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    能源物聯網的核心技術與應用場景
    發布時間:2020-12-25

      摘    要: 飛速發展的物聯網技術為能源轉型提供了有益支撐,物聯網與能源各領域的深度融合形成了能源物聯網,能源物聯網成為能源互聯網發展的物聯基礎。首先,分析了能源物聯網的含義及其和傳統能源網絡的多維度差異,構建了能源物聯網的體系架構;其次,討論了能源物聯網的若干關鍵技術;隨后,提出了與能源物聯網相關的應用場景;最后,展望了能源物聯網的發展前景與面臨的挑戰,以期為后續能源物聯網的實踐和深入研究提供有益參考。

      關鍵詞: 能源物聯網; 能源轉型; 物聯網; 可再生能源;

      Abstract: The rapid development of the Internet of things technology provides beneficial support for the energy transition. The deep integration of the Internet of things and various fields of energy has formed the Internet of energy things, which has become the basis of the development of the energy Internet. Firstly, the meaning of the Internet of energy things and its multi-dimensional differences compared with traditional energy networks were analyzed. The architecture of the Internet of energy things was designed. Secondly, several key technologies of the Internet of energy things were discussed. And then the related application of scenarios the Internet of energy things were proposed. Finally, the development prospects and challenges of the Internet of energy things were looked forward to. Hope that a useful reference for the subsequent practice and the in-depth research of the Internet of energy things was provided.

      Keyword: Internet of energy things; energy transition; Internet of things; renewable energy;

      1 、引言

      能源轉型已形成全球性共識,大部分國家已實施相關的可再生能源支持政策來大力開發利用可再生能源、提升能源利用效率、降低二氧化碳排放量。在能源轉型過程中,大規模清潔能源將逐步替代一次能源,大規模電能將逐步替代終端能源,并以電力和電網為核心支撐,構建多種能源互補互濟、協同發展的新一代能源系統,推動能源供應和消費方式發生革命性變化[1,2,3]。

      在能源轉型的大背景下,物聯網技術的不斷發展使得物聯網與傳統行業的融合越來越密切,如“物聯網+農業”催生的智慧農業[4,5]、“物聯網+電網”形成的智能電網[6]、泛在電力物聯網[7,8]等。物聯網技術正促使能源網絡邁向萬物智聯的新階段,面向能源互聯網快速發展[9],利用信息化、數字化、現代化手段為傳統能源領域賦能,實現能源生產、傳輸、存儲、交易、消費各環節設備及客戶的狀態全面感知、信息交互和數據共享、需求快速響應。

      能源物聯網作為物聯網技術和能源領域有機結合的產物,將助力實現能源轉型,形成能源互聯網的物聯基礎。鑒于此,本文對能源物聯網的基本概念和體系架構進行了歸納,討論能源物聯網涉及的關鍵技術,介紹能源物聯網的若干應用場景,并對泛在能源物聯網的未來發展進行分析和展望,希望為實現能源轉型和能源物聯網提供一定的參考。
     

    能源物聯網的核心技術與應用場景
     

      2 、物聯網與能源物聯網

      2.1 、物聯網

      物聯網一詞最早由麻省理工學院的Kevin Ashton提出[10]。從狹義上看,物聯網即為實現物與物連接的局域網絡;從廣義上講,物聯網可實現人、物、系統和信息資源在任何時間和任何地點的連接,具備泛在網絡的特點。物聯網是通過感知設備,按照約定協議連接人、物、系統和信息資源,實現對物理世界和虛擬世界的信息進行處理并做出反應的智能服務系統[11,12]。

      2.2、 能源物聯網含義

      能源物聯網是以傳感量測、邊緣計算與云計算、區塊鏈等先進技術為手段,以智能感知、智能計算、智能處理、智能決策、智能控制為目標,在能源生產、存儲、配送、消費環節實現在電力、熱力、燃氣、新能源、電氣化交通等能源領域的數據共享、高效協同、供需平衡的一種信息—物理—社會系統[3,13,14]。

