环节中的各类对象的信息，并进一步实现数据的交流共享，以此为基础，人们便可以实现对配电网状态的实时管控[1]。本文将在深入介绍配电物联网的概念及架构体系的基础上，分析传统配电台区的不足之处，并针对配电物联网中的关键技术进行研究，最后结合实例，探索物联网技术在配电台区中的实际应用。

1配电物联网的概念

近年来，随着新能源的大规模开发利用，越来越多的小容量光伏、风电需要接入电网，电动汽车也逐渐进入城市生活，作为能源革命中心环节的电网正在向新一代的电力系统演化，能源互联网已经成为未来电网发展的新形态。传统配电网因电气化水平较低，信息化系统之间无法进行信息共享等缺陷已越来越难以满足社会经济发展，电网转型的需求[2]。

配电物联网是指物联网技术应用于配电台区，将信息数据系统与配电系统相结合，以此提升配电网对台区内各项信息的感知能力，最终实现配电网的实时监管和控制。与传统配电网相比，配电物联网从本质上提升了配电网的建设、运维、管理水平，可以说是配电网发展、进步的必然趋势[3]。

在以“再电气化”为路径的新一轮能源革命中，配电物联网不仅适应能源管理长远变革的技术需求，在配电网领域实现技术突破，打下以电网为核心的能源、工业互联互通格局的基础，也能满足能源转型“再电气化”需求，其将成为未来产业布局的新思路、新模式、新焦点[4]。

2配电物联网的架构体系

传统物联网包括三层架构，分别为感知层、网络层和应用层，而配电物联网融合了边缘计算的理念和技术，搭建了区别于传统物联网的四层架构，这四层架构被命名为“云、管、边、端”[5]。通过这四层架构的建设，可以让配电网在任何时间，任何地点实现人、物之间的信息连接和交互，实现数据共享。

“云”是指云化的主站平台，该主站平台凭借容器技术、并行计算等技术，以软件定义的方式实现边缘侧计算和网络资源的统一调配。“云”层搭载了多种公共服务，如数据管理、告警服务、报表服务和日志服务等。此外，“云”层还可以细分为IaaS、PaaS和SaaS三部分，这三部分分别用以实现云端资源虚拟化，数据标准化和应用服务化。

“管”是指网络管理，是连接“边”与“云”、 “边”与“端”、“端”与“云”之间信息沟通的桥梁。“管”层主要由远程和本地通信网两部分组成。两种通信网应用的领域不尽相同，其中远程通信网属于广域通信网的范畴，多以工业以太网交换机、中压电力载波线、LTE电力无线专网或无线公网作为传输手段，具有可靠度高、低时延的特征，可以满足配电物联网平台与边缘节点之间的差异化通信需求。而本地通信网多以低压电力载波线、微功率无线传输或LoRa无线传输作为传输渠道，具有灵活、高效且低功耗的特征，主要应用于海量感知节点与边缘节点之间的就地通信需求。

“边”是指边缘计算设备即智能配变终端，部署在配变台区配变变压器之下，是整个配电台区的入口，就地或就近提供智能决策与服务。“边”所提供的决策与服务包括但不限于：负荷预测、故障研判、线损分析、风险预警、无功补偿等等。“边”将终端侧硬件资源与软件平台进行了有机结合，在不增加硬件配置成本的前提条件下，不仅可以满足配电台区日新月异，不断增加的应用需求，而且使得末端设备收集到的信息无需上传即可本地处理，从本质上提升了配电网的整体计算能力。边缘计算设备同时也是“端”层的边缘计算与“云”层的大数据应用协同合作的基础。

“端”即末端设备，是配电物联网架构中数据收集和执行控制的實施者。具体而言，“端”通过各类传感器和相应的计算、通讯单元，对配电台区内的设施设备温湿度环境、当下运行状态、电流、电压信息等基础数据的监测、采集。区别于传统的低压配电网不可观测的特征和中压配电网测量范围的局限性，“端”可以帮助配电物联网实时观测到配电设备方方面面的信息且扩大了配电网所能观测的范围，可以说“端”提供了配电物联网所需的方面面的信息，为配电物联网提供了必要的硬件支持。“端”的主要功能可以分为三大类，第一类是环境感知，包括风力检测、温湿度检测、水位监测、视频监控和红外探测等。第二类是电气监测，主要包括电流、电压检测和故障警示等。第三类是用能采集，采集对象包括智能电表、分布式电源、智能充电桩和智慧路灯等。

3配电物联网关键技术

3.1传统配电台区的不足

传统配电台区往往存在以下缺陷：

（1）配电线路运行方式不够灵活，应对紧急情况的能力不足，从而用电侧的电能可靠性不能得到保障。该缺陷源于配电网架过于薄弱，部分线路负荷过重且备用容量无法满足突发情况下的用电需求，这导致配电线路在发生故障时有可能出现难以实现符合转供的情形。

（2）传统配电台区的自动化技术不成熟，相应自动化设备不完善。该缺陷主要体现在配电终端设备不能保持稳定运行，在线率不稳定，这使得配电自动化系统的实用性大大降低。此外，配电室的运行环境及主要设备温度、低压开关设备运行状态信息、动作信息，各低压出线负荷情况等相应设备设施的信息数据无法得到实施监控。

