1.2　电力物联网的典型应用架构

随着分布式能源、新能源汽车、储能等能源技术的进一步发展，基于电力的能源市场化和用户需求的深度挖掘将成为热点[3]。电力物联网是一个实现电网基础设施、人员及所在环境识别、感知、互联与控制的网络系统，其作为能源互联网建设的重要组成部分，基于先进的传感器、控制和软件应用程序，充分利用大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能等现代信息技术和先进的通信技术，将能源生产端、能源传输端、能源消费端数以亿计的设备、机器、系统连接起来，形成能源互联网的“物联基础”。

典型的电力物联网架构由下至上可分为感知层、网络层和应用层，如图1-1所示。

其典型应用场景主要有配电侧应用、用电侧应用、新业态应用等。

1.2.1　配电侧典型应用架构

目前配电网面临的主要问题有：对配电侧的变压器、开关节点等关键电气设备缺乏负荷动态监控，设备运行寿命难以最优化等。

一方面，台区线路信息采集、处理和实时监控缺乏可视化的数据交互、管理、监控及调度平台，难以实现对台区线路运行状态的监控及评估；在配电网线路侧存在故障时，难以基于有效、可靠的基础数据进行快速定位，分析故障原因，难以快速调度相关资源处理问题，严重影响了台区配电信息采集业务的发展和应用。

另一方面，台区配电信息采集主站系统仅能对配电线路信息进行采集，而用电信息采集主站系统仅能对低压用户用电信息进行采集，两者之间相互隔离，未能形成统一，配电和用电的数据信息不能共享，严重影响配电网的电能质量和稳定运行。同时，缺少对关键电气设备的主要运行参数监测，如配电网络中的变压器、开关、柜、箱门的温度、局部放电等，缺少对于关键设备的运行环境参数监测，如环境温度、湿度，从而严重影响了低压配电网的电能质量和运行的稳定性，无法保障故障的快速修复，影响了供电的可靠性。

智能配变终端是集用电信息采集、设备运行状态监测、智能控制与通信等功能于一体的二次设备。台区配电信息采集系统是对台区线路信息进行采集、处理和实时监控的系统，可以实现台区线路运行状态评估。智能配变终端和台区配电信息采集系统为配电网的运维管理、用电服务等业务提供了技术载体，对深化电力物联网在配电网的应用，提升配电网信息化、智能化水平起着极为重要的作用。

配电台区自动化系统可监控一些关键电气点的环境，如配电房的温度、湿度等，此外还可利用智能锁对各级柜、箱门等进行监控，融合电力用户用电信息采集系统和台区配电信息采集系统，进一步扩展实现对配电台区进行全景感知。

配电侧电力物联网的典型应用架构如图1-2所示。

面向配电台区的应用场景构建的电力物联网架构在感知层主要包括智能电能表、无功补偿装置、三相不平衡监测装置、剩余电流动作保护装置、充电桩设备、分布式能源设备、分路监测单元（Line Terminal Unit，LTU）、环境监测设备等，并部署采用具有本地通信（如HPLC）的智能配变终端，完成数据的采集、存储、边缘预处理等功能，然后通过网络通信（如无线公网、电力无线专网）上传到配电自动化主站（物联管理中心）进行大数据、人工智能分析等，以实现智能预测与决策。智能配变终端（Transformer Terminal Unit，TTU）主要完成的功能包括与智能电表交互、低压配电台区网络拓扑识别、配电变压器状态监测及健康诊断、低压配电台区的无功补偿与三相不平衡监测、低压配电台区分布式电源设备监测、低压配电网停电故障研判、精益线损分析等。

通过此框架，在配电侧可实现的功能主要有以下几个。

（1）部署TTU、FTU、DTU，实时获取10kV及以下配电设备停电、送电、重过载、低电压和三相不平衡等异常信息。

（2）识别台区内配变低压侧出线、分支箱、分支线、用户接入点层级关系，自动更新拓扑异动信息。

（3）自动推送和告警配电站房配电设备异常信息、配电电缆局部放电及故障定位信息、六氟化硫（SF6）泄漏、门禁闯入等信息。

（4）基于分布式DTU，通过本地通信网络实现就地故障研判和隔离，采用0.4kV配电自动化技术，将配变电源信息通过本地通信网络推动至应用层，实现低压负荷快速转供。

（5）通过智能配电终端实时采集电动车充电桩运行状态数据、电量数据、告警事件和台区配变容量限制信息，实现电动汽车有序用电。

在此框架之上，还可扩展以LTU为核心的现场采集部件，由高速电力线载波、微功率无线、RS485等本地通信方式构成的本地接入网络，以智能配变终端为代表的边缘物联代理，由无线公网/专网等远程通信方式构成的接入网络，以及由前置机、主站组成的平台采集系统，可实现对低压台区线路的信息采集、实时监控、数据分析、运行状态评估、资源调度及故障处理等功能。

1.2.2　用电侧典型应用架构

目前在低压台区用户侧存在光伏发电、分布式能源、储能装置、电动汽车充电桩等设备，此外，还有水、热、气等多种计量表/计，现有的用电信息采集终端无法实现上述设备的数据采集，额外安装采集设备增加了建设和维护成本；用户用电、储能装置馈电、发电的数据均须上传至主站结算，增加了通信压力和主站处理压力；储能装置不能根据用电负荷压力进行充放电控制，缺少有效的用电负荷控制手段[4]。

低压集抄集中器/能源控制器是实现低压用电台区内智能电表、水热气表、储能装置、充电桩等设备数据采集的智能网关，为用电信息采集主站提供用电数据支撑，边缘计算、人工智能等技术可以实现电能生产与消费的综合结算，根据用电负荷指导储能装置与充电桩等设备进行有序充电，保证台区的用电稳定。用电侧电力物联网的典型应用架构如图1-3所示。