      2.3、 能源物聯網與傳統能源網絡的區別

      電力網、石油網、天然氣網等傳統能源網絡的能源傳輸與共享是在各自網絡中實現的,能源物聯網可實現各種異構能源系統的互聯和源荷兩側的平等接入。其中,電能可作為所有一次能源的表現形式,因此,以電網為核心的能源網絡將是能源物聯網的物理主干網,承載著不同能源網絡物理上的互聯互通。

      能源物聯網和傳統能源網絡的特點比較如表1所示。相較于傳統能源網絡追求大系統、集中式的發展,能源物聯網分布式特性高。從信息層面來看,能源物聯網信息化程度高,信息的獲取、處理、分析等能力較強,信息可實時交互、分享。從物理層面來看,在能源物聯網中,能源可雙向流動、多點互動、即插即用,能源損耗較小。從社會層面來看,能源物聯網的開放性提高了用戶與供能側的平等性和用戶的主動參與程度。

      表1 能源物聯網和傳統能源網絡的特點比較
    表1 能源物聯網和傳統能源網絡的特點比較

      2.4 、能源物聯網的體系架構

      能源物聯網的體系架構如圖1所示,主要包含設施層、感知層、網絡層、平臺層和應用層。

      1)設施層包含變壓器、充電樁、電動汽車、智能表計、分布式發電等。

      2)感知層是能源物聯網的基礎層,通過傳感設備和量測裝置對基礎設施、設備及其周圍環境等進行感知,感知層包含傳感設備、感知網絡等。

      3)網絡層將感知層采集的信息傳遞至平臺層,如通信專網、5G無線網絡、以太網等。

      4)平臺層實現各類采集數據的存儲、管理、分析功能,通過云計算、大數據等技術實現對感知數據的處理和分析,數據經加密后可進行互傳,挖掘海量數據的深度價值,同時提供數據應用開發的應用程序接口。

      5)應用層實現能源物聯網的智能管理應用,如充電運營、儲能監控、電氣設備智能運行維護、樓宇能效管理等。

      3、 能源物聯網關鍵技術

      能源物聯網以能源網絡為基礎,以大數據為核心,需要融合傳感、通信、計算、安全等多種技術。

      3.1 、智能感知技術

      能源物聯網是以數據為前提和核心進行運作的,需要以智能感知為觸手全面采集能源網絡的有效數據,因此,智能感知技術是能源物聯網的基石。能源物聯網中不同能源設備的數量巨大、種類繁多,且在遼闊地域中分布廣泛,能源物聯網的高效運作需要先進的感知裝置和其構成的感知網絡發揮首要作用。

      能源物聯網規模龐大、結構復雜,為了更準確、精細、全面地獲知設備及系統的運行情況,需要研究精度高、功耗低、壽命長、體型輕巧的傳感器,開發新的傳感技術,進一步提升傳感器的量測精度、可靠性和穩定性,為系統決策和協同調控提供大數據支持。目前,應用于能源物聯網的傳感設備多種多樣,如電力系統中的電網故障行波傳感器[15]、非接觸式測量的電場耦合傳感器[16]和導線溫度傳感器[17]、天然氣系統中的甲烷氣體檢測傳感器[18,19]等。

      圖1 能源物聯網的體系架構
    圖1 能源物聯網的體系架構

      除了定點感知以外,還需要從系統全局的角度實現時空維度上人與物的全面感知,體現能源物聯網廣覆蓋、海量連接的特性。因此,需要構建一體化的能源物聯網感知網絡,融合異構網絡的信息傳輸技術,全面覆蓋、連接傳感器和能源基礎設施。文獻[20]在礦山物聯網中提出了人—機器—環境狀態信息描述方法,可實現礦山安全生產狀態信息的全面精準感知。文獻[21]構建了泛在電力物聯網智能感知體系架構。

      3.2 、通信網絡技術

      通信是能源物聯網中必不可少的部分,它可以互聯每個設備并確保可靠的信息交換。由于能源物聯網的開放性,用戶可以通過各地的客戶端應用程序獲取系統操作數據并與機器設備進行交互。

