浅谈5G网络下电力物联网技术在计量装置监控中的应用选型

 胡冠楠
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：针对电力计量装置故障溯源困难的问题，提出建立基于5G下电力物联网技术的计量装置监控系统，介绍了基础应用方案，分析了应用方案的可行性和预计实施效果，认为方案的实施可以解决电能计量装置的常态化检查问题，从故障事前、事中、事后全面提供给工作人员分析线索，为解决故障溯源提供直接佐证和依据，保障供电企业的经济效益。
关键词：泛在电力物联网；电能计量装置；监控设备；5G

0 引言
       5G技术，即第五代移动通信技术，为新一代蜂窝移动通信技术(ITU IMT-2020规范要求速度高达20Gbit/s)可实现宽信道带宽和大容量MIMOL。5G技术使物物间关联变得更为广泛、方便，加速了电力物联网应用层面的搭建过程。国家电网有限公司2019年做出全面推进“三型两网"建设的重要决策，建设“泛在电力物联网"是落实“三型两网"战略目标的核心任务。电力物联网技术具备全息感知、泛在联接、开放共享、融合创新的特点。在电力营销专业领域，电能计量装置经常受到各种环境、人为、不可抗力等因素影响导致发生故障。通常处理这些故障问题，计量人员只能事后分析，无法得知故障发生时的状况解决根源问题。基于5G技术的电能计量装置监控物联网的建立，提供了一种为电能计量装置故障溯源求本、提质增效的可行性方案。

1 用方案的设计
       从传统技术角度看，典型监控系统由高清摄像头、传输部分、控制部分、记录部分、显示部分五部分组成。从现代物联网技术角度看，基于泛在电力物联网技术的电能计量装置监控包括感知层、网络层、平台层、应用层4个层次，之间通过5G网络进行数据通信。通过感知层、网络层和平台层承载监控数据共享、基础支撑2个方向的建设内容，对计量装置内(计量二次回路、表内)、外部(计量装置本体以外范围)实现了全面监控。
1.1感知层
       电能计量装置监控设施应实现终端标准化统一接人，全面推广实物ID，以及通信、计算等资源共享，在源端实现数据融通和边缘智能。
1.1.1统一感知接入
       感知设备接人管理系统将通过技术性手段，强制实行相关规范，引导统一终端标准，推动跨专业数据同源采集，实现监控数据与配电侧、用电侧采集监控深度覆盖，提升终端智能化和边缘计算水平。统一接人有利于用户侧监控系统响应的稳定性，通过分布在不同方位的传感器实现摄像头及时准确获音频、视频数据。
1.1.2边缘智能处理
       应用实现设备包括：传感器、监控摄像系统、电能表数据读取线路、分布控制中心。传感器安装在电能表、互感器、二次回路、及整个计量装置周边可探测的有效位置，作用是探测异常事件(包括声、光、温度等的变化)，并传递给分布控制中心；监控摄像系统能观察到电能表、互感器、二次回路及整个计量装置，布置在用户配电室或计量杆塔等处；电能表数据线路用于传输表内数据，与控制中心存储正常数据对比；分布控制中心作用是接收传感器传递的信息，调取电能表实时计量参数内进行分析，并作出判断，确定是否与计量装置设备进行数据交互。

1.2 网络层
       网络层可分为接入网、骨干网、业务网、支撑网。接入网，即若干传感器、监控摄像系统与分布控制中心间构成的网络，为主要信息采集人网口，由5G热点无线宽带技术(WIFI、WiMAX等)实现。骨干网，即不同分布控制中心间组成的网络，由5G热点无线宽带技术(wIFI、WiMAX等)实现。业务网，即用电检查员，计量人员、电力用户等为办理各种业务进行信息数据交流沟网，主要为移动App，通信工具等来实现。支撑网，即5G通信网络，主要作是将分布控制中心、186系统、电能采集系统组网支撑平台层的运行。

