基于物联网终端的负荷安全用电机制设计

张露露，祁 兵，汤 野

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；2.国网辽宁省电力有限公司 营销服务中心，辽宁 沈阳 110000）

0 引 言

物联网作为新一代信息技术的重要组成部分快速发展。其利用先进的信息通信技术、传感技术以及智能技术将人与物、物与物及人与人连接起来，终端是物联网中感知层和传输层之间的设备，具备数据采集、处理、加密及传输等功能，同时可以基于感知到的数据变化，提供优化决策判断[1,2]。

在电力系统中，家电技术的发展和整体生活水平的提升使得居民用户的用电需求不断上升，若负荷上升速度快于电力系统中的基础设施更新速度，则在用电高峰期容易超过基础设施容量上限，导致家庭局域用电故障，对电力用户的正常用电造成影响[3]。居民安全用电问题一直是用电领域的研究热点，但是当前家庭安全用电方面的研究离不开负荷与用电管理系统良好的通信连接，负荷设备的多样性对用电管理系统的兼容性提出了更高的要求。随着物联网技术的发展，物联网终端标准将会得到统一并且被大规模推广。

本文首先阐述了用户侧电力物联网的模型及物联网终端具体能力，基于物联网终端能力提出了一种实现居民负荷群体安全用电的机制，可以有效降低设备群体随机控制的总负荷。

1 物联网终端能力分析

1.1 IEC物联网模型

根据国际电工委员会的物联网标准描述，电力物联网可划分为6个域，分别是用户域、资源访问与交换域、运营与管理域、应用与服务域、感知与控制域以及物理实体域，具体如图1所示。

图1 IEC物联网的域划分及通信网络部署

物理实体是智能电网中可以被识别和观察到的电力设备，包括发电侧、输电侧、配电侧及电力用户侧的用于电能产生、输送与使用的各种物理装置和设备等。

1.2 物联网终端能力

如图2所示，物联网终端的控制过程主要包括感知、分析、决策以及执行4个步骤[4,5]。终端首先感知负荷设备的参数，将相关参数转换为数字信号，对获得的数据进行处理和分析，根据分析结果，制定科学的决策策略，并控制执行器作用于负荷设备。物联网终端通过感知器和执行器实现自身、负荷设备以及外界环境之间的互动，感知器可感知多种物理参数，除了电压、电流、功率等负荷运行参数外，还有温度、语音、图像以及天气等环境参数。控制器是物联网终端的核心模块，具有数据处理、分析以及策略制定与执行等能力，同时通过云计算、大数据、深度分析以及机器学习等智能技术，产生高级控制策略[6]。

图2 物联网终端的控制过程

物联网终端通过自身的各种能力为物联网用户提供服务，使物联网系统具备了更加完备的功能。物联网终端必须具备的能力包括以下4项。

一是感知能力，感知能力是终端能够感知物理实体的变化，形成显性数据的能力。二是执行能力，执行能力是终端通过执行器将改变物理实体的状态和参数的能力。三是运算控制能力，运算控制能力是终端进行数据处理与分析，根据分析结果生成策略，并执行策略的能力。四是智能分析能力，智能分析能力能够最大限度地利用信息的价值，使终端具有自我思维，能够更快地对周围环境的变化产生应对措施，适应未来社会对物联网的要求和期望。

除上述的功能外，IEC的相关标准也对终端的其他能力，如环境敏感能力、自我描述能力、即插即用能力以及内容感知能力等进行了规定。

2 基于物联网终端的安全用电机制设计

在负荷集群中，当负荷的状态发生变化时，不仅对集群总体的用电信息产生影响，而且由于电力线路阻抗的存在，也对集群中其他负荷的状态产生影响。

基于上述分析，本文提出如下的安全用电机制，能够使物联网终端通过监测电采暖负荷的用电信息变化判断集群的状态，自动调节启停时间，避免负荷过载。在准备阶段，每个物联网终端从云端导入（或手工输入）负荷集合I，并设置每个负荷的开启条件及退避时间参数t退避，设置集群功率阈值，步骤如下。

步骤一：终端监测负荷的开启条件，如果开启条件满足设置要求，负荷进入待启动状态，转步骤二。否则，终端监测负荷开启条件返回步骤一。

步骤二：终端判断当前集群总功率，若当前总功率低于功率阈值，则集群整体处于安全状态，负荷允许开启，否则返回步骤一。

步骤三：终端计算顺序启动所需要的退避时间t退避，然后延时t退避时间后再判断集群的总功率，如不安全则返回步骤一，如安全则启动负荷。

步骤四：启动后终端计算本次负荷将持续工作的时间t工作。

步骤五：如连续工作时间大于t工作或室温大于T高，则关闭负荷，返回步骤一，否则继续步骤五。

为避免负荷的启动时间相同，退避时间必须满足随机性。本文应用二进制指数退避时间使负荷有序工作，当终端发现启动条件具备时并不立即启动，而是延迟退避时间后重新进行条件判断[7,8]。

3 算例分析

在以电采暖为例的应用场景中进行了机制仿真验证。

北方地区冬季一个电采暖设备集群早上8：00-20：00的负荷曲线如图3所示。

图3 负荷曲线示意图

观察图3的负荷曲线趋势，温度控制机制的负荷曲线一开始波动较大，在8：00-13：00之间产生负荷峰值和和峰谷差，13：00以后趋于平稳。安全用电机制由于对负荷峰值有所控制，8：00-13：00之间负荷曲线趋势与温度控制机制的负荷曲线趋势大体相似，但是峰值和峰谷差要明显小于温度控制机制的负荷曲线，13：00以后两者差别不大。轮控定时机制通过分组定时设置，其负荷曲线趋势在8：00-20：00之间呈平稳状态，没有明显的负荷高峰出现。

结合表1负荷曲线参数对3种算法的应用效果进行进一步分析发现，通过用电安全机制可以将负荷峰值降至原来81.48%，可以将峰谷差降至62.96%。在同一电采暖负荷集群中，安全用电机制可以平滑负荷曲线，使用户设备对变压器的容量要求更低，电网对负荷冲击的承受能力更强，电网安全运行的可能性越高。同时可以发现安全用电机制负荷曲线的用电负荷率最高，在变压器额定的情况下，安全用电机制的设备利用率越高，应用效果越好，与另外两种控制机制相比具有一定的优势[9,10]。

表1 负荷曲线参数对比

4 结 论

本文提出的安全用电机制通过感知负荷用电数据实现群体负荷的智能决策与协同控制，平滑用电负荷曲线，过滤峰值对电网容量的冲击，具有以下两个方面的应用优势。

第一，可使用户最大限度地利用现有网络容量，推迟网络增容改造时间。在小区或农村的供电网中，网络更新速度远小于用电设备的换代与增加速度，已有资源逐渐无法满足用电增长需求。通过物联网终端对设备运行进行协调，能够保证可靠用电，适用于具有电采暖、电热水器及充电桩等大功率用电设备的小区或农村。第二，为供电网的容量规划和设计提供实际运行参考。在供电网的新建或改造中，可以通过该机制计算可调负荷的弹性范围，进而确定供电网最大容量的取值，可以低于传统的规划设计值，或在传统的规划设计值下容纳更大数量的负荷设备。