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未来电网建设的主要任务以及挑战解析

发布日期:2021/3/1


      近年来,随着电力负荷的快速增长,间歇性电源的高比例接入,全球极端天气加剧等问题的增多,传统电网的安全稳定运行已受到巨大挑战。面对如此情况,发展更加智能的电网,将先进的通信、信息和控制技术应用于传统电网,解决源侧、网侧和荷侧三方面的重难点问题将成为未来电网建设的主要任务与挑战。


      智能电网由美国首先提出,美国电科院于 2000年前后提出了 Intelli-Grid 的概念,认为这是未来电网发展的态势和解决 21 世纪电网面临的各种问题的途径。智能电网具有自愈、互动、优化、兼容、集成的特征。智能电网建设涉及面广,面临的问题较多,完全依靠传统技术很难满足其需求,因此更需要云、大、物、移、智等新兴技术支撑。由此能源互联网的概念应运而生,成为智能电网更开阔的发展空间。


       国家电网公司早前发布的《泛在电力物联网白皮书 2019》,将泛在电力物联网建设分为两个阶段,重点构建能源生态、迭代打造企业中台、协同推进智慧物联、同步推进管理优化,最终实现到 2024 年建成泛在电力物联网。并提出了《配电物联网技术发展白皮书》,实现了物联网和配电网的融合,对配电物联网关键技术的规模化工程应用和场景进行推广。


       目前,在众多实施的泛在电力物联网应用项目中,嘉兴乌镇电力物联网作为重点园区级综合示范项目,实现了智慧路灯、电动汽车智慧车联网、全感知配电房等多种场景的应用,建立了全景智慧用电平台,实现数据共享。江苏无锡作为国内唯一的国家级物联网示范城市,系统规划了物联网产业发展,促进以物联网为龙头的新一代信息技术与工业、经济、城市治理深度融合,形成一系列“让城市生活更美好”的智慧解决方案和运营管理模式。


      当前物联网技术在电网中的应用


      目前电网经过多年的建设已经联系到千家万户的每一台电器,实现物联网的物质基础已然非常具备。建设智能电网需要在现有电网上增加传感测量技术、集成通信技术和高级控制方法,而物联网本身就是这三者的有机结合,因此物联网技术可以和智能电网高度融合,二者相辅相成。物联网通过传感器技术、通信技术、云/边缘计算技术等的支持在电网运行中的不同应用。


     源-网-荷通信方式


      物联网技术在电源侧的应用主要体现在传感器应用及对发电机实时状态监测。对于传统电源方面,物联网技术可以应用于对 发电设备进行远程故障诊断,设计发电设备远程监测系统,能够检测发电机组的实时情况, 并根据机组的异常情况查找故障原因。


      源侧:对于分布式电源方面,物联网技术可以对风能、太阳能等新能源发电进行监测和调节,从而使新能源更好的并网接入和运行。在光伏发电方面可以实现对偏远地区的光伏系统进行监测和控制。除了可以实现光伏系统的监测,还可以实现对光伏系统中最大功率点的跟踪。在风能发电方面,由于风电场具有单机数目大、分布地区广且大的特点,因此需要长时间频繁维护。若将物联 网技术应用于风电场组网,则可以大大降低其运营维护的成本。


      网侧:传统物联网技术在输电侧的应用主要体现在对输电线路状态的监测及线路安全检修管控,其中通信一般依靠专用通信网(光纤网络)或通用分组无线服务(General Packet Radio Service, GPRS)网络。物联网在输电侧的应用可以解决目前监测系统存在的 运行维护费用高、数据传输率低等问题,从而提高输电效率。


      荷侧:物联网在负荷侧的应用最显著是低压抄表方式 的转变,除此之外,物联网可以实现在用电安全管理、用电安全方面的应用,进一步推动了智能家居、 智能建筑方面的发展。


       电力物联网关键技术


       物联网三个关键技术是物联网整体架构的重要组成部分,三者是各类应用环节的技术基础,为物联网中数据的传输作了重要支持。传感器作为数据获取的源头,通信技术组成了数据传输网络,边缘计算提高了数据的传输速度,云计算是数据处理和管理的平台,从而使海量的电力数据在泛在电力物联网中变得更加可靠、更加高效,最终实现电力数据的综合应用。在此我们重点分析一下传感技术。


