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        重點! 最全面能源互聯網技術解析

        中國電力網訊

        能源物聯網(IoT)是智慧能源互聯網(EoI)變革的重要支撐技術之一,低功耗廣域網(LPWA)物聯網技術在智慧能源互聯網領域將起到關鍵作用。能源電力領域小數據眾多,包括用戶側數據、電力系統邊緣數據和智慧能源新技術及新業務數據等。

        這些數據包括電氣量和非電氣量,需要根據LPWA技術特點界定其適用范圍,全新規劃業務需求和模型。同時,物聯網安全需要從終端接入、數據傳輸和平臺安全全面考慮。智慧能源互聯網的市場化、高效化和清潔化發展創新了眾多新的能源業務場景,對能源物聯網的需求將會十分顯著。

        隨著信息、連接和計算為主導的新一輪信息技術革命的興起,M-ICT技術在各個行業掀起了變革的浪潮。新能源技術革命與此深度融合,在能源電力領域形成了“能源互聯網”的革命性發展新趨勢。能源互聯網使得傳統能源電力的開發、輸運、存儲、交易、使用等均發生革命性的變化;使得能源電力向開放、對等、共享、高效、清潔、可持續方向發展。

        能源互聯網需要海量的數據連接支持。這些海量數據具備“小數據”特征,包括:業務相關性強;連接難,分布廣,分散性強且不易供電;數據價值密度低,需要大數據技術分析;狀態變化緩慢穩定,采集頻次低;越限影響大,日常關注度低。伴隨著“萬物互聯”的需求,各種物聯網技術層出不窮。物聯網時代將有數百億物體接入網絡中,傳統的接入技術有近距離無線接入技術和移動蜂窩網技術兩類,這兩類技術都有其優勢與不足。

        前者包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee等,提供近距離高速快速接入的能力;后者是移動蜂窩網技術,滿足大范圍移動語音/數據的接入需要。這兩種技術在功耗、成本、覆蓋廣度深度等方面受到限制,這兩類技術均無法為小數據的連接提供理想的解決方案。像智能表計這樣的萬物互聯的小數據連接需求,催生了低功耗廣域(LPWA)技術的興起。

        LPWA技術及CLAA物聯網方案

        LPWA是一種能適配機器到機器(M2M)的業務,具有流量小,連接數量大等特性,可形成一張廣覆蓋、低速率、低功耗和低成本的無線接入網絡。物聯網應用呈現“碎片化的大市場”特點,物聯網的發展本身就是多種技術的綜合利用和融合發展。當前階段,LPWA技術體系較多,常見的包括由第3代合作伙伴計劃(3GPP)定義的基于授權頻段的LPWA技術,如基于長期演進(LTE)空口優化的增強機器類型通信(eMTC)、窄帶物聯網(NB-IoT)技術,基于非授權頻段的LoRa、Sigfox等。針對LPWA物聯網的4個典型技術特點和應用碎片化的現實,如何根據不同的LPWA技術特點,選擇合適的技術體系,解決物聯網建網成本、功耗、覆蓋、部署等一系列問題成為重要的研究方向。

        為此,LoRa技術所有者Semtech、中興通訊在LoRa聯盟的支持下,聯合中國數百家各類有志于LPWA物聯網的合作伙伴,成立了中國LoRa應用聯盟(CLAA),并由中興通訊為主開發了CLAA物聯網絡解決方案,嘗試解決此關鍵網絡部署難題。

        除了感知技術、連接技術、平臺技術之外,物聯網技術和云計算技術、大數據技術、人工智能技術進一步融合發展。未來的物聯網業務將是物聯網、云計算和大數據等信息技術的融合應用[4]。CLAA物聯網采用一網共平臺多業務的思路建設物聯網生態系統,借助互聯網思維,融合云化技術,構建了CLAA物聯網方案。

        CLAA物聯網架構的相關網元包括:終端注冊中心(JS),實現終端接入認證、密鑰生成功能;多業務平臺(MSP),實現LoraWAN媒體接入控制(MAC)功能、數據加解密功能和應用數據上下行分發功能;網絡管理系統(NMS),實現對整個CLAA網絡的管理;位置計算服務器(LCS),實現定位服務能力;客服和營帳系統(BOSS),實現CLAA業務的開通運營功能;IWG(LoraWAN基站),實現LoRa物理層功能。

        CLAA物聯網具備區別于傳統“小無線”、移動蜂窩網等無線接入網絡的顯著特點

        (1)分層解耦,靈活方便。CLAA網絡區別于傳統小無線項目型無線物聯網系統,把應用、運營、網絡、終端解耦,實現專業分工,并融合了傳統蜂窩網絡的運營優勢,賦予用戶自主性、靈活性(用戶可根據需要像購置移動蜂窩網終端(手機等)一樣,隨時隨地部署傳感終端,采集所需數據)。傳感和應用廠商則可以專注終端和應用開發,實現規模發展,更能發揮優勢。

        (2)統一的網絡標準,實現運營級的LPWA物聯網網絡。CLAA物聯網在LoRaWAN協議的基礎上,參考電信運營商網絡標準和相關協議,定義了基于LoRa技術的運營級物聯網網絡標準和網絡協議,為可規模化運營的LPWA物聯網建設和發展提供統一的標準和協議基礎,實現一張網多業務共享,靈活方便;實現運營級的LPWA物聯網網絡建設和運營。

        目前已經發布的標準和協議包括:《CLAA對中國470-510頻段的使用網絡技術要求》、《CLAA碼號命名規范及原則》、《CLAA對LoRaWAN的MAC命令擴展規范》、《CLAA對網絡運營商服務器外部服務接口定義》4個相關標準協議,版本根據商用示范項目運行情況和CLAA物聯網開發情況持續更新。