      通信網絡分為有線通信網絡和無線通信網絡。在實際情況下,能源物聯網中的信息具有分布廣、分散性強的特點,傳統的有線網絡通信技術難以適用于大規模應用,因此能源物聯網通信的主要手段是無線通信技術。其中,5G的高帶寬、低時延、低功耗等優勢可為能源物聯網發展提供強大助力,5G可應用于萬物互聯、海量量測、寬帶通信、高效計算等方面[22,23]。此外,以NB-Io T和Lo Ra技術為代表的低功耗廣域網絡(LPWAN,low power wide area network)技術以其遠距離、低功耗、海量接入、低運行維護成本等優點逐步在物聯網領域得到應用,LPWAN在功耗、覆蓋范圍、接入量、傳輸速率等方面比廣域通信網(如通用分組無線業務)更有優勢,其遠距離、強覆蓋、海量接入等特性為能源物聯網的普及應用提供了重要的網絡鏈路保障[24,25]。文獻[26]為構建LPWAN能源物聯網云平臺有效解決了多協議中間件、多源異構數據接入等問題。文獻[27]基于LPWAN傳輸和管理配電設備絕緣狀態的感知數據。文獻[28]基于LPWAN技術,對電力通信專網進行升級改造,實現了電力通信專網與LPWAN物聯網技術的融合,構建了能源電力物聯專網。文獻[29]介紹了基于LPWAN技術的泛在電力物聯網的體系架構,指出完善感知層和網絡層基礎設施是建設泛在電力物聯網的前提。

      海量信息的傳輸不僅需要先進的傳輸方式,還需要建立統一的通信標準,構建一體化的通信網絡。開放共享的能源物聯網需要每臺機器和每個用戶可以用簡單的方式交互信息,但是能源各行業采用的系統和通信設備、網絡不在統一標準下,導致數據無法有效共享和管理,形成信息“壁壘”。因此,需要制定統一的數據模型和通信協議,新投入使用的設備和系統平臺必須遵循相應的通信標準。此外,對于已投入使用的設備和系統平臺,可開發轉換技術對原有的通信協議進行兼容,從而消除信息“壁壘”,實現對通信網信息的統一管理。如文獻[30]鑒于電力物聯網中信息交互方式無法統一造成的問題,研發了相應的標準化模型,使網絡層中的數據以標準化信息模型交互傳輸。

      3.3 、數據分析處理和智能決策技術

      物聯網以數據聯網為本質核心[31],而能源物聯網有海量的用戶與設備,其量測與感知采集的數據是非常有價值的。一方面,利用海量數據使得能源行業可以充分認識自身特性,為能源行業的低碳綠色發展、提高能效、節能降耗、經濟運行、系統規劃等提供新的技術支撐手段;另一方面,基于深度學習、人工智能等技術分析處理數據,可以為能源系統提高生產效率,為用戶提供更好的消費服務,為系統運營者提供更高效的決策支撐。但是,目前這些數據的價值還未得到充分挖掘,主要原因是數據分析智能化程度低。只有對能源生產、配送、消費各環節的數據進行多方面的深入挖掘,才能釋放數據價值,實現物理互聯、信息互通等目標,為各行業發展規劃與決策提供重要支撐。因此,需要加強能源大數據的應用建模與智能算法研究,促進能源物聯網向數字化、智能化的方向發展。

      文獻[32]基于深度學習網絡,處理和提取物聯網非法入侵的數據,識別不同非法入侵的特征,判斷其類型,獲得了高精度的物聯網入侵行為識別結果。文獻[33]在泛在電力物聯網環境下,基于深度強化學習,提出了一種基于比例優先級采樣機制的深度強化學習算法,解決綜合能源系統自動發電控制面臨的強隨機擾動問題。文獻[34]提出了基于云—邊—端協同的用戶側數據應用框架,充分利用用戶側的電網大數據,使用邊緣計算賦能電力物聯網。

