1泛在電力物聯網

泛在電力物聯網誕生前,人們將物聯網的概念局限于互聯網的萬物互聯。萬物互聯形成的所有智能化終端都是一個智能化的電子系統,都帶有一個電源子系統,在提升各種智力功能時,都要有電源管理功能。一些小型的智能終端中,大多使用獨立的電源。在一些大型物聯網應用(如分布式系統、局域網系統的智能家居、工業生產線、電動車充電樁、城市安防系統、城市照明系統)中,它們都會延伸到智能電網,從而帶來復雜的電源管理與用供電管理,并衍生出智能電網對用電側終端設備的感知與控制;加上互聯網技術對智能電網智力提升,實現了其對龐大的電力生產、輸配電、電力調度、安全運營中的所有終端設備的智能互聯,從而形成了一個泛在的電力物聯網。

雙網結構是泛在的電力物聯網特有的結構體系,內網包括發電的電源側與輸、配電的電網側,外網包括用戶側與供應商。內外網有一個共同界面,這個界面就是智能變電站與智能電表,它用于實現供電側對用電側的感知、控制與信息交互。泛在電力物聯網內外網雙網結構體系的形成源于供電、用電的兩個不同的網絡體系。前者屬于強電領域,是一個壟斷的封閉型網絡體系;后者屬于弱電領域,是一個自由的開放型網絡體系。內、外網交互界面中的智能電表采用標準的雙芯結構體系,以應對雙網結構的電力物聯網,用相對獨立的方式實現泛在電力物聯網供電端電量計量與用電端用電管理的安全保障。

2初級階段的泛在電力物聯網

現階段,泛在電力物聯網處于內網建設的初級階段,主要有內網的三型兩網建設、云平臺建設、大數據與數據服務,以及應對新能源的智慧能源服務系統建設等。

（1）三型兩網建設

2019年10月,電網有限公司發布了《泛在電力物聯網白皮書2019》。白皮書中把“三型兩網”建設確定為泛在電力物聯網建設的戰略目標。三型,即樞紐型的智力電網、平臺型的物聯網應用服務與內外網共享型的社會屬性;兩網,即堅強智能電網與泛在電力物聯網。當前,在兩網建設中,在堅強智能電網建設為基礎上,不斷向用電側的物聯網應用擴展。對于物聯網應用的嵌入式系統從業者來說,會注重用電管理相關的應用層、平臺層、網絡層、感知層的基礎建設。

（2）云平臺建設

物聯網誕生后,隨之而來的必然是大數據與云計算,云平臺則是實現云計算服務的重要工具。泛在電力物聯網云平臺建設內容有:變電所運維云平臺、能源管理云平臺、智慧用電云平臺、環保用電監管云平臺、充電樁(電動汽車、自行車)運營管理云平臺、預付費管理云平臺等。可以看出,泛在電力物聯網云平臺建設的集中在智能電網新能源的發電、儲電、并網與供電的負荷應用領域。目前,我國物聯網應用中出現了眾多的云平臺(如阿里云、騰訊云、華為云等),這些都是外網中開放性的云平臺。從電網壟斷性、安全性出發,電網會建設獨立、封閉、由嚴格管控的泛在電力物聯網的云平臺。

（3）大數據與數據服務

萬物互聯后,必然出現大量的感知數據,物聯網、大數據、云計算便成為物聯網+應用中三位一體的重要產業應用模式。

所有用電側的物聯網大系統都會以各種方式與智能電網相連,泛在電力物聯網的感知層會感知眾多用電信息,從而形成電力系統的大數據體系。在這些用電大數據中包含眾多信息,從而形成了一個龐大的數據服務產業。圖1展示了泛在電力物聯網中大數據服務領域與服務內容。這些服務領域與服務內容幾乎涵蓋了與社會生活相關的全部領域與方方面面。

泛在電力物聯網大數據服務中的一個典型應用案例是城市住房空置率的數據統計。所有新建住宅都會安裝智能電表,從智能電表的使用/空閑,以及電量計數可以判斷住房是空置還是在使用中。

智慧能源服務系統建設

當前,泛在電力物聯網的一個重要任務是新能源的應用服務(如風電、光伏分布式能源的發電、并網、電力調度,以及新能源汽車的能源(氫能源電池、動力電地)供應與管理服務等)。圖2是一個用于電動汽車充電的智慧能源服務系統。