        (3)網絡實現方案為采用彈性云端、全網服務。CLAA物聯網的網絡實現充分采用當前先進的云計算技術,采用彈性云端、全網服務的方案。CLAA物聯網的云端服務網絡功能(核心網)部署在公用或專有云端服務器,所有CLAA網絡節點(CLAA基站)和應用業務均可通過互聯網或行業專網與云端服務器連接,組成統一的物聯網網絡。CLAA物聯網云端網絡服務的部署規模則是彈性的,可根據物聯網基站部署數量、傳感終端接入數量、業務應用系統接入數量等進行彈性擴充。可實現物聯網網絡的快速部署商用,又能靈活擴展演進。CLAA物聯網為全網服務方案,按照上述統一的網絡標準進行管理,實現一張同平臺多業務的網絡服務。

        (4)工程實現優勢為采用按需部署,即裝即用。CLAA物聯網基站(網關)為小型化即裝即用設備,是輕量級接入物聯網基站。用戶或集成商可根據項目按需部署,而不必等待網絡建設完成才能實現業務部署,業務部署和網絡部署可同步進行。項目后期也可根據需要進行補盲、擴充等網絡建設。物聯網基站僅需現場短時間工程安裝和配置操作便可接入云端網絡服務,快速實現網絡覆蓋。

        (5)獨立式云化應用。傳統物聯網接入和應用,大多按照獨立項目模式進行限定場所、場景的部署,所采集數據也難以云化。CLAA物聯網則為專業應用的獨立式云化應用提供了網絡方案基礎,各類物聯網應用如消防傳感、市政設施、城市環境等數據可實現大眾公有,按需開放的新型商業或管理模式。針對專業行業性的大范圍管理也將提供十分便捷的方案,如物流、消防部門、生產安全管理、物業管理等。可以設想,未來所有建筑、工廠等處的煙感、溫感等傳感器狀態信息均可傳遞到消防部門,對預防火災、火災報警、防災快速反應都將起到不可估量的作用。

        智慧能源物聯網連接需求

        能源互聯網是以互聯網思維和方法構建的新一代多能流集成的綜合能源系統,并實現能源技術和通信信息技術深度融合,從而提升整個能源系統的安全性、可靠性和經濟性,改善系統規劃、運行、管理和服務水平,最終實現能源綠色化、市場化以及用能高效化。通過信息通信技術(ICT)將多種能源系統有機地融合在一起,使各個能源系統共享信息,協調運行,使其智能化和市場化成為可能[5]。在能源互聯網時代,數據采集和連接需要深度下沉,實現廣泛海量的萬物連接,以實現能源開發利用的市場化、高效化、清潔化,滿足大規模隨機間歇性新能源接入能源網絡的調度管理需要。

        能源電力系統已經實現了電力生產業務的關鍵節點數據連接,但是還有海量的“小數據”需要連接支持,實現能源電力系統數據采集的深度下沉。這些海量的“小數據連接”包括3個方面:一是用戶側的能源電力設備,也包括用戶本身(因使用、監測控制、維護等)的連接需要,如工廠供用電及電器、建筑供用電及電器、社區供用電網和家庭電器等;二是傳統能源電力系統的邊緣數據,如電器電纜溫度、設備設施的環境數據、設備狀態數據、資產狀態數據等;三是智慧能源新業務數據的連接,包括分布式發電設施、風力發電、充電樁、風光互補路燈、需求響應、能效管理、節能服務等。

        (1)能源用戶側的小數據連接

        能源電力用戶側包括居民生活、商業、工農生產、基礎設施,同樣也包括用戶本身。居民生活供能系統包括社區網絡和家庭電器,目前此類供電、供氣、供熱等供能設施的居民用戶側數據連接除智能電表外,其他基本處在空白狀態,例如社區及家庭中低壓供電網絡及設施、街邊電氣設備、公共用電電器、家庭取暖/電器/燃氣具、家庭用電供氣管網及附屬設備(開關、閥門等)。在建筑智能化程度較高的商業建筑中,部分供能系統安裝了有限的數據采集系統,如建筑能效監測系統、智能空調系統等,但數據連接依然很不全面,如樓宇供用電網絡和電器,包括配電房、電纜井、母線、各級配電箱、空調暖通設備、泵房、公共照明、IT設備及機房供電、應急照明等,還包括給排水管網,部分商業建筑包括供氣管網。

        能源用戶最重要的是工業企業,中國工業能耗占全社會總能耗的70%以上,工廠供能網絡的數據連接存在相當不足,甚至部分工業供能網絡監測處在空白狀態。諸如管網壓力、溫度等狀態數據,電氣參數如電壓、電流、電量、開關、故障等等大多沒有得到有效連接,特別是和生產不直接相關的供能供電設施及其環境狀態參數,大多處在連接缺失狀態,無法進行全面的能耗能效監測、能源考核,也無法進行智能化、精細化的供能系統管理和維護。機場、公路、供水、排灌、市政等各類基礎設施也是較大的能耗用戶,其用能系統數據連接同樣不容樂觀。用能單位的運行維護檢修人員、居民用戶自身等人員連接同樣缺乏,相關人員無法快速準確獲取能源設備參數,進行快速響應。

        (2)傳統能源電力系統的邊緣小數據連接

        傳統能源電力系統,諸如變電站、電廠的運行生產關鍵數據已經成功實現了廣泛連接,但是變電站、電廠、輸電線路、配電網絡的邊緣小數據卻沒有得到廣泛有效的連接。這些邊緣數據包括電氣設施周邊環境數據,如氣溫、噪聲、水浸、濕度、酸堿度、煙霧、粉塵等;電氣設備狀態數據,如設備溫度、絕緣強度、傾斜狀態、沉降、凝露、污穢等;附屬設施狀態數據,如電纜隧道環境數據、安全防范數據、電氣建筑物狀態數據、周圍地理環境和狀態數據(山體滑坡、地陷);電氣設施的微氣象微氣候數據,如風速、氣溫、濕度、能見度、降水等。

        上述數據均對傳統電力能源設施的正常運行、故障產生、設備壽命、巡視檢修等產生或多或少的影響,相當一部分數據會對能源電力系統的正常運行產生較大威脅,如環境濕度、氣溫變化會導致設備凝露,造成設備絕緣性能下降,易導致電氣設備的短路觸電事故;山體滑坡、地陷導致管網、廠站受到毀壞性威脅。如果能夠對這些邊緣小數據實現廣泛的連接,可以有效進行提前預防、報警和事前處理,防止故障、事故,甚至災害的發生,同樣也能提高日常的巡檢、運維、運行效率。