面向用电侧应用场景构建的电力物联网应用架构分为采集系统主站、通信信道、采集设备三层。该架构包含智能电表、智能水气热表、光伏发电、分布式能源、储能装置、电动汽车充电桩、智能楼宇监控所部署的各类传感器等，并部署采用具有本地通信（如HPLC、RS 485、LoRa、CAN）的能源控制器，完成感知数据的采集、甄别、清洗、筛选、加工，通过边缘计算完成本地决策，并通过网络通信（如公网、电力无线专网）传输到系统主站（物联管理中心）进行大数据分析[5,6]。采集系统主站围绕前置服务、数据存储、主站应用及系统整体运维四个方面开展。在前置服务方面，完成终端接入、服务并发处理；在数据存储方面，完成读写操作、数据备份、数据修复和校验；在主站应用方面，应用部署满足海量数据统计分析的时效性要求，实现接口有效管理，均衡系统负载压力；在系统整体运维方面，完成提高主站监测能力，采用有效的自动化运维手段，最终达到“采集零延迟、数据无误差、应用多样化、费控全用户、监控全景化”的目标。

该架构的主要功能有：水气热多表集抄、智能电表数据采集、事件采集与上报、远程费控、用电负荷控制、台区线损分析、综合能源管理、智能楼宇监控等。

1.2.3　新业态典型应用架构

未来新能源在能源体系中承担主要能源供给任务，但目前弃风率、弃光率仍然较高，缺乏对能源的整体调度和利用[7]。另外，用电设备种类繁多，对电能形式的需求不同，对电网本身的电能质量也会造成影响，缺乏对整个电力网的统一监控优化。能源路由器是组件模块式结构，包括采用功率器件的电力电子变压器和服务器集群，其中服务器集群主要包括通信模块和控制模块，具有大量数据的分析管理功能。储能技术通过建立能量缓冲区的方式为能源互联网提供了灵活可靠的能量流基础，具备能量时移的能源互联网会更加安全、稳定、坚强。风电、光伏等清洁能源容易受环境、气候等因素影响，发电具有间歇性的特点，输出功率波动较大。可以通过不同的储能系统抑制分布式电源的功率波动，减少分布式电源对用户电能质量的影响。

另外，目前国家大力推广电动汽车产业链发展，鼓励国有企业等大力建设充电设施，由此衍生出以电力新能源发展为主的生态圈，从而带动社会上充电基础设施建设、电动汽车分时租赁运营业务的开展。在此基础上还需要从便捷的分时租车、智能停车、充电预约等方面开展对用户智能出行体验的提升，同时加强对充电设施的运维管理，提升充电设施使用率，均衡配电网使用效率，提升充电设施运营收益。具体的相关建设包括：集设置管理、车辆管理、租赁服务、充电服务、支付管理和订单管理于一体的电动车智慧出行平台；实现车联网，可为运营商提供设施运维管理、充电运营管理、租赁运营管理等服务；建立运营单位与用户之间的桥梁，沉淀基础用户，吸纳潜在用户；为电动车用户提供智慧出行、智能充电等服务；为政府充电设施规划提供有力的数据支撑，促进新能源产业的发展。

因此，典型的电力物联网架构也可延伸应用到新业态中，其典型的应用架构如图1-4所示。

能源路由器应用于配电领域，在电力物联网的典型应用架构中属于感知层中的边，采集终端收集微网内用电量需求、电压、电流、故障、剩余电量、电能质量等信息，如分布光伏风电的发电量信息、储能系统的剩余电量信息、三相不平衡设备感知的电流不平衡度、无功补偿装置感知的无功补偿需求。各种采集部件将感知的电参量和非电参量通过有线公网或无线公网传送到能源路由器中。能源路由器通过网络自动寻址、模型自动辨识、信息提取分析、计算处理，将微电网内的信息在局域网内汇合后再通过骨干网上传到云端，广域网内的信息全部在此汇合，企业平台通过不同的业务模型和应用需求（如各局域网内电能量的需求、电能质量的要求、电能形式的要求及使用低价电的客户需求），根据整个广域网内的所有信息，进行统一分析计算，然后下达指令，实现整个电力物联网内所有设备的统一监测控制、电力能量交换、协调优化控制、电能质量治理、故障预警告知、用户互动服务等。

储能系统装置通过本地网络与配变终端连接，再由配变终端通过公网与企业中台的分布式能源监测设备连接，通过供电峰谷和用电负荷的需求分析，对储能系统进行充放电控制，从而达到调峰平谷的目的。

智能配变终端以电动车智能充电服务平台为基础，涵盖“智能移动终端—车—充电终端—智能地锁”各环节，典型应用主要采用远程和近场混合的无线通信及微功率自组网技术，实现分时租赁业务中对车辆的控制、智能充电业务中对充电车位的控制和充电设施智能运维。它主要由智能充电终端、车位管理终端、应用App+运营管理平台等多主体组成。智能充电终端与车位管理终端采用微功率近距离通信技术，通过智能充电终端（含智能充电桩、智能充电插座、智能充电网关）、车位管理终端（智能地锁）及车载终端三者之间的自组网无线通信，实现车辆识别、智能地锁升降，从而确保充电车位的智能控制；运营管理平台采用远程通信技术，实现运营管理平台、应用App与智能充电终端的数据交互，完成终端设施监测、充电预约服务、充电控制及费用结算等业务，同时对业务数据进行采集和统计分析；应用App实现与车载终端、智能充电终端间的数据交互，完成充电控制、车辆控制及支付结算等业务。