      3.4、 信息安全技術

      安全和隱私是能源物聯網能否穩定、快速發展的決定因素之一。能源物聯網涉及海量的數據信息和復雜的現實環境,國家重要的能源基礎設施、社會服務領域、個人信息都與能源物聯網有密切的關系,因此,完善物聯網技術應用、保障能源領域的信息安全和網絡安全,是能源物聯網大規模部署的必要條件。

      物聯網中的信息安全需求有物理實體安全、信息采集傳輸與處理安全,物聯網安全的最終目標是確保信息的完整性、機密性和真實性[35,36]。文獻[37]闡述了我國關鍵信息基礎設施安全保護面臨高烈度對抗、無險可守和長期性3個重大風險,提出要樹立科學的網絡安全觀。文獻[38]在物聯網的設備層面量化分析了安全威脅數學模型,提出了用適當的安全控制措施消除安全漏洞。文獻[39]從數據安全共享角度出發,提出了一種訪問結構隱藏的屬性基加密方案,該方案在保證物聯網數據隱私的情況下,可實現密文數據的細粒度訪問控制。文獻[40]從安全通信角度出發,提出了橢圓曲線上的無證書公鑰密碼體制結合物理不可克隆函數的方案,實現無秘密參數存儲的物聯網節點設備之間的消息安全傳遞。

      為了應對能源物聯網安全威脅,需要具體分析能源物聯網各個層面的安全問題,并提出相應的應對策略,同時構建面向能源業務的跨層安全框架。

      3.5 、網絡管理技術

      能源物聯網是依托于物聯網、云計算、人工智能等技術發展而來的一種綜合性網絡,隨著相關技術的不斷發展,能源物聯網衍生了很多傳統能源網絡所沒有的新特點,這些新特點決定了能源物聯網管理發展的新趨勢。

      文獻[41]提出了在信息化和非信息化條件下的物聯網管理模式,文獻[42]在電動汽車(EV,electric vehicle)的充/換電服務網中,針對電池管理的身份識別、時空追蹤、狀態感知、動態資產管理、編組管理、運行效率統計和分析合法規范使用等問題,提出了基于物聯網技術的解決方案。文獻[43]以智能管理、傳輸控制、現場執行作為整體架構,設計了基于物聯網的智能用電管理系統。文獻[44]就工業物聯網能耗增長、污染等問題,提出了一種基于云技術與霧技術融合的工業物聯網能源管理架構,從而提高能源管理效率。現階段,能源物聯網的發展需要結合其新特點進行管理技術的創新,以有效地提升能源物聯網系統管理的質量和水平。

      3.6、 能源市場化交易技術

      得益于政策引導、需求側擴大、市場開放和技術支撐等因素,使能源作為商品進行市場化交易成為可能。從電力系統角度來講,可以將可交易能源概括為一套通過經濟手段和控制手段,以價值為參數調節系統全局供需動態平衡的電力系統運行機制[45,46]。因此,需要考慮相關市場主體,如終端消費者、分布式電源、售電商、運營者、產消者等,設計相應的能源交易機制。如文獻[47]在車聯網與電力網、交通網、互聯網連接的背景下,基于區塊鏈技術構建了車聯網平臺中的分布式能源交易體系,并提出不同的車聯網平臺運營模式。同時,還需要構建能源交易系統以實現能源交易機構在相應的交易機制下發布需求、交易匹配、執行合約,實現發起、確認、執行、驗證等各交換環節的實際運行。

      區塊鏈技術的公正開放、去中心化、互聯共享等特性與分布式能源交易的特點有較好的契合度[48],區塊鏈的關鍵技術在多能互補交易[49,50,51]、能源交易市場信用風險管理[52]等方面均有應用。能源物聯網的成功建設將為能源交易奠定基礎,在此過程中,利用區塊鏈技術可以降低交易成本、提高交易效率,幫助能源交易機構更好地進行監管,指導傳統能源行業逐步轉型。