        (3)智慧能源新業務小數據連接

        智慧能源互聯網的各類新型業務需要廣度和深度的數據連接支持,包括智能表計、碳排放、智能運維、能耗監測、能效管理、需求響應、用戶側電器、分散式充電樁等。能源電力的市場化建設,對各類、各級用戶的精確用能計量數據是基礎;而實時電力市場交易需要高頻智能電表(15min采集一次)的數據支持;分布式光伏發電系統的智能運維,需要采集光伏組件的狀態、并網發電數據和逆變器狀態等,輸配電網等能源網絡的智能運維與此類似;發電預測和虛擬電廠業務需要大范圍的氣象氣候監測;大范圍中小商業和居民的用電需求響應業務,需要通過廣泛的用電電器連接、用戶連接等以實現人、電器、電網、儲能、分布發電等的多維信息交互,進行需求響應互動操作;碳市場交易所需的廣泛的清潔能源發電和碳排放監測數據,如采集大量分布式發電的發電量數據,打包后可參與碳市場交易,包括分布式光伏、分布式風力發電、分散型風/光互補小型發電系統等。

        能源電力物聯網的數據類型

        (1)電氣參數

        ?交流量:交流電氣系統中的交流電量參數,包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數和頻率等。交流電量參數是反映電氣回路、電器設備運行狀態的基本參數,可用于故障判斷、電氣保護、狀態指示、參數計算、自動控制和反饋等。在電子信息系統中,一個交流電量參數可以作為一個模擬量,我們用4Byte的浮點數表示。

        ?直流量:直流電氣系統中的直流電氣參數包括直流電壓、直流電流、直流功率等,是反映直流電氣回路和直流電器設備的基本參數,可用于狀態監測、故障和保護、參數計算、自動控制和反饋等。在電子信息系統中,一個直流電量參數可以作為一個模擬量,用4Byte的浮點數表示。

        ?開關量:在交流或直流系統中的開關量參數是一個表示開關位置的數字量,如斷路器位置、刀閘位置、開關分合、行程開關位置等,一般用1位比特表示一個位置狀態,一臺電氣設備一般有多個位置信號,如斷路器的分位、合位、故障位、儲能位等。

        ?狀態量:反映電氣系統或設備的工況狀態的信號量,一般是參數變化反映的某一狀態,如交直流量越限報警、壓力濃度等模擬量越限狀態、元件故障狀態報警、設備在線狀態、鏈路狀態等,一般用1位比特表示。

        ?控制量:控制量用于電氣設備的遠程或自動控制,是計算機系統軟件、人機操作界面、自動控制開關等根據程序或人工主動發出的控制量信號,完成設備的啟停、開關、狀態切換等控制操作,一般采用1位比特來表示。

        (2)非電量參數

        ?模擬量:能源電力系統中模擬量普遍存在,種類繁多,常見的非電量模擬量有溫度、濕度、壓力、速度、加速度、濃度、液位、位移、應力、形變、垂直度、水平度等。各種模擬量在能源電力系統中生產運行、狀態監測、故障診斷、檢修維護等均起到重要作用,是重要的物聯網數據連接領域之一,一個模擬量一般用4Byte的浮點數表示。

        ?狀態量:非電量狀態是指能源電力系統中非電氣設備的狀態量參數,如模擬量越限、越位、就位、故障、突變等,這些狀態量對能源電力系統的多個業務如巡檢、故障預防、檢修搶險、設備運行等都是關鍵信號,是重要的物聯網數據連接領域之一,一個狀態量用1位比特表示。

        (3)其他類型參數

        ?計量數據:計量數據在能源電力生產運行和經營業務中是基礎數據之一,包括供應商和用戶間的結算、公司內的效率效益考核、生產線的配方配料等業務,計量數據均是基礎信息。計量數據包括電表有功電量、無功電量、水量、氣量、熱量、體積、重量、計數等,一般一個計量數據采用4Byte的浮點數表示。

        ?檔位數據:在能源電力系統中,有一類設備可以進行輸入或輸出的多梯度或線性調節,為系統提供靈活的適應能力,如變壓器的檔位調節、閥門的流量調節等。檔位數據包括當前檔位信息和換擋指令信息,前者反饋當前設備的運行檔位,后者對設備運行檔位進行調整,檔位信息根據不同的設備采用1個或多個Byte表示。

        能源電力物聯網的業務模式

        能源電力物聯網的數據連接業務模式根據其不同的應用業務場景、不同的數據通信協議有所不同。如監測業務、故障診斷業務、遠程控制調度業務等對數據連接的需求和方式不同。不同的工業通信協議、電力通信協議也規定了不同的數據連接方式,包括常見的ModbusRTU/ASSIC協議、CAN-BUS協議、M-Bus、DNP、CDT/XT9702、IEC60870-5-101/102/103/104規約、IEC61850系列協議、廠商自定義協議等。這些不同的通信協議/規約對能源電力物聯網的業務模式產生不同的影響和需求。

        基于LoRa技術的CLAA物聯網在傳感終端側有3種工作模式:CLASSA、CLASSB、CLASSC。CLASSA模式傳感器定時上傳數據,在每次傳送數據后預留接收基站下行數據時隙窗口,可以響應主站端指令,功耗最低;CLASSB在每次上報數據時或定時開啟接收基站下行數據的時隙窗口,響應主站端指令更靈活,功耗略多一點;CLASSC實時偵聽基站指令,隨時接收指令,響應性最強,但犧牲了低功耗優勢。

        分析不同的應用業務場景和相關通信規約的影響,結合CLAA物聯網規范,從傳感終端側角度,能源電力物聯網的數據連接業務模式可分為主動上報數據、被召喚數據、下行控制數據3類,每種類別又可以根據響應時間、使用環境、數據流量等進行細分。

