胡志豪，李 昱，宋廣磊，解 鵬，羅瑞雪，常喜強

（1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.國網(wǎng)新疆電力信息通信公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

最近，國網(wǎng)新疆電力公司完成南疆四地州煤改電工程建設驗收。和田策勒縣花園村地處策勒縣西北面，距縣城13 km，屬于典型的“偏遠散”村，開展分散式電采暖負荷柔性控制試點，完成電采暖項目改造，解決了全村507戶、1 969人的電采暖問題，分別改造部署LoRa、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）智能溫控器635臺、397臺。通過智能溫控器加碳晶板電采暖設備，實現(xiàn)對整村的電采暖負荷控制?，F(xiàn)階段，新疆絕大部分偏遠地區(qū)電力基礎設施薄弱，多采取城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)配電模式。同時，受地理環(huán)境等實際因素影響，建設難度大、成本高、遠期維護困難。對于電采暖此類的熱負荷，具有熱慣性，可調度性強。通過物聯(lián)網(wǎng)技術搭建分散式負荷監(jiān)測，進行負荷計量分析和控制調度，解決偏遠地區(qū)人們的電采暖問題。

現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術主要分為兩類：一類是ZigBee、Wi-Fi、藍牙、Z-wave等適用于智能家居、智慧生活的短距離通信技術；另一類低功率廣域網(wǎng)絡（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）是 LoRa、SigFox、EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等應用于工業(yè)生產(chǎn)的低功耗、遠距離的通信技術。在新型電力系統(tǒng)建設中，相較于其他LPWAN技術，LoRa和NBIoT成熟度高，被廣泛認可應用于輸、變、配電各個領域，并試點成功。

本文通過對比分析LoRa和NB-IoT的技術特點，對其在新型電力系統(tǒng)中電力柔性負荷控制和配網(wǎng)智能傳感應用場景進行分類研究，以期為新型電力系統(tǒng)建設、各類新興負荷控制、終端設備信息采集、配電智能傳感等提供靈活接入的支撐。

1 物聯(lián)網(wǎng)與新型電力系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術的進一步發(fā)展，由感知層面、網(wǎng)絡層和應用層3個部分構成[1]。通過傳感器技術、射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）標簽、嵌入式系統(tǒng)技術等互聯(lián)網(wǎng)通信技術將物理對象唯一化并接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)寫入，信息交互和智慧調度，提高人與物、物與物的交互效率，廣泛應用于智能家居、智慧交通、智能醫(yī)療、智能電網(wǎng)、智能物流以及智能農(nóng)業(yè)等各領域。

新型電力系統(tǒng)是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展，是發(fā)電、輸電、配電一體化經(jīng)營模式，通過輸電公司牽動發(fā)電與配電統(tǒng)籌協(xié)調，利用數(shù)字化技術實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲”的高效互動、多網(wǎng)融合，具備高比例可再生能源、高比例電力電子、靈活柔性、安全可控的特征[2]。常通過有線、無線靈活組網(wǎng)模式，輔以RFID、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術，進行實時數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測，解決分布式微型負荷和智能配電傳感的接入、并網(wǎng)、調度、消納等一系列問題，實現(xiàn)“云邊端”的統(tǒng)籌和靈活調配，打造“網(wǎng)隨云動，云網(wǎng)協(xié)同”的運營模式，提高電網(wǎng)的泛在接入能力和開放共享能力。

2 NB-IoT和LoRa技術概述

NB-IoT是一種基于蜂窩網(wǎng)絡無線通信技術的低功耗網(wǎng)絡技術標準，所使用的授權頻段都是1GHz以下，依托于全球移動通訊系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）網(wǎng)絡、通用移動通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）網(wǎng)絡或長期演進（Long Term Evolution，LTE）網(wǎng)絡建立，采用半雙工通信模式，實現(xiàn)低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構優(yōu)等特點。NB-IoT使用License頻段，可根據(jù)頻譜、帶寬、時延等相關要求，靈活采取帶內、保護帶或獨立載波3種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡共存，如圖1所示。

圖1 NB-IOT結構部署圖

LoRa是一種低功耗廣域網(wǎng)中的通信技術，是Semtech公司專有的一種基于擴頻技術且有著超遠傳輸距離的無線通信技術[3]。終端一般采用星形拓撲結構，有3種工作模式，分別是ClassA、B和C，不同的工作模式以滿足不同場景的應用需求[4]。采用擴頻通信技術提高接收機靈敏度，通過LoRa 網(wǎng)關、采集終端、中央服務器之間的連接配置協(xié)議，終端設備通過單跳與一個或多個網(wǎng)關通信，實現(xiàn)平臺節(jié)點之間雙向通信。根據(jù)香農(nóng)定理結合擴頻通信原理得出，信道容量一定時，可增大帶寬降低信噪比，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。同時相比頻分多址和碼分多址可接入更多的用戶量，滿足部署靈活、功耗低、遠距離的通信要求，如圖2所示。

