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未来公用事业环境中的电力物联网

除了智能之外,现代电网还应具备灵活性,这意味着其必须能够实时响应变化。为实现长远利益,电力传输网络和智能电表所收集的大量数据必须要通过电力公司后台的系统进行分析和处理,并且接受人工干预操作。相比之下,灵活型电网可以实现现场数据的实时交互,利用物联网(IoT)提高效率,为电力公司和社区创造价值。

物联网:通往灵活型电网之路

通过一系列的技术和相关的业务流程,物联网将各种设备的状态信息成功传送给其它系统,从而根据这些新的信息资源采取相应的应对措施。电力行业一直关注着物联网的最新发展成果,并谨慎地加以利用。尽管电力行业并非前沿领域,但其一直在利用现有技术优化和控制资产、增加安全性、控制电力网,并保持其正常运作。

为了解释物联网是如何应用于电力行业的,我们需要了解监控和数据采集(SCADA)以及高级计量基础设施(AMI)的相关知识。

SCADA在行业中的应用最早可追溯到上世纪50年代早期。SCADA系统利用传感器和控制器与中央主控单元通信,实现对远程发电和输电系统的集中监控与控制,并通过人机界面提供用户界面。系统采集带时间戳的数据供以后进行分析。

作为智能电网的关键组成部分,AMI包括智能电表、家庭显示器、能源管理系统、通信网络和数据管理系统,为电力公司及其客户提供智能设备的双向通信系统。

现在,计算工具、数据库和分析工具的进步允许对来自SCADA、AMI和其它商业和消费物联网设备的大量数据进行快速的预测性和规范性分析。

比如,解决方案提供商正在开发的主动配电网管理系统(ADMS)是用于实现态势感知的物联网技术。ADMS是一个集成软件平台,利用新的和现有的应用程序创建一个统一的监控系统,该控制系统能够确保可靠地利用各种嵌入式系统和分布式资源,以保护人们及其财产免受电网本身变化造成的影响。

物联网正在彻底改变公用事业

物联网应用为电力公司的发展提供了一系列可能性。物联网技术可以在以下3个阶段提高电网的效率和性能:

  • 首先通过从传感器收集数据来提高电网的快速恢复能力;
  • 其次通过物联网收集的相关数据对电力设备进行连续监测和规则解释,从而实现积极主动式的资源管理;
  • 最后通过优化电网运作方式,让所有利益相关者都可以了解发电和用电情况,并做出正确的决策。

以上3个阶段指向同一个未来,而电力公司可以在更具竞争力的环境中茁壮成长。通过提供优化实时操作的手段,物联网有助于实现输电和配电(T&D)网络的全部价值。物联网技术的潜在应用包括:自愈网络及自动化、智能资产管理与使用、停电与故障管理,以及物联网安全。

传统身份管理平台的设计仅支持针对URL的授权策略,无法满足物联网的独特需求。而今天的身份平台则提供了新的通用授权功能,可以保护物联网设备。这些功能与现在所使用的一些功能类似,比如让客人使用自己的电话解锁酒店房间。通用授权可以使用自定义操作定义特定的资源类型或“事物”,以构建具有针对性的解决方案。

与任何行业革命一样,物联网即将在能源行业引起的变革也极具多样化。从智能建筑和城市基础设施到能源民主化以及对可再生能源的巨大推动,能源互联网无疑都是一股颠覆性的力量,其高灵敏和细粒度的控制能力对世界能源的供应和分配格局将带来巨大的变化,而这些变化在几年前是难以想象的——社区将以前所未有的方式连接,能源使用方式也将得以优化,实现更大程度上的节约利用。总之,物联网是电力行业的未来。

此外,除了使电网更智能外,物联网还能够将更多新的物理设备连接到电网和支撑电网的数据网络上——屋顶太阳能、电动汽车、燃料电池、家用电池存储、智能电表、智能恒温器和智能家电等都将会改变本地配电网,使其向双向、多方能源市场演变,以取代旧的单向能源交付系统。