        ?主動上報:傳感器時間觸發方式上報數據,如定時、參數越限、狀態改變、開關狀態等事件。其中定時上報數據的方式最為常見,根據LPWA物聯網技術的特點,一般少則10多分鐘,多則數小時或每天上報一次數據。也可以采用定時和其他條件結合的觸發上報模式,定時上報可以定期更新監測傳感器工作狀態,其他條件觸發滿足意外或重要事件的及時響應,如能源電力的廠站屋頂和設備處的消防報警器,平時每天上報一次自檢數據,表明自身的工作狀態,當有消防險情時,溫感煙感越限要及時(數秒內)上報險情,通知相關系統或人員快速處理。這種模式是CLAA網絡的主要支持方式,大部分CLAA物聯網傳感終端采用這種業務模式。

        ?被召喚上報數據:一些應用業務場景和通信協議采用主站端召喚方式獲取傳感終端數據,傳感終端被動響應主站召喚上傳數據。此類業務模式讓主站端具備物聯通信數據采集的調度管理功能,主站可以根據系統業務需要,采用定時、條件觸發等方式主動召喚所需傳感終端數據,滿足業務功能。這種業務模式需要傳感終端在線監測通過CLAA物聯網微基站傳遞的主站召喚指令,傳感終端需要采用CLASSC模式工作,犧牲低功耗的優勢。在傳感終端工作在CLASSA、CLASSB模式時,主站的召喚指令需要等待傳感終端打開接收時隙窗口時才能得到響應。

        ?下行控制數據:類似智能路燈、建筑照明、水泵監測控制等應用,需要遠程控制功能,還有一些應用場景遠程主站根據業務需要對傳感終端進行參數修改、定值設定,傳感終端需要響應主站通過物聯網微基站傳遞的遠程控制指令或參數定值。傳感終端在CLASSA、CLASSB、CLASSC3種工作模式下均可實現對下行數據的接收響應,可以根據不同的業務場景和需求選擇不同的工作模式

        數據流量和采集頻次

        不同的傳感業務需求、傳輸的數據流量不同,數據傳輸速率根據數據類型和采集頻次確定。CLAA物聯網IWG200微基站具備8個并行的下行通道和1個上行通道,每個通道數據傳輸速率300bit/s~5.5kbit/s,傳感終端在不同的網絡位置,信號強弱不同,數據速率有所差異。CLAA網絡協議中規定了數據幀頭、終端地址、版本、校驗等內容,這部分網絡開銷約30Byte左右。在不同的網絡環境中,根據設置的不同擴頻因子(SF),有效載荷最大值不同:SF為12時,有效載荷約50Byte;SF為7時,有效載荷約220Byte。

        不同的傳感類型、數據類型和應用通信協議有效載荷值不同。例如,采用ModbusRTU協議,最小有效載荷值可以為6個Byte(地址1Byte、功能碼1Byte、長度值1Byte、內容1Byte、CRC校驗2Byte),可以傳輸8位狀態量或開關量;有效載荷值最大可以為260Byte左右,可以傳輸約60個4Byte浮點數模擬量(交流量、直流量)。典型應用如智能路燈,每盞路燈監測包括單相電壓、電流、功率、頻率、功率因數5個模擬量,監測開燈狀態、故障指示等多個狀態數字量(建議用1個Byte,8位狀態量),這樣智能路燈監測控制每次上傳數據有效載荷約26Byte,加上網絡開銷,每次智能路燈控制終端與基站之間傳送的數據包大小不到60Byte。這樣即使在CLAA網絡基站邊緣側,采用SF為12也可以一次完成數據傳送。

        在能源電力物聯網應用中,改變傳統有線連接的數據采集方式,全新考慮業務需求,詳細核算數據包大小。通過重新規劃業務模型,采用相關技術方法盡可能減少數據傳送頻次和數據包大小。例如采用2Byte整數配合固定系數的方式采集模擬量(交直流電量);采用越限觸發上送模擬量數據的傳送模式,或者僅傳送越限相對值(如絕對值、比例值等);數秒傳送一次改變為數分鐘或數小時傳送一次;設備在非工作時間停止或大幅降低傳送數據的頻次(如白天的路燈)。通過改變業務模式和相關的一些技術方法,可大幅提升網絡效率,提升網絡容量,提升物聯網網絡的可用性。

        物聯網安全

        2016年10月,發生在美國的借助物聯網設備發動的大規模網絡攻擊造成了美國上千家大網站集體“掉線”。這一事件引起了廣泛的討論,物聯網安全也受到了相關物聯網企業和用戶的普遍重視。物聯網安全包括終端安全、數據傳輸安全、網絡管理及運營平臺安全、應用服務平臺安全等方面。

        物聯網各環節的安全風險和防范涉及到整個物聯網生態,發生安全事件可能導致較大的運營、生產和生活影響,嚴重時可能導致事故,對社會造成巨大影響。因此,物聯網安全需要全力關注,做好全面的安全防范工作,也需要物聯網生態鏈內的企業、用戶、運營商等多方參與,共同完善安全解決方案。

        能源物聯網可以為智慧能源的許多應用場景提供基礎的數據連接,實現智慧能源系統的市場化、高效化、清潔化開發應用。可以通過能源物聯網連接各種各樣的用電電器,采集電器運行參數,如電量、功率等,實現工業、建筑等能耗監測,實現能效管理功能,促進節能降耗,輔助實現能源電力的高效化消費。通過大范圍的城區電力用戶大功率電器的物聯網連接,為大范圍城區電力用戶參與電網需求側相應提供基礎數據連接。在新能源領域,能源物聯網可以為分布式發電系統,分散的離網型微型新能源系統,如風光互補路燈、風光互補監測控制、光伏揚水等提供幾乎不受地域范圍限制的數據連接,實現新能源系統的智能監測控制、智能運維、發電預測等功能。

        以LoRa技術為代表的LPWA物聯網技術,因其廣泛覆蓋、超低功耗、較低的價格和海量接入的能力優勢,極大地釋放能源電力運營數據采集需求,使得海量低成本的能源電力傳感器部署成為可能。CLAA物聯網方案提出了互聯網思維的運營級物聯網建設新思路,為LPWA物聯網的多方共同參與、互利共贏提供了生態鏈平臺。能源電力領域中,致力于創新業務,快速獲取能源電力數據的各方可以快速布網,連接所需數據,這必將為智慧能源互聯網的發展提供強大助力。