      4 、能源物聯網應用場景

      4.1、 EV

      EV為提升清潔能源消納、實現節能減排帶來了新途徑,可以在能源物聯網的需求側為系統靈活運行提供大量潛在的可調控資源,EV可通過電網調頻、車入網(V2G,vehicle-to-grid)等方式參與電網的運行優化。以EV作為交集,配電網與交通網、充電服務網三者的耦合關聯程度日益緊密[53]。EV充/換電服務網絡如圖2所示,該網絡是一種包含了智能電網、物流網、交通網和互聯網的復雜網絡,充分體現了信息化、智能化、網絡化的特點,能為EV用戶提供可靠、便捷、優質的服務。在能量流方面,EV充/換電服務網絡為用戶提供可靠、便捷、優質的充/換電能;在信息流方面,它可以識別及收集EV和電池的當前工作狀態,管理整個EV充/換電業務;在資金流方面,它通過與電網運行管理系統的信息交互,并且根據市場情況來制定EV充/換電費用。

      圖2 EV充/換電服務網絡
    圖2 EV充/換電服務網絡

      此外,采用傳感器、射頻識別設備、感知網絡等,結合GPS定位、5G通信等技術構建三網監控系統如圖3所示,其中,三網指充電服務網、電力網、交通網。三網監控系統可以實時感知EV運行狀態、充電樁與充電站狀態、道路交通與配電網狀態等,助力三網的聯動及高度互動,實現EV集群在三網融合下較大規模的能量調控,最終實現以EV為引導的能源互聯網優化運行。

      圖3 三網監控系統
    圖3 三網監控系統

      4.2、 智慧農業

      農業和能源呈耦合互補的關系,體現在農業活動消耗電力為機械設備供電、驅動溫控和供水系統等農業園區設施,安裝于農業設施內的可再生發電裝置可直接向農業生產供電,也可余電外送,或者利用農業活動副產品的生物質能進行熱電聯產或沼氣產出。

      融合智慧能源的農業大棚架構如圖4所示,該架構基于通信技術、信息技術、物聯網技術等深度融合,實現新能源與現代農業的高效協同運作與可持續發展。如通過信息共享將農業系統的用電需求、發電出力等預測信息和電網進行協調配合,指導農業用戶操作。將物聯網與農業設施結合,利用物聯網技術來構建智慧全控型農業園區,促進農業生產的信息化與自動化。

      4.3 、梯級水光蓄互補聯合發電

      梯級水光蓄互補聯合發電技術將梯級小水電、光伏和抽水蓄能3種發電方式有機結合起來,實現多種可再生能源的互補優化[54]。分散的光伏出力、梯級小水電均具有隨機性和波動性,且兩者出力特性各異。因此,針對光伏發電系統,可通過光敏傳感裝置、氣象數據采集裝置獲得的歷史數據進行功率預測或實時感知,實現光伏面板根據日照和天氣變化情況隨時調整工作狀態;針對梯級小水電發電機組,可通過安裝在機組內、水庫中的傳感器,及時了解機組運行工況的技術指標和相關參量,增強對水電機組的實時監控能力和對周圍水文環境的感知。可運用機器學習技術實現數據學習本地化,在梯級水光蓄互補聯合發電系統的調度和控制時,實現具有自決策、自糾偏能力的互補系統智能調度和優化控制,并進行中長期電量互補、短期電力互補以及實時控制互補。

      圖4 融合智慧能源的農業大棚架構
    圖4 融合智慧能源的農業大棚架構

      5 、結束語

      本文主要對能源物聯網的基本概念進行了總結,提出了能源物聯網的體系架構,討論了其涉及的關鍵技術,提出了能源物聯網的若干應用場景。物聯網技術賦予能源網絡新的動力,將為能源物聯網的未來發展奠定重要的物聯基礎。但目前,能源物聯網的發展處于初始階段,面臨以下挑戰:1)對能源物聯網涉及的海量對象和廣域覆蓋范圍進行全面感知;2)對能源物聯網數據和通信涉及的相關標準進行規定與統一;3)深度挖掘能源物聯網中數據的價值,開發相關智能應用;4)落腳于具體能源行業,探索更多的關鍵技術和應用場景。

      在未來,能源物聯網不斷發展,將釋放更多的能量推動能源轉型,為實現更好的綠色環境和可持續發展帶來了巨大的可能性。

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