孫 晨,楊權(quán)東,袁建濤,朱從亮
(1.華云信息科技有限公司, 浙江 杭州 310012;2.樂(lè)清工程師創(chuàng)新服務(wù)中心,浙江 樂(lè)清 325600; 3.浙江大學(xué),浙江 杭州 310057)
目前,國(guó)家電網(wǎng)加速推廣電力物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things,IoT)應(yīng)用,在推進(jìn)能源生態(tài)建設(shè)、智慧物聯(lián)等方面開(kāi)展建設(shè)任務(wù),有效帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展,計(jì)劃到2021年初步建成電力物聯(lián)網(wǎng)[1]。智慧路燈、電動(dòng)汽車(chē)智慧車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智慧物聯(lián)小庫(kù)、全感知配電房、配電物聯(lián)網(wǎng)、不停電作業(yè)體驗(yàn)、新能源云平臺(tái)等是電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)新興技術(shù)與業(yè)務(wù),電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面的最新技術(shù)、成果和應(yīng)用吸引了眾人的目光[2~5]。
電力物聯(lián)網(wǎng)是充分應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)交互,具有狀態(tài)全面感知[6]、信息高效處理[7]、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)[8]。
電力物聯(lián)網(wǎng)中智能感知等各種新興應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)[9~11],依賴(lài)于人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展。在實(shí)際的應(yīng)用中,人工智能或智能感知已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能家居[4]、工業(yè)生產(chǎn)、智慧農(nóng)藥等各個(gè)生產(chǎn)生活場(chǎng)景中,如在自動(dòng)駕駛中,只有實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛環(huán)境、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、位置和碰撞的感知等才能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)的自動(dòng)駕駛[12]。因此,未來(lái)智能感知技術(shù)將成為智能產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。
因此,將電力物聯(lián)網(wǎng)與智能感知技術(shù)相結(jié)合,是未來(lái)的發(fā)展方向。本文主要對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)分析,從系統(tǒng)層面、網(wǎng)絡(luò)層面、算法層面以及硬件層面分析未來(lái)電力物聯(lián)網(wǎng)智能感知的發(fā)展方向以及一些關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案。
如圖1所示,電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)具有如下特征:1)邊緣與云端智能化:隨著智能感知業(yè)務(wù)的計(jì)算需求不斷增加,以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不斷增大,為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理,終端無(wú)法及時(shí)處理的業(yè)務(wù)需要轉(zhuǎn)移至邊緣端進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、敏捷連接、數(shù)據(jù)優(yōu)化。2)通信技術(shù)的多樣化:采集數(shù)據(jù)以及處理的終端通常使用不同類(lèi)型的通信技術(shù),以滿(mǎn)足不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)需求,并且擴(kuò)大電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量,實(shí)現(xiàn)真正的廣泛連接,提升數(shù)據(jù)傳輸速率。
圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)
智能感知技術(shù),即利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)或者網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài),通過(guò)算法,分析和感知出數(shù)據(jù)的走向或者網(wǎng)絡(luò)下一時(shí)刻的狀態(tài)。其需要利用多維度的信息,對(duì)數(shù)據(jù)處理、分析,得到最終的輸出結(jié)果。可以說(shuō),智能感知的結(jié)果與數(shù)據(jù)種類(lèi),數(shù)據(jù)量有著直接的關(guān)系。數(shù)據(jù)種類(lèi)越多,數(shù)據(jù)量越大,可以從數(shù)據(jù)中挖掘出的信息越多,效果越好[13]。
多源信息融合是智能感知技術(shù)的代表。利用人工智能算法對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,經(jīng)過(guò)大量的訓(xùn)練,找出各個(gè)維度之間的隱含關(guān)系,最后得到融合結(jié)果。
1)云—邊—端智能感知系統(tǒng)架構(gòu)
在電力物聯(lián)網(wǎng)中,智能感知通常需要可觀(guān)的計(jì)算量。如果由處于末端的終端計(jì)算,則會(huì)造成很高的計(jì)算時(shí)延,并且對(duì)終端的處理能力的要求也會(huì)提高。為了減少終端的計(jì)算量,一種云—邊—端的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。終端可以將部分計(jì)算的量分出給配備邊緣服務(wù)器的基站[14]。對(duì)于更大的計(jì)算請(qǐng)求,基站可以發(fā)送至處于核心網(wǎng)的云端進(jìn)行處理,計(jì)算完成后將結(jié)果發(fā)送至終端。由于邊緣端或者云端通常具有很高的計(jì)算能力,即使智能感知的計(jì)算需求量很高,該云—邊—端系統(tǒng)架構(gòu)也可以輕松應(yīng)對(duì),減少計(jì)算時(shí)延,提高計(jì)算精度。