这些新的连接设备可能导致配电网的混乱,因为配电网尚未具备解决这些新问题的能力。但客户仍然期望能源服务是安全、可靠和可用的,同时也能实现可持续发展。

幸运的是,由于SDN的进步和计算能力成本的下降,部署强大的智能电网平台已变得现实可行。更重要的是,智能电网技术首次实现了连接设备之间的协调分析和响应,而这在之前是不可能的事情。

强大的处理能力和存储器还允许智能电表和电网传感器提供统一的软件和计算平台,同时支持多种通信和应用协议。此外,在端点中提供强大的处理能力,结合软件定义通信的进步,也为解决长期困扰部署单通信网络电力设施的关键连接和通信性能等问题铺平了道路。

丰富的通信功能

目前,通信模块已经在同一芯片组上集成了RF通信、电力线载波通信(PLC)以及Wi-Fi通信,这为基于网络运行状态、数据属性和应用需求等条件来动态且连续地选择最佳通信路径和最恰当的调频提供了多样化的选择空间。新平台还提供P2P和本地广播通信功能,使边缘设备能够单独或在选定组中相互通信,以支持新的分布式分析场景。

使用授权频谱、带内、保护频段和独立部署的窄带物联网(NB-IoT)或低功率广域网(LPWAN)有望在连接更广范围的低移动性、低功率和低成本设备方面发挥重大作用。这些新的网络技术旨在深度覆盖一些难以到达的区域,并支持大量有着低功耗的优化网络接口的低吞吐量、超低成本设备。

边缘计算的重要作用

更多的连接设备意味着每秒钟会生成更多需要上传、存储、处理和共享的数据。不同类型的传感器,包括温度、压力、方向、速度、重量、步速、心跳和光强度传感器将产生大量的待传输信息,而连续的无线数据传输对于靠电池供电的应用设备来说能耗太大,其解决方案之一是使用功能强大但功耗低的微控制器预处理传感器数据,从而减少要传输的数据量。然而,要实现高效的处理就必须为待处理的存储数据和待执行的程序提供更大容量的本地存储器。

为了进一步降低数据传输的频率,设计人员将利用本地数据缓存装置。SoC片上系统可以将存储器整体封装到一个芯片中,尽管这样可能会降低芯片的产量并增加其制造成本,但却消除了对各种单独组件的需求。

与传统闪存相比,电阻式RAM(RRAM)技术与CMOS逻辑电路的集成难度将会降低。RRAM解决方案可以激发互相连接的物联网设备的创新,低能耗且快速的非易失性内存可以将超大存储容量轻松集成到单个的SoC和射频元件上,从而实现节省功率的目的,使设备在没有电池充电或不更换电池的情况下工作多年,如此未来的物联网设备将能够更广泛地应用于消费领域和工业领域。目前需要解决的主要问题仍然是提供低成本的平台解决方案,以及需要外部软件接口来适应。

未来的物联网平台

物联网市场的快速演变带来了物联网解决方案数量和种类的爆炸式增长。尤其是对于智能电网而言,目前有大量的软件平台可用,它们主要是通过提供标准化组件来减少物联网解决方案的成本和开发时间,这些组件可以跨行业垂直共享以整合设备、网络和应用程序。大多数物联网平台可分为连接管理平台、设备管理平台和应用使能平台,尽管许多产品平台的功能有所重叠。

在全球范围内,许多电力公司在实施其电网现代化战略时能够利用物联网的这些功能以及分布式智能和分析的显著发展成果。最终,除却运营效率的提高外,这些战略还会带来更多的机遇,比如智慧城市。

目前,碎片化和不确定性尚未得到令人满意的解决,因此需要做的事情还有很多。安全性、可靠性和隐私问题仍未解决,商业模式和监管制度也同样如此。物联网的所有参与者和利益相关者都面临着前进道路上的关键性抉择。现在是从根本上重新思考技术战略、商业模式和产品设计的时候了,也是该让监管者和其他相关人士参与到辩论中的时候了。

在物联网时代,我们必须紧跟最新的技术趋势,使新的物联网应用能够超越连接,真正将行动和智能的力量赋予为用户提供服务的一线设备。

Bosco Eduardo Fernandes/文

COMCON首席执行官