1.3 平台层
       平台层的实现依托企业中台，共享平台服务能力，支撑电能计量装置的监控系统。通过分布控制中心的互联实现超大规模传感器与监控系统统一物联管理，深化全业务统一数据中心建设。
1.3.1能力开放
       本系统依托分布控制中心构建统一主站(数据中台)，实现各类异常数据“一次采集，多处使用"，挖掘数据价值，建立数据模型，实现能力开放。各用户分布控制中心实现互联，将数据通过数据中台处理，并传至各分布控制中心，实现算法的梳理与升级。然后，通过数据中台处理的数据，面向186系统、与电能采集系统实现共享。
1.3.2 物联管控
       各分布控制中心实现可信互联、安全互动、智能防御，实现了其重要的边缘计算与控制。可信互联，规范泛在电力物联网的终端安全策略管控原则，构建基于密码基础设施的快速、灵活、互认的身份认证机制；安全互动，落实分类授权和数据防泄漏措施，强化App防护、应用审计和安全交互技术，实现“物一物"、“人一物"、“人一人"安全信息互动；智能防御，对物联网安全态势的动态感知、预警信息自动分发、安全威胁智能分析、响应措施联动处置。

1.4 应用层
       该系统的建立，重点是全面支撑核心业务智慧化运营，全面服务能源互联网生态，促进管理提升和业务转型。
1.4.1 客户服务
       优化电力资源配置，在用电环节制止浪费、降低电耗、移峰填谷、促进可再生能源电力消费、减少污染物和温室气体排放，实现节约用电、环保用电、绿色用电、智能用电和有序用电。
1.4.2企业运营
       通过对计量装置的监控，实现对企业设备状态预警、售电量和负荷预测、新能源发电功率预测等应用，提升精益化管理水平，催化企业内部的技术创新、新产品开发，提高生产产品的质量，进而提高企业的经济效益。
1.4.3电网运行
       通过对计量装置的监控，对电网的供电质量能力起到了监测的作用，从而了解电网运行中可能存在的问题和隐患。计量装置中的二次回路对电网供电的反馈非常直接，可以及时发现电网运行中的问题，并且及时的“物一人"互联。
1.4.4 新兴业务
       基于泛在电力物联网的电能计量监控系统的建设改变了传统供用电关系，变成了一种相互信的合作关系，具体新兴业务形式有：峰谷用电提醒、三相负荷调整建议、需求侧分析、总表套表电量差额分析、用电常识培训、紧事件报警等。

2 安科瑞为国家电网2020泛在电力物联网建设提供解决方案

       安科瑞电气深耕用户侧能效管理多年，逐渐完善了从电力物联网云平台到终端传感器的生态体系，在“源（电源）-网（电网）-荷（负荷）-储（储能）"各个环节加大研发投入，已经形成“云（云平台）-管（有线/无线物联）-边（边缘计算）-端（终端设备）"的生态系统，积极参与泛在电力物联网建设，为国家电网建设“三型两网"提供解决方案，使用户在任何时间、地点、人、物之间实现信息连接和交互，产生共享数据，从而为电网、发电、供应商、用户服务。

2.1 云平台
       安科瑞电气近年来已经陆续推出变电所运维云平台、能源管理云平台、智慧安全用电云平台、环保用电监管云平台、充电桩（电动汽车/自行车）运营管理云平台、预付费管理云平台等云平台解决方案等解决方案，并已经广泛应用在多地国网公司用户端业务、环保部门、安监部门、住建部门等。
2.1.1 变电所运维云平台
       据统计全国高供高计的工商业用户数量达到200多万户，规模巨大，但是大部分日常的运行维护工作比较传统，普遍存在人力成本高、工作效率低、故障抢修时间长、风险预防薄弱等问题。国网公司和众多电力运维公司正在抢占这块巨大的市场，这是一个千亿级别的市场。

       AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力仪表、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术，通过智能网关采集现场数据并存储在本地，再定时向云平台推送数据。平台可同时接入数以千计的用户变电站数据。平台采集的数据包括变电所电气参数和环境数据，包括电流电压功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、浸水、烟雾、视频、门禁等信息，有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到Z定人员手机上，并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环，提高运维效率，即时发现运行缺陷并做消缺处理，变电所运维云平台功能一览。