未來,眾多新能源都會以電能為核心,無論是發電(風電、光伏)還是能源(氫能、地熱能、潮汐能等)轉換,抑或是能源利用,都少不了電網的支持。圖2展示了一個泛在電力物聯網應對電動汽車充電的內外網、供電用的一個完整體系。

3新一代智能電表的發展趨勢

從傳統計量電表到電力物聯網新型智能電表,其發展的趨勢是:多功能智力平臺構建、眾多半導體廠家參與、三表合一的綜合應用、應對多元化的多功能服務等。

多功能智力平臺構建

為了應對電力物聯網對用電側的智能用電管理,將傳統電能計量表變革到集感知、控制、監測、用電管理為一體,具有通信、交互、顯示功能的一個智力平臺;為了適應未來大數據、云計算的應用,該平臺不僅有良好的智能控制能力,還應有強大的計算能力,以滿足邊緣計算要求。從單一通話功能手機到如今智能手機的演變,我們可以想象一下未來智能電表的發展前景。

（2）眾多半導體廠家積參與

智能電表以MCU為核心,并逐步過渡到能滿足邊緣計算、實時感知與控制的AI芯片。受市場需求吸引,早在十多年前,眾多半導體廠家就積參與了智能電表芯片的開發,如早期ADI公司的ADE系列、飛思卡爾的MZ系列、恩智浦的LPC1700系列、西門子的Blackfin處理器等。眾多國際知名半導體廠家的介入有利于智能電表硬件體系的不斷更新,以及從MCU到AI芯片的更新迭代。

（3）三表合一的綜合應用

為了應對智慧樓宇、智能家居的建設,原有分離的三表 (氣、水、電表)將逐漸走向合一,從而開創多傳感器感知與 智能控制的智慧生活時代。未來,三表合一的綜合計量、AI 芯片的算力提升、邊緣計算的特殊賦能、用電模式的遠程測 控等將大地提升家庭能源應用的智慧化管理水平。

（4）應對多元化的多功能服務

為了應對日益多元化的能源及能源管理,智能電表將 逐漸完善從單向到雙向、從近程到遠程、從通信到控制的 功能進化。例如:

為了應對分布式電源、儲能電源的電網輸送,智能 電表從電網側單向計量變為電網側/用戶側的雙向輸送、 計量、管理與監測功能;

為了應對用供電側的交互功能,新型智能電表必 須具有雙向通信功能,如供電側發出用電信息、用電側發 出請求調控信息的雙向通信功能;

為了應對未來更多外部設備接入帶來電源管理要 求,智能電表會開發出眾多的遙控、遙測功能,未來的智能 電表會成為一個智能化住宅、樓宇用電模式的控制中心。

4智能電表的IR46雙芯體系構建

早期,智能電表結構體系的國際標準IR46(InternationalRecommendation46)由國際法制計量組織(OIML)制定并于2012年10月發布。多年來一直在不斷完善,我國一直遵循該標準。

IR46標準的核心理念是使智能電表向測控平臺發展,實現計量與管理雙芯結構,并保證雙芯的物理分離。雙芯之間只能通過SPI接口進行數據交換。圖3清晰地展示了一個智能電表的標準雙芯結構體系。

計量芯作為獨立的法制計算部分,嚴格管控,不能隨意升級,以確保數據準確可靠、數據可追溯與時鐘的安全性。

管理芯滿足平臺管理要求,實現雙向交互、顯示與通信,用電管理與優化用電模式等。軟件下載與更新不影響計量芯的正常工作,未來還須滿足邊緣計算要求。

雙芯之間依靠SPI總線相連。SPI是主從模式的串行外設接口總線,支持一個或多個Slave設備,廣泛用于MCU和外設模塊連接。這種總線連接方式有效地保證了雙核間相對獨立與安全操作空間。

智能電表雙芯設計理念源于泛在電力物聯網的內外網體系結構,以及內外網不同的狀態。泛在電力物聯網的內網是一個壟斷、封閉、關乎利益與安全的電網,外網則是一個充滿不安全因素、自由、開放的互聯網。雙芯的結構模式可以在確保電網安全與電力用戶數據安全的同時,充分介入用戶端的用電管理,實現與用戶的自由交互,有利于未來智能電表在用戶側的平臺化應用。

5 Acrel-EIOT能源物聯網云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器，選配網關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問。

（2）應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統集成商、小型物業、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數，并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

審核編輯：湯梓紅