（3）传统配电台区的各个信息化系统之间无法进行信息共享。配电网包含的工程生产管理系统、电能质量在线监测系统、配电网运行监控平台和GIS系统等分别承担不同业务，且各系统之间无法实现信息共享数，导致日常运行中有大量工作被重复进行。

（4）传统配电台区缺乏合理的交互机制，这带来的问题是：管理人员无法对配电台区内的设施设备进行有效管理。除此之外，供电侧的供电信息无法及时提供给用电单位，这导致用户不能合理安排生产运作。用電单位也无法将实际的企业的供电需求告知供电单位，这导致供电单位不能根据用户需求进行灵活调整。

（5）随着小容量分布式光伏发电技术的发展和推广，传统配电台区缺乏分布式电源接入技术的缺陷也逐渐显现出来，这显然令传统的配电台区无法满足当下及未来的能源发展趋势和要求。

3.2末端设备感知技术

配电物联网通常在以智能配变终端（intelligent distribution terminal，IDT）为核心，结合末端设备完成配网的运行信息、设施设备信息、温湿度信息以及其他辅助信息等基础信息的收集。常见的末端设备包括智能一次设备、二次设备、智能传感及视频监控设备等，这些末端设备通常部署在在台变侧、线路侧和用户侧的关键节点，点多面广，感知技术可以在设备安装之后自动上线或只需通过很少的配置即可进行远程集中批量完成设备识别或单点完成该设备识别并进行业务数据通信，减少运维人员的调试工作，提高效率。

3.3配电台区通讯技术

通信系统是电力系统的重要组成部分，建立高效、可靠的通信渠道是实现智能电网的物理基础。配电物联网的通信系统通常采用的通信方式有很多种，包括有：RF mesh、PLC、电话线、工业以太网技术、以太网无源光网络（EPON）、光纤通信和无线公网、无线专网等。

3.4边缘计算技术

边缘计算是配电物联网四层架构中的核心环节，同时具备采集、通信、计算和分析、控制的功能，它是采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台。我们通过在边缘计算节点部署微服务，来提升配电服务的灵活性，扩展配电服务的业务功能，开发出贴合实际的APP，并以此体现配电物联网应用价值。

3.5容器引擎技术

上文我们提到，配电物联网的架构层之一，“云”层还可以细分为IaaS、PaaS和SaaS三部分，而容器引擎（Docker）技术正是针对PaaS层提出的关键技术。Docker技术将传统基于虚拟机形式的调控PaaS云平台容器化，不仅增加了PaaS平台的自由度，使其具有更强大的兼容性和灵活性。更使得云平台实现了对资源的实时监视、高效分配、节点管理和API控制，此外，PaaS平台还可以对容器进行编排部署和自动化发布。

4物联网技术在配电台区中的实际应用

物联网技术与配电台区相配合可以在多个领域中起到相当的实际作用，本文以电动汽车行业和新能源领域为例进行简单介绍。

针对当下越来越多的电动汽车进入城市生活，充电桩管理无序的情况，我们可以利用物联网技术对电动汽车的充电进行有效管理。具体思路上，边缘计算节点对充电桩进行实时的负荷数据监测，包括电流和电压，边缘计算节点再将数据上传到物联网云平台，由云平台进行充电桩负荷预测，再根据预测数据发出调节命令给边缘计算节点，由节点发出调控指令，充电桩设备根据调控指令进行负荷调控，优化充电策略，引导用户选择适当充电方式。

物联网技术应用于配电台区可以对新能源进行灵活消纳，满足用户在中、低压配网中大量、快速、安全接入光伏、风电等新能源的需求，并可以协助用户优化设备性能以产生更高的经济效益，分析用户的用能方式、调整新能源工作策略使之与用户的用电习惯相适应。同时依靠物联网云平台完成对电源输出功率的实时控制，并监视、削减谐波影响。

5结语

以物联网技术提升配电台区的电气化水平是开展配电网能源管理长远变革的基础，将深刻转变传统的配电台区的研究视角和应用格局。在当前“再电气化”的潮流推动下，配电物联网的应用不仅可以在配电网领域实现技术突破，更将有利于形成以电网为核心的能源、工业互联互通格局，也能满足能源转型“再电气化”需求。

参考文献

[1] 盛万兴，吕志鹏.智能配电装备与物联网[J].供用电，2020，37（1）：2+1.

[2] 宋祺鹏，石岩，韩子龙，等.泛在电力物联网下的配电网典型配置模式研究[J].供用电，2020，37（1）：15-20.

[3] 李洪全，张冀川，丁浩，等.基于IPv6的配电物联网通信单元设计[J].供用电，2020，37（1）：21-29.

[4] 刘金耀.基于物联网技术的电力设备一次状态检修[J].电子世界，2019（24）：179-180.

[5] 汪鹏，郑霄，汤晓颖.泛在电力物联网在智能配电系统的应用探究[J].电力设备管理，2019（12）：114-116.