張祿，李香龍，朱潔，于希娟，陸斯悅，陳少坤

(1.國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 100075； 2.北京恒華龍信數(shù)據(jù)科技有限公司，北京 100088)

0 引 言

氣候惡化是當今影響最為深遠的全球性問題，在北方居民的冬季取暖推行清潔取暖方法，是農村用戶采暖方式的重大變革，是優(yōu)化人民生活方式的重要方式[1-5]。

目前“煤改電”工程也存在各區(qū)域實施進度分離，工程統(tǒng)一管控困難；對改造成果監(jiān)管評價難；以及在農村“煤改電”推廣過程中，供暖季會出現(xiàn)負荷增長、負荷波動加大、三相不平衡加重等問題，影響電網線路設備，出現(xiàn)運行安全問題；以及在為用戶安裝前存在采暖方案選取、運行中存在用戶采暖效果狀況監(jiān)測、設備健康狀態(tài)監(jiān)測，用戶用電策略推薦等問題，難以為用戶提供更多決策支撐等問題。需要提出新的設計理念[6-7]。為有效管控“煤改電”工程，監(jiān)測清潔采暖用能情況，積極引導電采暖用戶有序用電，保證用電安全性，亟須適應時代發(fā)展潮流，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和互聯(lián)互通。

隨著物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)在已經具備通過智能設備采集居民采暖數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)的能力。電力消費者需求呈現(xiàn)多樣化趨勢，電網已不再是傳統(tǒng)意義上的單一的傳輸功能，而是增加了多種社會元素，承載了多種數(shù)據(jù)信息，承擔了更多的社會責任，建設“泛在電力物聯(lián)網”勢在必行。基于“煤改電”智能服務平臺為電力用戶、電網生產運行和新業(yè)務新模式發(fā)展，為企業(yè)生態(tài)環(huán)境構建提供信息和決策支持，是在泛在電力物聯(lián)網領域的典型應用。

1 泛在電力物聯(lián)網簡介

國家電網公司在2019年兩會報告中提出建設 “泛在電力物聯(lián)網”戰(zhàn)略[8-12]。泛在電力物聯(lián)網基于通信技術的全業(yè)務泛在電力物聯(lián)網，是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，應用移動終端、人工智能等先進的信息和通信技術，實現(xiàn)業(yè)務應用的環(huán)節(jié)互聯(lián)、人機交互，建設電力智慧服務系統(tǒng)[13-15]。

2 智能采集與通訊

2.1 智能采集與通訊方案

智能采集與智能技術是利用智能化的現(xiàn)代手段獲取信息，并將采集的信息進行通訊傳輸?shù)碾娮有畔⒓夹g。

隨著物聯(lián)網和通信技術的不斷成熟和飛速發(fā)展，現(xiàn)代通信傳輸技術種類也復雜多樣，本項目中的實施區(qū)域跨度大、地形復雜、通信基礎良莠不齊，煤改電工程推進過程中，各地區(qū)電采暖設備品牌不一、型號多樣，通過結合地理位置、地貌特征、設備情況綜合分析，針對不同地區(qū)用戶分別選取適合中、遠距離進行信息傳遞的Wi-Fi、ZigBee、PLC實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)傳輸匯聚[16-19]，通過對LoRaWAN、WiFi、PLC、NB-IoT、4G等多種通信方案及其組合方案的物理特性試驗對比(表1)和優(yōu)缺點對比分析(表2)，提出了采用國內和行業(yè)范圍比較先進的NB-IoT和LoRaWAN兩種通信技術進行用戶端到平臺層數(shù)據(jù)通信傳輸方案，通過通信質量監(jiān)測試驗驗證了這種組合技術的穩(wěn)定性和安全性。通過綜合判斷推薦適合“煤改電”場景的“基于多種組合通信方案”的智能化通信網絡層穩(wěn)定性組合策略，解決了“煤改電”數(shù)據(jù)高頻采集傳輸困難、大規(guī)模推廣成本高等難題。

2.2 智能采集終端

信息智能化采集的實現(xiàn)必須以智能終端電子設備為基礎，因此，研發(fā)兼容多種通信協(xié)議和多網融合的電采暖智能采集終端和溫濕度智能采集終端。通過在用戶家中安裝研發(fā)的分布式智能終端(圖1～圖3)，采用多種無線、有線通信技術，實現(xiàn)了與采暖用戶家中多種取暖方式、各種品牌、各類型號的電采暖設備全面兼容與信息傳輸[20]，并兼顧功耗、成本、存儲空間等因素，實現(xiàn)用能數(shù)據(jù)和采暖數(shù)據(jù)的5 min高頻精準采集。