       传统传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并按一定规律变换后输出,典型的器件有电阻应变式传感器、电荷耦合器件、霍尔传感器等。随着传感器不断发展,具有信息处理功能的智能传感器占据较大的应用空间,智能传感器也是物联网获取外界信息的重要途径。目前,小微智能传感器是传统传感器的发展方向,小微智能传感器是传统传感器与微处理机相结合的产物,也称为巨磁阻传感器(Giant MagnetoResistance, GMR),具有采集、处理、交换信息的能力,因其具有的特低功率、便于安装、抗干扰等特点使智能电网透明化运行成为可能。例如将小微智能传感器应用于物联网的感知层,实现智能电网的大数据测量和收集,进一步拓展传感器在物联网中的应用范围。小微智能传感器作为透明电网最重要的单元,仍存在电压测量、功率较大等问题,其未来将要突破的瓶颈是自行实现能量的补给以及电压测量的问题。


       除此之外,物联网技术在智能电网中的应用还有无线传感网络,它通过节点内置传感器进行采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。无线传感器网络具有自组织性、抗干扰能力强等特点,它能为物联网带来传感、互通和驱动的高性能。但无线传感器网络也存在一定的缺陷,首先不同应用场合下无线传感器网络的结构和协议不同,需要设计相同的标准接入到电力通信网;其次无线传感器网络在电网中会受到电磁干扰,可能会导致数据采集和传输过程中出现失误,需要完成电磁兼容的可行性设计;最后无线传感器网络节点需要持续的能量供应,若将小微智能传感器与无线传感器网络相结合,从中可以挖掘小微智能传感器在智能电网中可能的应用点。目前,无线传感器网络已经开始逐步应用于智能电网的数据收集的场景中,如无线自动抄表、远程系统监控、设备故障诊断等。


       智能电网的发展愿景——透明配电网和泛在电力物联网


       透明配电网:透明电网通过各种“互联网+”技术的综合运用,使电网运行透明可观可测。区别于运行数据少和设备状态不可见的传统配电网,透明配电网是近年来伴随着数据采集、数据传输及数据分析技术在配电网深度应用而出现的一种新的配电网形态。


       物联网技术是构成透明配电网的重要基础,能为透明配电网提供有力的技术支持。透明配电网以全面的数据监测为基础,为了实现配电网的透明化,要求数据全面且数量足够多,而传统的测量装置无法实现大量数据的测量和实时传送,此时物联网便可以发挥其独有的优势。传感器技术可以解决透明配电网数据采集的需求,实时采集海量数据,实现配电网的数据透明。通信技术例如 LORA、NB-IOT可以解决透明配电网的通信需求,可以实时传输可靠的数据,从而实现配电网的状态透明。云/边缘计算可以解决透明配电网海量数据处理的需求,快速处理上传海量数据,从而实现配电网的态势透明。因此,物联网技术的发展将使配电网透明化成为可能。


      泛在电力物联网:其实质与透明电网特别是透明配电网的内涵高度吻合,即围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术,实现电力系统各环节万物互联、人机交互,具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。传统物联网架构采用的是分层体系,分为感知层、网络层、应用层三层,对应的层次特征分别是全面感知、可靠传递、智能处理。泛在电力物联网是物联网在智能电网高级应用的体现,可以分为感知层、网络层、平台层、应用层这四层结构。


       感知层通过传感器技术负责数据采集和处理,利用边缘计算处理一些区域化的计算任务,从而减轻平台层服务器的计算压力,提升实时性和建立统一的终端操作系统是未来感知层的发展方向。网络层负责对感知层和平台层之间的数据进行传输,利用多种通信方式实现数据的可靠传输与灵活调度,提高信息的传输速度和流量,电力载波通信技术和 5G 技术是未来网络层的发展方向。平台层通过云计算技术负责数据高效处理和物联管理,是实现高级应用的基础,提高协同计算与实时响应能力是未来平台层的发展方向。应用层实现电网的生产运营、经营管理和相关的用能服务,如微网运行管理、电动汽车的运营管理、园区能源管理等,跨专业的物联管理是未来应用层的发展方向。泛在电力物联网的建设为大数据与人工智能在能源互联网领域的应用打下了基础。


        总之,物联网技术将电力系统的各个元素紧密地、有机地联系起来,不断促进电力系统的自动化、信息化和智能化。传感器技术、通信技术与云/边缘计算技术等物联网关键技术在电力系统源侧、网侧和荷侧三方面的深化应用和扩大影响,推动了电力系统实现全面可观可测、可调可控。随着物联网技术的进一步发展和突破,未来物联网在智能电网具有巨大的应用空间。在物联网技术的支撑下,智能电网将会朝着透明运行和泛在物联的形态发展。





来源:SensorExpo

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