2)基于空中計(jì)算的新型傳輸方式
傳統(tǒng)意義上的計(jì)算和通信是分開(kāi)的,即基于香農(nóng)的分離原則,信息經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳輸,到達(dá)接收方。對(duì)于電力物聯(lián)網(wǎng)的智能感知,有部分場(chǎng)景需要海量的終端數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單匯總,如果采用傳統(tǒng)的端到端傳輸原則,各個(gè)終端需要將各自的數(shù)據(jù)傳輸至邊緣服務(wù)器或者云服務(wù)器,將各個(gè)信息解調(diào)后,在邊緣端或者云端進(jìn)行處理。該方法存在兩個(gè)弊端,一是在海量的物聯(lián)網(wǎng)中,由于無(wú)線(xiàn)信道資源有限,各個(gè)終端同時(shí)傳輸待處理的數(shù)據(jù)給無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)了很大的壓力,造成巨大的通信開(kāi)銷(xiāo);另外,也造成了邊緣端或者云端計(jì)算復(fù)雜度增加。為了解決這一問(wèn)題,空中計(jì)算成為了一種全新的解決方案[15]。不同于現(xiàn)有的數(shù)字傳輸方案,該空中計(jì)算利用以往模擬傳輸方式,將不同的終端的數(shù)據(jù)在同一信道上進(jìn)行疊加,即在空口上便可以完成計(jì)算功能,當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)接收端時(shí),經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理,即能得到所需要的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)傳輸方式可以降低設(shè)備的復(fù)雜度,減少通信開(kāi)銷(xiāo),提高頻譜效率,可以作為電力物聯(lián)網(wǎng)中智能感知的解決方案之一。
3)電力物聯(lián)網(wǎng)中的移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)
采用云—邊—端的系統(tǒng)框架,離不開(kāi)移動(dòng)邊緣計(jì)算的算法支撐[16]。移動(dòng)邊緣計(jì)算給下一代移動(dòng)通信中計(jì)算與通信融合帶來(lái)了全新的解決方案。在電力物聯(lián)網(wǎng)中,其仍然可以發(fā)揮很大的作用。當(dāng)智能感知需要大量的計(jì)算資源時(shí),計(jì)算量的卸載成為了邊緣計(jì)算與云計(jì)算的關(guān)鍵。綜合考慮通信與計(jì)算資源,如何分配終端處的計(jì)算任務(wù)是重大的挑戰(zhàn)。移動(dòng)邊緣計(jì)算在平衡計(jì)算與通信資源的同時(shí),所提出的計(jì)算卸載方案可以提高計(jì)算的效率,減少通信時(shí)延與計(jì)算時(shí)延。如當(dāng)終端所處的通信信道狀況很差時(shí),智能感知的計(jì)算量可以少部分卸載到基站端,以避免因?yàn)橥ㄐ艂鬏敭a(chǎn)生大量的時(shí)延。當(dāng)終端所處的通信狀況很好時(shí),智能感知的計(jì)算量卸載可以根據(jù)任務(wù)量的大小,分配給云端與邊緣端進(jìn)行計(jì)算。
1)電力物聯(lián)網(wǎng)中混合通信技術(shù)
智能感知所需要的數(shù)據(jù)主要來(lái)源可能是不同形式的終端。為了滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求,不同的終端使用的通信技術(shù)不盡相同。因此,在未來(lái)電力網(wǎng)中,混合多樣的通信技術(shù)將會(huì)是智能感知數(shù)據(jù)的支撐。這些通信技術(shù)主要包括短距離覆蓋的WiFi、射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)和ZigBee技術(shù),長(zhǎng)距離覆蓋主要有窄帶物聯(lián)網(wǎng)(na-rrow band Internt of things,NB-IoT),LoRa以及現(xiàn)有的長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution,LTE)技術(shù)等等?;旌系耐ㄐ偶夹g(shù)可以滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集與快速傳輸。
2)智能感知統(tǒng)一制式數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)
混合通信技術(shù)雖然可以滿(mǎn)足不同設(shè)備,不同場(chǎng)景數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男枨?,?duì)于數(shù)據(jù)的接收端來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)的收集工作卻成為了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,如何快速便捷地獲取到不用通信制式的數(shù)據(jù)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。這需要智能感知統(tǒng)一制式的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成跨設(shè)備與跨通信方式的數(shù)據(jù)收集,通過(guò)融合多種通信制式,形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn),為進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。
3)低時(shí)延高可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
智能感知技術(shù)中,有許多場(chǎng)景需要傳輸比較大的數(shù)據(jù)信息,同時(shí),數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延以及準(zhǔn)確性要求比較高,這就需要低時(shí)延高可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)有的第五代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)可以應(yīng)用在電力物聯(lián)網(wǎng)中。第五代移動(dòng)通信要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延小于1 ms,且數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸笥?9.999 %。對(duì)于電力物聯(lián)網(wǎng)中智能感知的場(chǎng)景,已經(jīng)可以滿(mǎn)足各種不同任務(wù)的需求,以提高感知的準(zhǔn)確性,保障電力平穩(wěn)運(yùn)行。