2.1.2 能源管理云平台
       Acrelcloud-5000能耗管理云平台可适用于各个行业，如政府办公建筑、工厂、教育建筑、医疗建筑、商业综合体等，可通过局域网、互联网或者4G网络采集不同区域多个建筑或单位的用能数据。
       平台采集建筑电、水、气、冷热量等能源消耗数据和光伏、风力、储能等新能源数据，对用能数据进行分析，按照区域、部门、用电设备类型进行细分，提供同比、环比分析比较和用能数据追溯，同时可以提供尖峰平谷各时段用能数据和报表，帮助用户梳理能源账单明细和制定能源绩效考核。

2.1.3 环保用电监管云平台
       近年来我们的环境质量有了很大的改善，这都归功于国家层面对环保的重视和环保部门的有力监察执法。安科瑞针对环保监察的痛点研发了环保用电监管系统解决方案，助力环保部门坚决打赢蓝天碧水保卫战。
Acrelcloud-3000环保用电监管平台主要为环保监察部门和产污排污企业服务，为环保部门提供在线监管和执法依据，为生产企业提供设备运行监控和产污排污数据记录。
       平台采集生产企业总用电量、生产用电和治污设备用电量，进行关联分析，及时给出环保设备异常运行信号或企业异常生产信号，实现全过程防控。前端设备采用不停电免接线方案采集用电数据，经LORA无线上传到环保数据网关，再通过4G上传平台服务器或县、市、省级环保平台。各地环保部门通过污染防治设施用电实时监控，实现对排污企业生产运行W死角、全流程监控，达到变人防为信息化技防，从事后处罚到介入式执法，C底扭转传统依靠人力、经验进行现场核查的状态，为环保监管开辟更加切实、有效的监管方式，形成长效机制。

2.1.4 智慧安全用电云平台
       据应急管理部网站数据，2016~2018年期间因为电气原因导致的火灾占总数的30%~34%左右，其中2018年全国共接报火灾23.7万起，因违反电气安装使用规定引发的火灾占总数的34.6%，较大和重大火灾事故中，电气火灾的比例更高。国务院、公安部消防局以及各省市自治区直辖市纷纷出台文件推广使用安全用电、智慧用电，从源头上预防电气火灾的发生，现安全用电管理平台已在九小场所、三合一场所、养老福利院、医疗场所、学校、金融网点等人员密集场所广泛开展。
       安科瑞Acrelcloud-6000安全用电管理云平台对电气引发火灾的主要因素（线缆温度、漏电电流、负荷电流、电压）进行不间断的数据跟踪与统计分析，通过2G/NB-IOT/4G方式采集现场数据，实时发现电气线路和用电设备存在的安全隐患（如：线缆温度异常、过载、过压、欠压及漏电等）并通过短信、APP推送、自动语音呼叫等方式及时预警，有效防止电气火灾的发生。系统可以显示所有监测点位的漏电电流等电气参数和线缆温度，并支持巡检记录和派单操作，提供安全隐患分析报告，实时评估企业用电安全状态。
2.1.5 电动汽车/电瓶车充电桩运营管理云平台
       电动汽车现已成为广泛使用的绿色能源交通工具，Acrelcloud-9000充电桩运营管理云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；而用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。
       电动自行车数量越来越多，解决了老百姓短距离出行问题，但是和电动自行车相关的安全和火灾事故新闻也屡见不鲜，有逐年增长的趋势，给社会带来了很大的损失，成为人民生命和财产安全的一个隐患。基于电动自行车火灾的危害和特点，各级政府部门发文对电动自行车火灾的整治重点都放在规范停放和充电行为上。安科瑞Acrelcloud-9500充电桩运营管理云平台，针对电动自行车火灾治理提供充电安全管理、资产管理和交易管理的一揽子解决方案，解决充电难、管理难和收费难的问题，可应用于商业楼宇、小区、学校、医院等场所设置的电动自行车充电场所的运营管理。