圖2 LoRa結構部署圖

3 NB-IoT和LoRa技術比較分析

根據(jù)表1可得出，從建設部署和技術指標上進行對比，LoRa和NB-IoT均可以實現(xiàn)遠距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸，兩者之間差別在于是否工作于授權頻譜和部署靈活性等方面：NB-IoT技術所采用的頻段是運營商授權頻段，可避免其他干擾，安全指數(shù)可達到電信級?；静渴鹦柽\營商新建 窄帶或對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡升級，存在業(yè)務所需區(qū)域無網(wǎng)絡覆蓋的情況；LoRa技術則通過多層加密技術實現(xiàn)在公共頻譜上進行傳輸。在抗干擾性方面，采用線性Chirp擴頻調制的方式保證其數(shù)據(jù)的安全性，常用于軍事領域的通信?；静渴痨`活、自主可控，終端、網(wǎng)關、服務器網(wǎng)絡采用半雙工數(shù)據(jù)通信模式。結合電網(wǎng)建設自主化的發(fā)展需要，打造滿足偏遠無網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)的接入要求的專用電力通信網(wǎng)絡。

表1 NB-IoT和LoRa技術對比

4 NB-IoT和LoRa在新型電力系統(tǒng)場景應用探索

新型電力系統(tǒng)業(yè)務可以分為兩類：一類是延遲容忍業(yè)務，其特點是數(shù)據(jù)速率低、接入設備量龐大、對傳輸延遲不敏感（如電力利用信息采集和負載控制）。另一類是關鍵任務業(yè)務，需要實時或接近實時的數(shù)據(jù)傳輸，如配電自動化。NB-IoT和LoRa的通信特點適合處理延遲容忍業(yè)務，降低硬件成本。終端設備可根據(jù)應用場景、業(yè)務需要進行定制選擇，常用傳感器包括：智能電表、有害氣體檢測儀、煙感、水浸、傾角、溫濕度傳感器等，通過傳感器終端收集各類數(shù)據(jù)并通過各自協(xié)議發(fā)送至基站，實現(xiàn)配電自動化、負荷控制、線路接頭盒狀態(tài)監(jiān)測、充電樁等領域應用。由于LoRa協(xié)議具有一定的獨特性，因而該協(xié)議可以根據(jù)客戶的要求針對性地改變協(xié)議內容，然后以最快的速度、最低的成本來完成網(wǎng)絡部署。尤其是對于數(shù)據(jù)安全性要求比較高的專用網(wǎng)絡來說[5]。根據(jù)電力系統(tǒng)不同業(yè)務需求，開發(fā)新型傳感終端，實現(xiàn)接入能力、業(yè)務可靠性、運維效率的提升，為電力系統(tǒng)末端接入提供切實可行的方案。

5 典型應用場景

5.1 電力柔性負荷控制

新疆南北疆部分偏遠地區(qū)人口密度小、地形復雜、架線難度大、投資成本高，后期維護困難，不利用電網(wǎng)運營，引進LoRa技術通過無線通信手段，實現(xiàn)對偏遠地區(qū)大面積覆蓋，可以有效解決偏遠地區(qū)負荷接入難的問題。通過搭建負荷控制平臺，對負荷統(tǒng)一調度，引導集中柔性負荷參與電網(wǎng)的負荷調節(jié)，通過負荷調節(jié)算法進行科學高效的負荷調度，削峰填谷，降低電網(wǎng)峰谷差。利用電力負荷的時變特性進行調度，實現(xiàn)電力調度系統(tǒng)升級，發(fā)揮柔性負荷的優(yōu)勢，如圖3所示。柔性負荷是指用電量可在用戶指定范圍內根據(jù)接收到的指令要求進行“伸縮”或在不同時間段間進行轉移，但是總用電量不變的負荷[6]。柔性負荷具有靈活調度、雙向調節(jié)的特點，能夠進一步優(yōu)化電網(wǎng)調度模式。具有“源”和“荷”雙重柔性特征，在優(yōu)化用戶負荷曲線、改善電網(wǎng)谷峰差、支撐可再生能源消納等方面都有出色的表現(xiàn)?，F(xiàn)階段電網(wǎng)調度模式主要為集中式，柔性負荷通常以配電網(wǎng)、專變用戶、負荷聚合商等分布式調度單元形式出現(xiàn)。與集中式方法相比，分布式調度可以在每個智能體中同時進行一致性變量的迭代計算。領導者負責系統(tǒng)功率平衡的集中調整，確保所有智能體在迭代計算后能收斂。因而分布式方法有較大的靈活性和可擴展性[7]。處理分布式的能源調度和電網(wǎng)統(tǒng)一調度中個體與整體的決策協(xié)調是實現(xiàn)柔性負荷控制的重點，進行分布式控制單元的實時建模并參數(shù)擬合、研究與輸電網(wǎng)調度中心交換交互模型和計算方法。通過價格信號、激勵機制、調度指令等措施，利用柔性負荷作為補充參與電力調度，進行發(fā)電側的調節(jié)，優(yōu)化能源配置。同時，著力風力、太陽能的開發(fā)利用，建設可再生能源的消納機制，采用負荷控制中心或者自動需求響應模式進行負荷控制，實現(xiàn)削峰填谷。利用物聯(lián)網(wǎng)技術對可激勵負荷和可中斷負荷的分級管控，按需調整，實現(xiàn)傳統(tǒng)負荷與新型柔性負荷的聯(lián)合調度，完成負荷從人工監(jiān)控、遙測、遙控到自動調整的轉變，提高電力系統(tǒng)的運行效率。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)模式下負荷控制圖