1)面向電力物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主,因此關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)分析方式可以滿(mǎn)足各類(lèi)應(yīng)用需求[17]。大數(shù)據(jù)往往是半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主,結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為輔,而且以電力物聯(lián)網(wǎng)中智能感知為基礎(chǔ)的各種大數(shù)據(jù)應(yīng)用通常是對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)內(nèi)容檢索、交叉比對(duì)、深度挖掘與綜合分析。面對(duì)數(shù)據(jù)量龐大,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù),為了提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算的效率,需要利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)[18],對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式計(jì)算和存儲(chǔ)。目前,Hadoop、MapReduce和Spark等分布式處理方式已經(jīng)成為大數(shù)據(jù)處理各環(huán)節(jié)的通用處理方法。以分布式計(jì)算為基礎(chǔ),大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以提供低時(shí)延、低復(fù)雜度的數(shù)據(jù)檢索、存儲(chǔ)與處理,是未來(lái)電力物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析的發(fā)展趨勢(shì)。
2)智能感知中的人工智能技術(shù)
電力物聯(lián)網(wǎng)中智能感知的重要環(huán)節(jié)是從大數(shù)據(jù)中挖掘出信息,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)、分類(lèi)等功能。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理算法在處理大數(shù)據(jù)時(shí),一般具有非常高的復(fù)雜度,并且無(wú)法充分利用數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì),無(wú)法在結(jié)果中體現(xiàn)出來(lái)。而人工智能技術(shù)恰恰相反,隨著數(shù)據(jù)量的增大,人工智能技術(shù)的性能逐步上升,并且其計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)勢(shì)也凸顯出來(lái)。尤其是采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能算法,其利用大量神經(jīng)元相互非線(xiàn)性作用,在海量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練下,調(diào)整相關(guān)參數(shù),實(shí)現(xiàn)搞準(zhǔn)確率建模與估計(jì),以支撐越來(lái)越復(fù)雜的電力系統(tǒng)內(nèi)部業(yè)務(wù)和外部服務(wù)場(chǎng)景。
3)聯(lián)邦學(xué)習(xí)與智能感知
一般地,采用人工智能技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí),首先要進(jìn)行模型訓(xùn)練,這需要集中式的數(shù)據(jù)與高性能的服務(wù)器。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)終端呈現(xiàn)分布式的布局,將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸至中心或者云端的服務(wù)器將會(huì)產(chǎn)生巨大的通信時(shí)延。另外,獲得的多元的數(shù)據(jù)通常含有用戶(hù)的隱私信息,如果采用集中式的模型訓(xùn)練方法,很難保證用戶(hù)的安全性。因此,在充分考慮模型特點(diǎn)與數(shù)據(jù)的隱私性,聯(lián)邦學(xué)習(xí)可以被用于進(jìn)行模型訓(xùn)練。其不需要將所有的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器,取而代之的是上傳模型訓(xùn)練的參數(shù)或者梯度信息。因此,使用聯(lián)邦學(xué)習(xí)進(jìn)行智能感知算法訓(xùn)練,可以保證用戶(hù)的隱私性和數(shù)據(jù)的安全性,同時(shí)還可以提升訓(xùn)練的性能和降低訓(xùn)練時(shí)延。
1)低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端
獨(dú)立的檢測(cè)終端通常分布在變電等危險(xiǎn)的地方,只有降低終端的功耗,提高終端的使用壽命,才能降低維修成本,提高使用的安全性。物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗主要體現(xiàn)在通信開(kāi)銷(xiāo)與待機(jī)上,終端需要經(jīng)常向基站發(fā)送確認(rèn)連接的信息,以保證通信的質(zhì)量。但同時(shí)造成很大的功耗,降低終端的使用壽命。因此,對(duì)于低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端,可以降低與基站或者熱點(diǎn)間交互的頻率,通過(guò)更有效的確認(rèn)機(jī)制,保證終端在線(xiàn);另外,由于物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間長(zhǎng),因此在不需要數(shù)據(jù)采集以及傳輸時(shí),設(shè)置終端處于休眠狀態(tài),可以大幅降低終端的能耗,提升壽命。
2)高性能的計(jì)算芯片