2.1.6 物业小区预付费管理云平台
       安科瑞远程预付费系统可以针对各商业综合体、小区、写字楼、办公楼、酒店式公寓等物业，学校、工厂宿舍的后勤管理部门以及连锁超市、大型物业分布式财务操作，在线支付，总部财务扎口等。目前Acrelcloud-3000预付费管理系统已经成功在上述各场景得到广泛的应用并已经稳定运行多年，适用于物业公司对小区、办公和商铺租户的水电预付费管理，或者学校对学生宿舍的用电预付费和用电安全管控系统。

2.2 有线/无线物联
       安科瑞根据多年来的项目经验，结合用户实际需求，开发了各类有线、区域无线、广域无线通讯产品，包括网关和终端设备。支持RS485、以太网、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多种通讯方式，随着5G建设步伐的加快，未来将会有越来越多的通讯方式融入产品，服务于泛在电力物联网建设。
2.3 边缘计算

       安科瑞针对物联网应用开发了多款智能网关，采用嵌入式系统和边缘计算技术，现场采集和存储终端设备数据，并根据云平台的需要，采用不同的协议和云平台对接。所有数据采集、计算、异常报警触发逻辑均在网关就地设置，网络故障时数据存储在本地，网络恢复后补传数据，断点续传，提高数据可靠性。

2.4 终端设备
       针对泛在电力物联网的建设，安科瑞陆续推出多款物联网仪表，应用在不同场合以满足不同需求，2019年全年各类终端仪表出货量超过185万台。

2.5 安科瑞产品在泛在电力物联网的应用
       近两年来，安科瑞已经陆续参与江苏省部分县市电力公司的用户端能源管理平台、云南省网综合能源服务平台、上海嘉定区147所学校电力运维平台等相关平台的建设，提供了包括云平台、智能网关、终端设备等产品，各类用户端云平台在全国各地运行案例700多套，并且根据用户需求不断完善产品功能，这些项目就是未来泛在电力物联网的一部分。
       “能源互联网的春天到了，因其所能，它必将成为充满活力的新型能源业态。"尽管针对泛在电力物联网还有一些不同的声音，但是泛在电力物联网已经悄无声息的铺开来，融入能源互联网基础建设的方方面面。

3 预期实施效果
3.1 全息感知
       5G网络下，实现用户电能计量装置的外在和内在信息的汇集、传输、转换，利用各环节设备，使客户状态的全感知、业务全穿透。每一个传感器都相当于用电检查人员和计量工作人员到达用户现场的点，实现人与物密集的关系接触，体现了电力物联网技术的良好应用成果，提高了计量装置设备可靠性、稳定性。
3.2 泛在连接
       实现“物一物"、“人～物"、“人一人"安全信息互动；实现内部设备、用户和数据的即时连接；实现电能计量装置设备主人与客户的全时空泛在连接。通过泛在连接，计量装置各部分都处在用电检查人员和计量工作员的掌握之下，人与设备高度结合，便于及时发现异常、处理异常，工作效率提高，解决问题能力加强。
3.3 开放共享
       遵循以开放共享，在以人为中心的基础上，进一步延伸人的感知，通过平台App共享数据，使营销计量专业信息公正、公开、客观、透明，保障电力客户利益不受损失，实现价值共创，战略共赢。
3.4 融合创新
       结合了电力、电子、通信、遥感等多项技术手段，推动“两网"深度融合与数据融通，提高管理创新、业务创新和业态创新能力，开拓新的创新思路，将电能计量装置接人“国网云"。

4 结语
       电力物联网技术是一种手段，其目的是能够产生新价值，创造新效益。以上提出一种在5G网络下基于电力物联网技术的电能计量装置监控系统，具有一定的应用价值，针对电力营销专业面对的现实问题，突破传统工作模式，使其实现跨越式发展，值得应用推广。 


参考文献
[1]周一青，潘振岗．翟国伟，等．第五代移动通信系统5G标准化展望与关键技术研究[J]．数据采集与处理，2015(4)：714—724.
[2]李戍广.5G网络下电力物联网技术在计量装置监控中应用的可行性分析.河北电力技术[J]，2020(4)：6-9.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.