基于LPWAN的泛在电力物联网探析

2020-09-07侯林海

通信电源技术 2020年11期

关键词：广域低功耗电力行业

侯林海

（江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

未来电网朝着物理、信息、商业互联的趋势发展，需要在已有电网的基础上加强对各种能源的综合利用，并依靠更先进的通信技术实现电力系统内部的顺畅通信，最终有效推动电力市场化改革的进行，建立一种更高水平的共享经济发展模式。

1 LPWAN概述

LPWAN指的是低功耗广域网络，是一种能够以低比特率进行长距离通信的无线网络，主要应用于物联网领域。低功耗广域网络和无线广域网络相比，在比特率、电量需求和使用时机等方面有着明显不同。无线广域网络通常用来连接企业或者用户，虽然能够传输大量的数据信息，但能耗消耗十分巨大。和无线广域网络相比，低功耗广域网络的能耗消耗非常少。在典型的物联网场景下，两节AA电池的电量可以供低功耗广域网络使用10年。此外，低功耗广域网络的数据信息传输距离往往较远，一般传输距离都会超过5 km[1]。低功耗广域网络内部的网络结构十分简单，不必耗费大量的资金用于低功耗广域网络的运行和维护。低功耗广域网络这种物联网网络层技术的出现，极大地推动了现有通信技术的发展，填补了通信技术在低功耗、长距离通信方面的空白，给物联网领域带来了更加广阔的发展空间，极大地推动了未来物联网领域的发展。

虽然我国电网关键节点已经通过有线、光纤等方式进行了通信链接，但是在当前的“互联网+”智慧能源背景下，这种关键节点的通信链接无法有效满足小数据的链接需求。在这种情况下，电网迫切需要运用网络技术满足测量点多、分散的小数据的链接需求。目前，我国主流的无线通信技术有无线蜂窝技术和以WiFi、Zigbee为主的无线通信。这两种无线通信技术的工作距离相对较短，覆盖范围较小，不能很好地满足高度分散的小数据需要。因此，低功耗广域网络（LPWAN）成为物联网技术中的一个发展热点，成为电网行业链接小数据迫切需要的技术。低功耗广域网络技术覆盖范围大，传输能耗小，能够将大量分散的小数据进行有效链接，因此在当前的“互联网+”智慧能源背景下必将发挥巨大作用，推动“互联网+”智慧能源的变革，并与无线网络、电力专网相互配合，共同促进泛在电力物联网的发展。图1为“互联网 +”指挥能源框架图。

图1 “互联网 +”指挥能源框架图

2 泛在电力物联网概述

泛在电力物联网是利用人工智能、移动互联等先进的通信技术、网络技术，结合电力系统运行的各个环节特点构建的智慧服务系统。泛在电力物联网能够有效将电力系统的各个环节链接起来，实现数据的有效交互，能够高效处理数据信息，应用十分方便、灵活。在当今“互联网+”智慧能源背景下，必须大力推动泛在电力物联网的建设，将泛在电力物联网作为“互联网+”智慧能源的重要部分。

“互联网+”智慧能源具体指的是依靠信息化技术、云计算、物联网来构建能源的智能化开发、利用系统，对于电力行业来说具有极为重要的意义，能够极大推动电力行业的环保和可持续发展。在这一背景下电力行业构建的泛在电力物联网，“泛在”指的是电力物联网无处不在。对于电力行业来说，电网本身就是一个泛在网，覆盖着广大区域，为大量的用户提供电力。虽然电力行业中的电网能够体现出无处不在的特点，但是这一特点在数据信息方面完全体现，因此需要构建泛在电力物联网，赋予电力行业数据信息“泛在”的特点。

通过构建泛在电力物联网，大量分布广泛的小数据能够实现智能链接和泛在感知，将各种数据信息有效联系起来，最终构建出一种链接企业运营、电网运行、电力输送以及客户服务等多环节的综合网络。泛在电力物联网是以传统的物联网为基础建设的，在当今的电力市场环境以及“互联网+”智慧能源背景下有着极高的应用价值。通过建立泛在电力物联网能够实现海量小数据的有效链接，虽然单个小数据价值低，但是链接后会形成海量数据，价值将得到极大提升。这些小数据具体包括用户侧用电的数据和发电、输电、配电各个环节的数据。其中：用户侧用电数据包括各行业、各建筑、各基础设施的能源消耗情况；发电、输电、配电环节的数据包括设备状态数据、环境数据等。图2为泛在网示意图。

图2 泛在网示意图

具体来说，泛在电力物联网可以分为感知层、网络层、平台层以及应用层4层（如图3所示）。感知层是泛在电力物联网的基础层。在感知层，泛在电力物联网主要依靠各种设备对电网的设备、设施、周边环境进行泛在感知。网络层包括电力专网、无线网等网络，主要通过这些网络将在感知层收集的信息传输到平台层。平台层整理传输来的信息，是一个公共的基础平台，能够通过对数据进行加密，实现数据的安全传输，并且能够深层次挖掘海量数据的价值。应用层是电力物联网最顶层的结构，能够依靠云计算等技术处理收集到的数据，有效推动泛在电力物联网的智能应用，如依靠泛在电力物联网监控环境、管理电力系统的资产等。对于我国的电力行业来说，泛在电力物联网仍然处在初步发展阶段，需要重点对感知层和网络层这两个基础结构进行建设，确保能够对数据进行有效的收集和传输。在完成感知层和网络层建设后，才可以进行后续的平台层和应用层建设，最终建成完全的泛在电力物联网系统。

图3 泛在电力物联网网络构架

3 基于LPWAN的泛在电力物联网分析

基于低功耗广域网络构建的泛在电力物联网，能够真正灵活、快速地进行泛在电力物联网部署，实现泛在电力物联网的低功耗和广泛覆盖。对于泛在电力物联网来说，核心工作是实现物联网终端与应用数据的可靠分发，确保数据在传输过程中不出现丢失、损坏情况，实现数据的低成本运输。泛在电力物联网的应用端、终端需要在物联网中心建立关联，最终在物联网中心构建出统一的、多业务的物联网，并大大降低物联网的运行成本。要想真正建成基于LPWAN的泛在电力物联网，必须确保拥有齐全的网元，通过不同的网元分别实现不同的功能，如构建物联网基站、认证中心以及业务运营系统等。基于LPWAN的泛在电力物联网需要利用终端节点收集数据信息，并及时将收集的数据信息传送到基站，包括电力直流量、状态量以及控制量等。通过收集这些信息并进行分析，最终能够得到整个系统的最佳控制方法，实现对系统的最优控制。图4为泛在网、物联网和传感网的关系图。

基于LPWAN的泛在电力物联网本质上是对下沉的基础数据进行链接。这些不同环节的下沉基础数据种类多，包括电器、电表、充电桩数据、漏电监测、智能消防等，还包括对电气设备状态检测的数据、环境检测的数据等[2]。通过采集、连接、分析这些数据可制定后续的服务，如根据用户的电力需求数据来优化节能服务。基于LPWAN的泛在电力物联网也可以看作是电力行业的一个基础平台，能够推出一系列增值服务，如以区块链为基础的新型能源服务、光伏云网以及虚拟电厂等。可见，只要能够统一接口，能够让管理软件互相适应，就能够实现多种业务、多种场景共用一个平台。