表1 不同采集通訊方案物理特性對比

表2 不同采集通信方案優(yōu)缺點比較表

圖1 煤改電智能采集設備：家庭智能網關

圖2 煤改電智能采集設備：溫濕度無線采集器

圖3 煤改電智能采集設備：溫濕度采集智能插座

3 基于泛在電力物聯(lián)網的煤改電智能服務云平臺

如圖4所示，煤改電智能服務平臺基于物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)技術，踐行“三型兩網”戰(zhàn)略，感知層通過在用戶安裝智能采集終端，傳輸層通過LORAWAN和NB-IOT網絡通道，將用戶電壓、電流、功率、電量、室內溫度、室內濕度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_層，在應用層實現(xiàn)了實時監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析。從用戶側源頭進行問題發(fā)現(xiàn)、問題跟蹤，從管理側進行問題治理。以“煤改電”智能服務為基礎保障、以優(yōu)化流程規(guī)范固化機制為制度保障、以煤改電實時監(jiān)控平臺發(fā)布倒逼服務提升和運維為監(jiān)督保障、以物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)技術為技術保障，解決“煤改電”管理中的電網安全、投訴、運維問題。

3.1 平臺整體架構

針對“煤改電”應用場景，搭建具備海量數(shù)據(jù)存儲功能、集成“煤改電”分析挖掘算法的分布式、多節(jié)點平臺架構的大數(shù)據(jù)分析與管理平臺。平臺建設過程中應用了分布式的大數(shù)據(jù)處理技術[21]，基于集群式的服務架構[22]，以HDFS為存儲核心[23]，結合Hive與Impala，搭建具備海量數(shù)據(jù)存儲功能、集成“煤改電”分析挖掘算法的分布式架構，實現(xiàn)對“煤改電”數(shù)據(jù)的管理、快速查詢及大數(shù)據(jù)分析。應用5臺集群服務器，搭建9個節(jié)點，具備CPU80核，內存544 GB，硬盤78.2 TB，具備強大的數(shù)據(jù)治理、存儲、計算、分析能力，應用Zookeeper，實現(xiàn)集群高可用，保證平臺的平穩(wěn)運行。通過構建的分布式一體化泛在電力物聯(lián)網平臺，全面監(jiān)測“煤改電”用戶采暖數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)。

圖4 基于泛在電力物聯(lián)網的煤改電智能服務平臺框架

煤改電智能服務平臺整體分為感知及傳輸層、數(shù)據(jù)存儲及交互層、業(yè)務應用層、展現(xiàn)層4層架構[24](見圖5)。

圖5 基于泛在電力物聯(lián)網的煤改電智能服務平臺系統(tǒng)架構圖

感知及傳輸層：采用環(huán)境監(jiān)測儀、電壓電流監(jiān)測設備、電采暖監(jiān)測設備的多種監(jiān)測設備監(jiān)測并采集居民市內及實驗室的數(shù)據(jù)，通過4G或者無線網絡將監(jiān)測結果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)存儲及交互層：對采集到的數(shù)據(jù)進行整合后存儲，數(shù)據(jù)庫中涵蓋采暖用戶家庭數(shù)據(jù)、采暖消耗的電力數(shù)據(jù)、各類設備數(shù)據(jù)、戶內采暖溫度數(shù)據(jù)、外部環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、日志告警及其他數(shù)據(jù)等?；诜涸陔娏ξ锫?lián)網的煤改電智能服務平臺與其他系統(tǒng)或外部系的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)層進行交互。

業(yè)務應用層：在這一層是針對用戶業(yè)務的具體的的功能模塊，分為WEB端和移動端兩部分。WEB端包含地圖展示、工程概況、智能監(jiān)測、用戶檔案、綜合管理、節(jié)能成效、大屏展示、系統(tǒng)功能8部分。

展現(xiàn)層：展現(xiàn)層是用戶直接交互的界面，用戶可通過終端直接訪問，操作煤改電智能服務平臺。支持通過Web展示和通過移動端訪問兩種方式。

3.2 平臺功能

煤改電智能服務平臺通過硬件采集電采暖設備的運行、檢修數(shù)據(jù)，實驗室用電數(shù)據(jù)，以及當?shù)貧庀蟓h(huán)境信息，實現(xiàn)對煤改電覆蓋區(qū)域的統(tǒng)一監(jiān)測與管理，并用可視化手段進行直觀的展示。包括地圖展示、工程概況、智能監(jiān)測、用戶管理、設備管理、大數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理、移動端管理8個部分。