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，負荷控制方式不斷優(yōu)化，包括電力載波通信、架空明線、數(shù)字微波、衛(wèi)星通信、光纖通信等多種通信方式。電力通信網(wǎng)的傳輸速率、傳輸時延、帶寬容量、接入方式不斷升級，電網(wǎng)運行、經(jīng)營、管理水平不斷提升。引進物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)分布式柔性負荷控制，能夠完成特殊情況下負荷的快速精準切除和接入，進行能源高效調度，削峰填谷，推進新型電力系統(tǒng)的構建。

5.2 配網(wǎng)智能感知

配網(wǎng)感知系統(tǒng)用于配電自動化、智能巡檢、用電信息采集、柔性負荷控制以及變電站無人值守等，其核心是建立電力物聯(lián)網(wǎng)架構，實現(xiàn)終端設備感知與控制，通信端信息上傳與下發(fā)，應用端基于大數(shù)據(jù)分析及人工智能應用，形成決策。終端設備如充電樁、光纖傳感器、溫度傳感器等負責信息的采集，LoRa、ZigBee、NB-IoT等通信網(wǎng)絡負責整個系統(tǒng)信息的傳遞，應用端負責信息處理和分析決策。本文以新疆阿勒泰地區(qū)智慧機井群控系統(tǒng)為例分析配網(wǎng)感知應用。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的蓬勃發(fā)展，電子商務已經(jīng)成為全球范圍內重要的經(jīng)濟模式之一，隨著2015年李克強總理在政府工作報告中提出“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的行動號召，雙創(chuàng)已成為這個時代的鮮明主題，各個行業(yè)都面臨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的轉型。電子商務，正不斷地改變著人們的生產(chǎn)生活方式，可謂是大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新的“新引擎”。

智慧機井群控系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層組成，圖4為智慧機井群控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構圖。感知層熵情傳感器監(jiān)測土壤溫濕度，超聲波流量計和壓力變送器監(jiān)測機井出水口水流量、流速和水壓，智能塑殼斷路器監(jiān)測機井三相電壓、三相電流、功率因素等電力數(shù)據(jù)，北斗斷路器饋線自動化終端監(jiān)測10 kV線路電力數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡層由LoRa通信、RS485通信、北斗通信組成。雖然LoRa通信與ZigBee通信都屬于常用的物聯(lián)網(wǎng)通信模式，但是LoRa通信傳輸距離遠，最遠達15 km，非常適合于農(nóng)田范圍廣、傳感器布局分散的情況。平臺層由北斗接入平臺、物聯(lián)網(wǎng)管理平臺、安全接入平臺組成。應用層由配網(wǎng)IV區(qū)云主站、農(nóng)業(yè)智慧用能平臺、智能灌溉小程序組成。智能灌溉小程序負責展示農(nóng)民土壤溫濕度、機井運行狀況及機井開關申請。配網(wǎng)IV區(qū)云主站、農(nóng)業(yè)智慧用能平臺負責機井負荷柔性調度，當線路出現(xiàn)重過載情況時，基于線路負荷情況、土壤溫濕度、機井運行狀況生成柔性負荷調度命令，有序調控機井，保障線路運行安全。

圖4 智慧機井群控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構圖

6 結 論

綜上所述，建立LoRa技術物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)全疆偏遠地區(qū)的可中斷柔性負荷控制，例如：電采暖、空調、電梯等，實現(xiàn)一種自主可控、便于維護的“網(wǎng)-荷”互動場景的物聯(lián)網(wǎng)通信控制模式，在全疆推廣應用。滿足偏遠地區(qū)多連接、低功耗、遠距離的傳輸要求，實現(xiàn)在基礎環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)控制業(yè)務、用電采集業(yè)務等場景的應用。解決電力通信“最后一公里”問題。

為解決LoRa技術在低時延應用領域的缺失，將依托于現(xiàn)有試點經(jīng)驗，結合5G和北斗新技術，不斷探索LoRa技術在輸電、變電、配電等相關低時延領域的應用方案，對構建新型電力系統(tǒng)提供關鍵支撐。