上式中X為高斯平面橫坐標(biāo);a為橢球長(zhǎng)半軸;B為大地經(jīng)度;L為大地維度;M為某點(diǎn)曲率半徑;△B=B-B0;Y是相對(duì)于某帶圓點(diǎn)的高斯平面縱坐標(biāo)。
在復(fù)雜的智能感知應(yīng)用場(chǎng)景,終端通常需要進(jìn)行一定的計(jì)算,配合基站完成智能感知算法。因此,傳統(tǒng)僅僅作為傳輸數(shù)據(jù)工具的終端無(wú)法再適用,更高性能的電力物聯(lián)網(wǎng)終端的計(jì)算芯片可以支持復(fù)雜的計(jì)算需求,如人工智能算法等。隨著數(shù)據(jù)量的進(jìn)一步增多,計(jì)算芯片的性能要求將會(huì)變高,這也是未來(lái)電力物聯(lián)網(wǎng)終端的發(fā)展趨勢(shì)。
1)用電量預(yù)測(cè)
用電量的預(yù)測(cè)即通過(guò)以往的數(shù)據(jù),基于人工智能等算法,預(yù)測(cè)用電的發(fā)展趨勢(shì)。電量的預(yù)測(cè)可以使得電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)部門(mén)提前預(yù)知用電的負(fù)荷量,尤其是用電量高發(fā)的季節(jié),做好預(yù)備方案,降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn),為城市居民用電提供保障。同時(shí),對(duì)于一天的用電量也可以進(jìn)行分析,通過(guò)調(diào)整價(jià)格等方法,來(lái)引導(dǎo)用戶(hù),產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益,避免形成用電高峰期,減輕線(xiàn)網(wǎng)的壓力。
2)線(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化
變電站的設(shè)點(diǎn)或者輸電線(xiàn)路的安全不合理同樣會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行商成本增加。由于供電的環(huán)境可能會(huì)發(fā)生改變,供電區(qū)域的密度以及區(qū)域的走向可能會(huì)發(fā)生變化。如隨著人口的遷移,農(nóng)村的供電面積在不斷的減少,供電的密度也在不斷減少。通過(guò)電力物聯(lián)網(wǎng)的智能感知技術(shù),可以基于用電數(shù)據(jù),對(duì)線(xiàn)網(wǎng)的規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化,降低運(yùn)營(yíng)成本,便于管理。
3)異常提醒
用戶(hù)的用電或者某一個(gè)地區(qū)的用電通常情況不會(huì)發(fā)生太大的變化,如果發(fā)生明顯的變動(dòng)很大程度上可以說(shuō)明用電異常,可能會(huì)發(fā)生安全隱患。智能感知技術(shù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理,對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)。
4)家庭智慧用電
由于電網(wǎng)存儲(chǔ)有家庭用電的信息,智能感知技術(shù)可以用來(lái)使得家庭用電更加智慧。一方面,對(duì)于電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)人員,對(duì)家庭用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以做出決策,緩解高峰時(shí)期的用電狀況。另外一方面,對(duì)于用戶(hù),數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以指導(dǎo)如何合理地用電才能最節(jié)約,最安全。
1)變電站故障檢測(cè)
對(duì)于輸電線(xiàn)路以及變電站等特殊場(chǎng)合,由于距離長(zhǎng),范圍大,檢查耗費(fèi)的人力成本,時(shí)間成本大,且環(huán)境危險(xiǎn),利用智能感知技術(shù)進(jìn)行處理先得更加重要,對(duì)輸電環(huán)節(jié)進(jìn)行故障檢測(cè),及時(shí)維修,確保輸電網(wǎng)能夠正常運(yùn)行。
2)數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)
用戶(hù)的用電數(shù)據(jù)屬于隱私數(shù)據(jù),因此在進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)該最大程度地保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私,確保數(shù)據(jù)能夠安全存儲(chǔ)。智能感知技術(shù)可以在保證數(shù)據(jù)隱私與安全的同時(shí),有效地利用大數(shù)據(jù)帶來(lái)的信息,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
3)遠(yuǎn)程操控
由于電力物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,遠(yuǎn)程操控在電力物聯(lián)網(wǎng)中的地位越來(lái)越重要。智能感知的系統(tǒng)架構(gòu)中,云—邊—端的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效地部署遠(yuǎn)程操控的技術(shù),利用智能感知的結(jié)果,遠(yuǎn)程實(shí)施相應(yīng)的決策,達(dá)到快速相應(yīng)的目的。
本文主要對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)的概念以及電力物聯(lián)網(wǎng)中存在的智能感知技術(shù)進(jìn)行介紹,從系統(tǒng)層面、網(wǎng)絡(luò)層面、算法層面以及硬件層面對(duì)智能感知的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析,最后介紹了電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。
電力物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)是電力行業(yè)的發(fā)展方向,并且隨著硬件與軟件水平的不斷進(jìn)步,智能感知技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用將更加廣泛,以支撐更加豐富的電力應(yīng)用場(chǎng)景,提高電網(wǎng)設(shè)備的工作效率,為用戶(hù)提供智能化的用電服務(wù)和體驗(yàn),帶動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。