(1)地圖展示

利用地圖接口與經緯度相互結合的方法獲取居民用戶和采集設備的地理信息，在地圖上進行整體分布展示。在地圖的基礎操作、用戶查詢、村莊查詢、設備查詢的同時浮動圖表都會進行實時聯(lián)動。

(2)工程概況

本模塊中展示“煤改電”工程的整體進度，支持進行工程計劃實時查看，用戶根據(jù)工程實際進度進行進度填報，展示“煤改電”工程的整體技術方案、煤改電工程整體進度管理、各區(qū)域安裝進度管理、典型用戶示范。

(3)智能監(jiān)測

煤改電智能服務平臺實現(xiàn)了示范區(qū)域用戶采暖設備、室內環(huán)境、外部環(huán)境的綜合監(jiān)測，包含用戶家庭基礎信息監(jiān)測(圖6)、用戶用能實時監(jiān)測、用戶采暖效果實時監(jiān)測(圖7)。通過采集設備、監(jiān)測設備將居民的用電用能信息和環(huán)境信息進行采集并上傳至煤改電智能服務平臺，監(jiān)測項包括電壓、電流、電量數(shù)據(jù)監(jiān)測，對采暖設備的出/回水溫度等參數(shù)進行了監(jiān)測，此外還包括室內溫濕度、室外氣溫、濕度和PM2.5等信息，實時實現(xiàn)對“煤改電”區(qū)域家庭的智能監(jiān)測管理。

圖6 用戶信息智能監(jiān)測

圖7 采暖效果和用電信息智能監(jiān)測

(4)用戶管理

本模塊對用戶信息進行統(tǒng)一管理，按照所屬區(qū)域(區(qū)縣、鎮(zhèn)、村)以目錄樹的形式進行管理，可以進行不同用戶用電信息、溫度信息等監(jiān)測結果進行查詢。

(5)設備管理

設備管理模塊有電采暖設備管理、采集設備管理、通信設備管理、設備資料管理4部分。

(6)大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)分析模塊是基于采集到的數(shù)據(jù)結合業(yè)務應用，利用專業(yè)的數(shù)學和統(tǒng)計學分析方法構建算法模型，進行大數(shù)據(jù)分析及預測。包含采暖電量分析，采暖效果綜合分析、清潔節(jié)能成效分析用能預測、采暖費用及補貼分析等。

(7)系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是對系統(tǒng)運行起到支撐運行的關鍵項功能進行管理配置，覆蓋使用人員、使用授權、關聯(lián)關系、等級劃分等。

(8)移動端應用

除了PC應用外，煤改電”智能服務平臺還有移動app，可以直接在移動端安裝登錄。工作人員可以用手機進行登錄，隨時隨地查看煤改電用戶的興趣點分析、用電智能監(jiān)測情況、節(jié)能效果、大數(shù)據(jù)分析成果。

4 智能分析與應用

借助基于泛在電力物聯(lián)網的煤改電智能服務平臺，通過選取某省份200戶典型煤改電用戶，對典型用戶2018～2019采暖季的用電數(shù)據(jù)和電費數(shù)據(jù)進行了計算和分析。

4.1 電量分析

2018～2019年采暖季，“煤改電”用戶采暖季戶均總用電量7 609.68千瓦時，戶均日用電量為50.4千瓦時，采暖季戶日均用電電量為采暖季前8.19倍。采暖季谷段戶均總用電量4 467.53千瓦時，在谷段居民用戶平均每一天消耗29.59千瓦時電量，占每天總用電量的比例是58.71%[23-24]。

4.2 電費分析

2018～2019年采暖季，電占比58.71%，平段戶均總用電量為3 107.25千瓦時，占比41.29%。按照平段電價和補貼后的谷段電價分別進行計算，2018～2019年采暖季平均每個用戶用電費用是1 964.02元。

5 結束語

文章基于泛在電力物聯(lián)網技術進行了煤改電智能服務研究與應用。在采集層和通信層利用Wifi、LoRa、NBIot物聯(lián)網技術將不同采暖類型用戶家庭采暖的電流、電壓、功率、溫度、濕度等數(shù)據(jù)進行采集和上傳，并支持5 min高頻率采集，提高了采集的精準度。通過構建分布式架構的煤改電智能服務平臺進行用戶基礎信息、用電信息和采暖信息的智能管理和智能監(jiān)測，結合大數(shù)據(jù)技術進行用電分析、電費分析、采暖效果分析、補貼成效分析等，為能源電力管理部門的管理和政府部門的財政補貼提供科學支撐。