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        發布時間:2018-12-24   來源:中國電力網

        中國電力網訊

        能源物聯網(IoT)是智慧能源互聯網(EoI)變革的重要支撐技術之一,低功耗廣域網(LPWA)物聯網技術在智慧能源互聯網領域將起到關鍵作用。能源電力領域小數據眾多,包括用戶側數據、電力系統邊緣數據和智慧能源新技術及新業務數據等。

        這些數據包括電氣量和非電氣量,需要根據LPWA技術特點界定其適用范圍,全新規劃業務需求和模型。同時,物聯網安全需要從終端接入、數據傳輸和平臺安全全面考慮。智慧能源互聯網的市場化、高效化和清潔化發展創新了眾多新的能源業務場景,對能源物聯網的需求將會十分顯著。

        隨著信息、連接和計算為主導的新一輪信息技術革命的興起,M-ICT技術在各個行業掀起了變革的浪潮。新能源技術革命與此深度融合,在能源電力領域形成了“能源互聯網”的革命性發展新趨勢。能源互聯網使得傳統能源電力的開發、輸運、存儲、交易、使用等均發生革命性的變化;使得能源電力向開放、對等、共享、高效、清潔、可持續方向發展。

        能源互聯網需要海量的數據連接支持。這些海量數據具備“小數據”特征,包括:業務相關性強;連接難,分布廣,分散性強且不易供電;數據價值密度低,需要大數據技術分析;狀態變化緩慢穩定,采集頻次低;越限影響大,日常關注度低。伴隨著“萬物互聯”的需求,各種物聯網技術層出不窮。物聯網時代將有數百億物體接入網絡中,傳統的接入技術有近距離無線接入技術和移動蜂窩網技術兩類,這兩類技術都有其優勢與不足。

        前者包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee等,提供近距離高速快速接入的能力;后者是移動蜂窩網技術,滿足大范圍移動語音/數據的接入需要。這兩種技術在功耗、成本、覆蓋廣度深度等方面受到限制,這兩類技術均無法為小數據的連接提供理想的解決方案。像智能表計這樣的萬物互聯的小數據連接需求,催生了低功耗廣域(LPWA)技術的興起。

        LPWA技術及CLAA物聯網方案

        LPWA是一種能適配機器到機器(M2M)的業務,具有流量小,連接數量大等特性,可形成一張廣覆蓋、低速率、低功耗和低成本的無線接入網絡。物聯網應用呈現“碎片化的大市場”特點,物聯網的發展本身就是多種技術的綜合利用和融合發展。當前階段,LPWA技術體系較多,常見的包括由第3代合作伙伴計劃(3GPP)定義的基于授權頻段的LPWA技術,如基于長期演進(LTE)空口優化的增強機器類型通信(eMTC)、窄帶物聯網(NB-IoT)技術,基于非授權頻段的LoRa、Sigfox等。針對LPWA物聯網的4個典型技術特點和應用碎片化的現實,如何根據不同的LPWA技術特點,選擇合適的技術體系,解決物聯網建網成本、功耗、覆蓋、部署等一系列問題成為重要的研究方向。

        為此,LoRa技術所有者Semtech、中興通訊在LoRa聯盟的支持下,聯合中國數百家各類有志于LPWA物聯網的合作伙伴,成立了中國LoRa應用聯盟(CLAA),并由中興通訊為主開發了CLAA物聯網絡解決方案,嘗試解決此關鍵網絡部署難題。

        除了感知技術、連接技術、平臺技術之外,物聯網技術和云計算技術、大數據技術、人工智能技術進一步融合發展。未來的物聯網業務將是物聯網、云計算和大數據等信息技術的融合應用[4]。CLAA物聯網采用一網共平臺多業務的思路建設物聯網生態系統,借助互聯網思維,融合云化技術,構建了CLAA物聯網方案。

        CLAA物聯網架構的相關網元包括:終端注冊中心(JS),實現終端接入認證、密鑰生成功能;多業務平臺(MSP),實現LoraWAN媒體接入控制(MAC)功能、數據加解密功能和應用數據上下行分發功能;網絡管理系統(NMS),實現對整個CLAA網絡的管理;位置計算服務器(LCS),實現定位服務能力;客服和營帳系統(BOSS),實現CLAA業務的開通運營功能;IWG(LoraWAN基站),實現LoRa物理層功能。

        CLAA物聯網具備區別于傳統“小無線”、移動蜂窩網等無線接入網絡的顯著特點

        (1)分層解耦,靈活方便。CLAA網絡區別于傳統小無線項目型無線物聯網系統,把應用、運營、網絡、終端解耦,實現專業分工,并融合了傳統蜂窩網絡的運營優勢,賦予用戶自主性、靈活性(用戶可根據需要像購置移動蜂窩網終端(手機等)一樣,隨時隨地部署傳感終端,采集所需數據)。傳感和應用廠商則可以專注終端和應用開發,實現規模發展,更能發揮優勢。

        (2)統一的網絡標準,實現運營級的LPWA物聯網網絡。CLAA物聯網在LoRaWAN協議的基礎上,參考電信運營商網絡標準和相關協議,定義了基于LoRa技術的運營級物聯網網絡標準和網絡協議,為可規模化運營的LPWA物聯網建設和發展提供統一的標準和協議基礎,實現一張網多業務共享,靈活方便;實現運營級的LPWA物聯網網絡建設和運營。

        目前已經發布的標準和協議包括:《CLAA對中國470-510頻段的使用網絡技術要求》、《CLAA碼號命名規范及原則》、《CLAA對LoRaWAN的MAC命令擴展規范》、《CLAA對網絡運營商服務器外部服務接口定義》4個相關標準協議,版本根據商用示范項目運行情況和CLAA物聯網開發情況持續更新。

        (3)網絡實現方案為采用彈性云端、全網服務。CLAA物聯網的網絡實現充分采用當前先進的云計算技術,采用彈性云端、全網服務的方案。CLAA物聯網的云端服務網絡功能(核心網)部署在公用或專有云端服務器,所有CLAA網絡節點(CLAA基站)和應用業務均可通過互聯網或行業專網與云端服務器連接,組成統一的物聯網網絡。CLAA物聯網云端網絡服務的部署規模則是彈性的,可根據物聯網基站部署數量、傳感終端接入數量、業務應用系統接入數量等進行彈性擴充。可實現物聯網網絡的快速部署商用,又能靈活擴展演進。CLAA物聯網為全網服務方案,按照上述統一的網絡標準進行管理,實現一張同平臺多業務的網絡服務。

        (4)工程實現優勢為采用按需部署,即裝即用。CLAA物聯網基站(網關)為小型化即裝即用設備,是輕量級接入物聯網基站。用戶或集成商可根據項目按需部署,而不必等待網絡建設完成才能實現業務部署,業務部署和網絡部署可同步進行。項目后期也可根據需要進行補盲、擴充等網絡建設。物聯網基站僅需現場短時間工程安裝和配置操作便可接入云端網絡服務,快速實現網絡覆蓋。

        (5)獨立式云化應用。傳統物聯網接入和應用,大多按照獨立項目模式進行限定場所、場景的部署,所采集數據也難以云化。CLAA物聯網則為專業應用的獨立式云化應用提供了網絡方案基礎,各類物聯網應用如消防傳感、市政設施、城市環境等數據可實現大眾公有,按需開放的新型商業或管理模式。針對專業行業性的大范圍管理也將提供十分便捷的方案,如物流、消防部門、生產安全管理、物業管理等。可以設想,未來所有建筑、工廠等處的煙感、溫感等傳感器狀態信息均可傳遞到消防部門,對預防火災、火災報警、防災快速反應都將起到不可估量的作用。

        智慧能源物聯網連接需求

        能源互聯網是以互聯網思維和方法構建的新一代多能流集成的綜合能源系統,并實現能源技術和通信信息技術深度融合,從而提升整個能源系統的安全性、可靠性和經濟性,改善系統規劃、運行、管理和服務水平,最終實現能源綠色化、市場化以及用能高效化。通過信息通信技術(ICT)將多種能源系統有機地融合在一起,使各個能源系統共享信息,協調運行,使其智能化和市場化成為可能[5]。在能源互聯網時代,數據采集和連接需要深度下沉,實現廣泛海量的萬物連接,以實現能源開發利用的市場化、高效化、清潔化,滿足大規模隨機間歇性新能源接入能源網絡的調度管理需要。

        能源電力系統已經實現了電力生產業務的關鍵節點數據連接,但是還有海量的“小數據”需要連接支持,實現能源電力系統數據采集的深度下沉。這些海量的“小數據連接”包括3個方面:一是用戶側的能源電力設備,也包括用戶本身(因使用、監測控制、維護等)的連接需要,如工廠供用電及電器、建筑供用電及電器、社區供用電網和家庭電器等;二是傳統能源電力系統的邊緣數據,如電器電纜溫度、設備設施的環境數據、設備狀態數據、資產狀態數據等;三是智慧能源新業務數據的連接,包括分布式發電設施、風力發電、充電樁、風光互補路燈、需求響應、能效管理、節能服務等。

        (1)能源用戶側的小數據連接

        能源電力用戶側包括居民生活、商業、工農生產、基礎設施,同樣也包括用戶本身。居民生活供能系統包括社區網絡和家庭電器,目前此類供電、供氣、供熱等供能設施的居民用戶側數據連接除智能電表外,其他基本處在空白狀態,例如社區及家庭中低壓供電網絡及設施、街邊電氣設備、公共用電電器、家庭取暖/電器/燃氣具、家庭用電供氣管網及附屬設備(開關、閥門等)。在建筑智能化程度較高的商業建筑中,部分供能系統安裝了有限的數據采集系統,如建筑能效監測系統、智能空調系統等,但數據連接依然很不全面,如樓宇供用電網絡和電器,包括配電房、電纜井、母線、各級配電箱、空調暖通設備、泵房、公共照明、IT設備及機房供電、應急照明等,還包括給排水管網,部分商業建筑包括供氣管網。

        能源用戶最重要的是工業企業,中國工業能耗占全社會總能耗的70%以上,工廠供能網絡的數據連接存在相當不足,甚至部分工業供能網絡監測處在空白狀態。諸如管網壓力、溫度等狀態數據,電氣參數如電壓、電流、電量、開關、故障等等大多沒有得到有效連接,特別是和生產不直接相關的供能供電設施及其環境狀態參數,大多處在連接缺失狀態,無法進行全面的能耗能效監測、能源考核,也無法進行智能化、精細化的供能系統管理和維護。機場、公路、供水、排灌、市政等各類基礎設施也是較大的能耗用戶,其用能系統數據連接同樣不容樂觀。用能單位的運行維護檢修人員、居民用戶自身等人員連接同樣缺乏,相關人員無法快速準確獲取能源設備參數,進行快速響應。

        (2)傳統能源電力系統的邊緣小數據連接

        傳統能源電力系統,諸如變電站、電廠的運行生產關鍵數據已經成功實現了廣泛連接,但是變電站、電廠、輸電線路、配電網絡的邊緣小數據卻沒有得到廣泛有效的連接。這些邊緣數據包括電氣設施周邊環境數據,如氣溫、噪聲、水浸、濕度、酸堿度、煙霧、粉塵等;電氣設備狀態數據,如設備溫度、絕緣強度、傾斜狀態、沉降、凝露、污穢等;附屬設施狀態數據,如電纜隧道環境數據、安全防范數據、電氣建筑物狀態數據、周圍地理環境和狀態數據(山體滑坡、地陷);電氣設施的微氣象微氣候數據,如風速、氣溫、濕度、能見度、降水等。

        上述數據均對傳統電力能源設施的正常運行、故障產生、設備壽命、巡視檢修等產生或多或少的影響,相當一部分數據會對能源電力系統的正常運行產生較大威脅,如環境濕度、氣溫變化會導致設備凝露,造成設備絕緣性能下降,易導致電氣設備的短路觸電事故;山體滑坡、地陷導致管網、廠站受到毀壞性威脅。如果能夠對這些邊緣小數據實現廣泛的連接,可以有效進行提前預防、報警和事前處理,防止故障、事故,甚至災害的發生,同樣也能提高日常的巡檢、運維、運行效率。

        (3)智慧能源新業務小數據連接

        智慧能源互聯網的各類新型業務需要廣度和深度的數據連接支持,包括智能表計、碳排放、智能運維、能耗監測、能效管理、需求響應、用戶側電器、分散式充電樁等。能源電力的市場化建設,對各類、各級用戶的精確用能計量數據是基礎;而實時電力市場交易需要高頻智能電表(15min采集一次)的數據支持;分布式光伏發電系統的智能運維,需要采集光伏組件的狀態、并網發電數據和逆變器狀態等,輸配電網等能源網絡的智能運維與此類似;發電預測和虛擬電廠業務需要大范圍的氣象氣候監測;大范圍中小商業和居民的用電需求響應業務,需要通過廣泛的用電電器連接、用戶連接等以實現人、電器、電網、儲能、分布發電等的多維信息交互,進行需求響應互動操作;碳市場交易所需的廣泛的清潔能源發電和碳排放監測數據,如采集大量分布式發電的發電量數據,打包后可參與碳市場交易,包括分布式光伏、分布式風力發電、分散型風/光互補小型發電系統等。

        能源電力物聯網的數據類型

        (1)電氣參數

        ?交流量:交流電氣系統中的交流電量參數,包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數和頻率等。交流電量參數是反映電氣回路、電器設備運行狀態的基本參數,可用于故障判斷、電氣保護、狀態指示、參數計算、自動控制和反饋等。在電子信息系統中,一個交流電量參數可以作為一個模擬量,我們用4Byte的浮點數表示。

        ?直流量:直流電氣系統中的直流電氣參數包括直流電壓、直流電流、直流功率等,是反映直流電氣回路和直流電器設備的基本參數,可用于狀態監測、故障和保護、參數計算、自動控制和反饋等。在電子信息系統中,一個直流電量參數可以作為一個模擬量,用4Byte的浮點數表示。

        ?開關量:在交流或直流系統中的開關量參數是一個表示開關位置的數字量,如斷路器位置、刀閘位置、開關分合、行程開關位置等,一般用1位比特表示一個位置狀態,一臺電氣設備一般有多個位置信號,如斷路器的分位、合位、故障位、儲能位等。

        ?狀態量:反映電氣系統或設備的工況狀態的信號量,一般是參數變化反映的某一狀態,如交直流量越限報警、壓力濃度等模擬量越限狀態、元件故障狀態報警、設備在線狀態、鏈路狀態等,一般用1位比特表示。

        ?控制量:控制量用于電氣設備的遠程或自動控制,是計算機系統軟件、人機操作界面、自動控制開關等根據程序或人工主動發出的控制量信號,完成設備的啟停、開關、狀態切換等控制操作,一般采用1位比特來表示。

        (2)非電量參數

        ?模擬量:能源電力系統中模擬量普遍存在,種類繁多,常見的非電量模擬量有溫度、濕度、壓力、速度、加速度、濃度、液位、位移、應力、形變、垂直度、水平度等。各種模擬量在能源電力系統中生產運行、狀態監測、故障診斷、檢修維護等均起到重要作用,是重要的物聯網數據連接領域之一,一個模擬量一般用4Byte的浮點數表示。

        ?狀態量:非電量狀態是指能源電力系統中非電氣設備的狀態量參數,如模擬量越限、越位、就位、故障、突變等,這些狀態量對能源電力系統的多個業務如巡檢、故障預防、檢修搶險、設備運行等都是關鍵信號,是重要的物聯網數據連接領域之一,一個狀態量用1位比特表示。

        (3)其他類型參數

        ?計量數據:計量數據在能源電力生產運行和經營業務中是基礎數據之一,包括供應商和用戶間的結算、公司內的效率效益考核、生產線的配方配料等業務,計量數據均是基礎信息。計量數據包括電表有功電量、無功電量、水量、氣量、熱量、體積、重量、計數等,一般一個計量數據采用4Byte的浮點數表示。

        ?檔位數據:在能源電力系統中,有一類設備可以進行輸入或輸出的多梯度或線性調節,為系統提供靈活的適應能力,如變壓器的檔位調節、閥門的流量調節等。檔位數據包括當前檔位信息和換擋指令信息,前者反饋當前設備的運行檔位,后者對設備運行檔位進行調整,檔位信息根據不同的設備采用1個或多個Byte表示。

        能源電力物聯網的業務模式

        能源電力物聯網的數據連接業務模式根據其不同的應用業務場景、不同的數據通信協議有所不同。如監測業務、故障診斷業務、遠程控制調度業務等對數據連接的需求和方式不同。不同的工業通信協議、電力通信協議也規定了不同的數據連接方式,包括常見的ModbusRTU/ASSIC協議、CAN-BUS協議、M-Bus、DNP、CDT/XT9702、IEC60870-5-101/102/103/104規約、IEC61850系列協議、廠商自定義協議等。這些不同的通信協議/規約對能源電力物聯網的業務模式產生不同的影響和需求。

        基于LoRa技術的CLAA物聯網在傳感終端側有3種工作模式:CLASSA、CLASSB、CLASSC。CLASSA模式傳感器定時上傳數據,在每次傳送數據后預留接收基站下行數據時隙窗口,可以響應主站端指令,功耗最低;CLASSB在每次上報數據時或定時開啟接收基站下行數據的時隙窗口,響應主站端指令更靈活,功耗略多一點;CLASSC實時偵聽基站指令,隨時接收指令,響應性最強,但犧牲了低功耗優勢。

        分析不同的應用業務場景和相關通信規約的影響,結合CLAA物聯網規范,從傳感終端側角度,能源電力物聯網的數據連接業務模式可分為主動上報數據、被召喚數據、下行控制數據3類,每種類別又可以根據響應時間、使用環境、數據流量等進行細分。

        ?主動上報:傳感器時間觸發方式上報數據,如定時、參數越限、狀態改變、開關狀態等事件。其中定時上報數據的方式最為常見,根據LPWA物聯網技術的特點,一般少則10多分鐘,多則數小時或每天上報一次數據。也可以采用定時和其他條件結合的觸發上報模式,定時上報可以定期更新監測傳感器工作狀態,其他條件觸發滿足意外或重要事件的及時響應,如能源電力的廠站屋頂和設備處的消防報警器,平時每天上報一次自檢數據,表明自身的工作狀態,當有消防險情時,溫感煙感越限要及時(數秒內)上報險情,通知相關系統或人員快速處理。這種模式是CLAA網絡的主要支持方式,大部分CLAA物聯網傳感終端采用這種業務模式。

        ?被召喚上報數據:一些應用業務場景和通信協議采用主站端召喚方式獲取傳感終端數據,傳感終端被動響應主站召喚上傳數據。此類業務模式讓主站端具備物聯通信數據采集的調度管理功能,主站可以根據系統業務需要,采用定時、條件觸發等方式主動召喚所需傳感終端數據,滿足業務功能。這種業務模式需要傳感終端在線監測通過CLAA物聯網微基站傳遞的主站召喚指令,傳感終端需要采用CLASSC模式工作,犧牲低功耗的優勢。在傳感終端工作在CLASSA、CLASSB模式時,主站的召喚指令需要等待傳感終端打開接收時隙窗口時才能得到響應。

        ?下行控制數據:類似智能路燈、建筑照明、水泵監測控制等應用,需要遠程控制功能,還有一些應用場景遠程主站根據業務需要對傳感終端進行參數修改、定值設定,傳感終端需要響應主站通過物聯網微基站傳遞的遠程控制指令或參數定值。傳感終端在CLASSA、CLASSB、CLASSC3種工作模式下均可實現對下行數據的接收響應,可以根據不同的業務場景和需求選擇不同的工作模式

        數據流量和采集頻次

        不同的傳感業務需求、傳輸的數據流量不同,數據傳輸速率根據數據類型和采集頻次確定。CLAA物聯網IWG200微基站具備8個并行的下行通道和1個上行通道,每個通道數據傳輸速率300bit/s~5.5kbit/s,傳感終端在不同的網絡位置,信號強弱不同,數據速率有所差異。CLAA網絡協議中規定了數據幀頭、終端地址、版本、校驗等內容,這部分網絡開銷約30Byte左右。在不同的網絡環境中,根據設置的不同擴頻因子(SF),有效載荷最大值不同:SF為12時,有效載荷約50Byte;SF為7時,有效載荷約220Byte。

        不同的傳感類型、數據類型和應用通信協議有效載荷值不同。例如,采用ModbusRTU協議,最小有效載荷值可以為6個Byte(地址1Byte、功能碼1Byte、長度值1Byte、內容1Byte、CRC校驗2Byte),可以傳輸8位狀態量或開關量;有效載荷值最大可以為260Byte左右,可以傳輸約60個4Byte浮點數模擬量(交流量、直流量)。典型應用如智能路燈,每盞路燈監測包括單相電壓、電流、功率、頻率、功率因數5個模擬量,監測開燈狀態、故障指示等多個狀態數字量(建議用1個Byte,8位狀態量),這樣智能路燈監測控制每次上傳數據有效載荷約26Byte,加上網絡開銷,每次智能路燈控制終端與基站之間傳送的數據包大小不到60Byte。這樣即使在CLAA網絡基站邊緣側,采用SF為12也可以一次完成數據傳送。

        在能源電力物聯網應用中,改變傳統有線連接的數據采集方式,全新考慮業務需求,詳細核算數據包大小。通過重新規劃業務模型,采用相關技術方法盡可能減少數據傳送頻次和數據包大小。例如采用2Byte整數配合固定系數的方式采集模擬量(交直流電量);采用越限觸發上送模擬量數據的傳送模式,或者僅傳送越限相對值(如絕對值、比例值等);數秒傳送一次改變為數分鐘或數小時傳送一次;設備在非工作時間停止或大幅降低傳送數據的頻次(如白天的路燈)。通過改變業務模式和相關的一些技術方法,可大幅提升網絡效率,提升網絡容量,提升物聯網網絡的可用性。

        物聯網安全

        2016年10月,發生在美國的借助物聯網設備發動的大規模網絡攻擊造成了美國上千家大網站集體“掉線”。這一事件引起了廣泛的討論,物聯網安全也受到了相關物聯網企業和用戶的普遍重視。物聯網安全包括終端安全、數據傳輸安全、網絡管理及運營平臺安全、應用服務平臺安全等方面。

        物聯網各環節的安全風險和防范涉及到整個物聯網生態,發生安全事件可能導致較大的運營、生產和生活影響,嚴重時可能導致事故,對社會造成巨大影響。因此,物聯網安全需要全力關注,做好全面的安全防范工作,也需要物聯網生態鏈內的企業、用戶、運營商等多方參與,共同完善安全解決方案。

        能源物聯網可以為智慧能源的許多應用場景提供基礎的數據連接,實現智慧能源系統的市場化、高效化、清潔化開發應用。可以通過能源物聯網連接各種各樣的用電電器,采集電器運行參數,如電量、功率等,實現工業、建筑等能耗監測,實現能效管理功能,促進節能降耗,輔助實現能源電力的高效化消費。通過大范圍的城區電力用戶大功率電器的物聯網連接,為大范圍城區電力用戶參與電網需求側相應提供基礎數據連接。在新能源領域,能源物聯網可以為分布式發電系統,分散的離網型微型新能源系統,如風光互補路燈、風光互補監測控制、光伏揚水等提供幾乎不受地域范圍限制的數據連接,實現新能源系統的智能監測控制、智能運維、發電預測等功能。

        以LoRa技術為代表的LPWA物聯網技術,因其廣泛覆蓋、超低功耗、較低的價格和海量接入的能力優勢,極大地釋放能源電力運營數據采集需求,使得海量低成本的能源電力傳感器部署成為可能。CLAA物聯網方案提出了互聯網思維的運營級物聯網建設新思路,為LPWA物聯網的多方共同參與、互利共贏提供了生態鏈平臺。能源電力領域中,致力于創新業務,快速獲取能源電力數據的各方可以快速布網,連接所需數據,這必將為智慧能源互聯網的發展提供強大助力。


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