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摘要：目前我国科技发展的十分迅速，LPWAN的泛在电力物联网应用广泛。电力物联网是各类智能技术在发电、输电、配电、用电等环节的有机结合，可有效解决能源浪费、能源管理模式混乱等问题。文中将一种新型无线通信技术——低功耗广域网技术（LPWAN）应用在电力物联网领域，构建了一个基于LPWAN技术的电力物联网云管端一网共平台架构，对海量小数据进行分析和挖掘，实现能源各环节的实时监测及电网智能调度，以期为电力物联网相关研究人员提供技术参考。
关键词：LPWAN;泛在电力物联网
近年来，随着全球经济的快速发展、现代化进程的进一步加速，随之而来的能源过度浪费等问题逐渐凸显。与此同时，物联网迎来了一个开创性的时代，物联网技术得以飞速发展。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。在物联网技术的基础上，电力物联网进入了蓬勃发展时期。
1. LPWAN电力物联网管理需求
在源网荷友好互动体系中，LPWAN终端控制器被用于光伏和风能等分布式发电系统、微电网、储能电站及智慧渔业、智慧家庭等负荷端的互动连接业务，实现能源资源最大化利用的运营模式。此外，LPWAN技术可用于多个运营场景，实现一张网、多场景数据共同上传至云平台。应用包括发电侧运行监测，输电侧线路电场数值分析与传送，变电侧设备故障分析，配电侧的电缆测温、设备绝缘监测、电气设施运行情境监测等，用电侧的漏电监测、充电桩管理等。
云平台对“云—端”通信的快速性和准确性有以下要求：
1）支持数据高并发及快速响应云平台需及时响应和快速处理同时上传的海量数据或能源管理层下发的指令。
2）支持海量数据存储为实现便捷管理海量数据，云平台需科学存储数据，方便实际应用。
3）支持智能分析与决策云端数据需合理分配，在构建能源知识库的同时，实现数据的智能分析和决策。
2. LPWAN技术电力物联网的应用
2.1输电环节
输电环节是电力系统中极其关键的一部分，为确保电力能源安全可靠的输送，在电力输送环节中往往会部署一些监测设备，对输电系统中的环境因素进行监测和分析，如电压等级、溫度、湿度等。输电环节监测系统具有监测点众多、高度分散、分布范围广、条件恶劣等特点，使用传统的无线通信技术无法满足对输电环节进行实时监测的需求。基于LPWAN技术的电力物联网可以满足各类监测传感器的长距离、低成本、长寿命、易维护等要求，使得基于LPWAN技术的电力物联网技术在输电环节的应用成为可能。
整体架构主要分为三层，从下到上依次为感知层、网络层、应用层。
（1）感知层是系统的最底层，负责输电线路信息的采集，由各类传感器组成，通过RS485接口与LoRa射频模块相连，发送数据;（2）网络层的主要功能是把感知层采集到的传感器数据通过LoRa网络安全、可靠地传输给应用层;（3）应用层的主要任务是对网络层传输的数据进行储存、整理和分析，实现对输电网络的远程监测。
2.2用电环节
在社区云平台设置电气防灾功能模块，实现社区内各类电器设备的防灾物联网数据采集、监控、分析和高级应用。社区云通过电信公用通信网、智慧社区通信网等与物联网、相关部门、居民进行信息互联互通。
基于LPWAN技术的电力物联网可采用电信运营商的物联网网络，包括NB-IoT，eMTC，4G/5G等，也可根据需要自建覆盖本社区的专用物联网网络，如LoRa网络等。能源物联网可通过与电气防灾传感器或终端通信，实现对物联网信息的采集。
在社区内各类配用电设备处部署智能剩余电流电气探测器、智能温感、故障电弧检测器等电气防灾物联网终端或传感器，实现电气设备的漏电、过载、超温、电弧、起火等异常情况数据采集和上传。部分重点配电箱和高风险配电箱安装智能电力仪表、智能开关、智能漏电保护器，采集供电线路供电电压、电流、功率、电量、漏电状态等，可实现远程控制，自动断开供电等，配合云平台实现智慧用电。各种物联网传感智能终端或智能传感器应具备物联网通信连接能力，方便接入物联网网络，实现与社区云平台的互联互通。
3. 泛在电力物联网需研究和解决的特殊问题
目前电力行业使用的通信方式主要依赖于电力线载波通信，也广泛采用微波通信、卫星通信和光纤通信的方式，当前也在建设基于LTE230系统的电力无线专网等。PLC是电网企业特有的一种依靠现有输电网络进行通信的技术，因使用方便、成本低而被广泛使用，有可能成为泛在电力物联网独特的通信方式。近年来低压电力线载波通信已引起各方面的重视，由于靠近用户侧，低压电力线载波通信技术可被应用于各个行业，尤其对于泛在电力物联网，可以有效地发挥出自身的技术优势，例如，不占用无线频道资源，能降低成本资金的投入、减少维护流程等。但是，电力线通信信道自身的特性（如频率选择特性、输入阻抗特性、噪声干扰特性及信号衰减特性等）会降低通信可靠性，这些问题需要进一步研究和解决。由于低压电网连接着众多的用电设备，每种用电设备都对电网有不同程度的噪声污染（谐波、脉冲等），特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等。
另一方面，电力系统中由于电气设备的各种操作（如：运行方式的改变、开关操作、故障等）会造成电磁振荡，会对UPIoT的信号造成各种电磁干扰。测量信号湮没在强噪声中，给信号检测和处理带来一定的挑战，因此强电磁干扰环境下的信号处理问题成为UPIoT急需研究和解决的特殊问题。弱信号检测的有两种基本方式：1）通过降低传感器和放大器的固有噪声来提高信噪比;2）通过研究产生噪声的原因以及噪声的规律提高输出信号的信噪比。不同方式的检测有不同的解决方法：针对不同的电磁干扰问题（如：周期型、脉冲型、随机型）提出了不同的解决方法;分析了相关检测法和自适应滤波器如何进行弱信号处理;提出一种基于压缩感知的弱信号处理算法，适用于信号具有稀疏性的情况下。通过抑制噪声来提高信噪比是较为传统的弱信号处理方式，但该方法在抑制噪声的同时也会使原始信号失真。因此，目前的研究开始尝试运用非线性的方法（如：分叉、混沌、分型）来处理弱信号处理的问题，用于弥补传统方法的不足，深入研究达芬振子在弱信号检测中的应用问题，并通过实验证明了其有效性;研究基于混沌共振理论的弱信号处理，通过搭建随机共振电路验证了对微弱信号的检测。
4.结束语
结合LPWAN技术实现整个电力配网的部署，不仅满足变电站运行监控监测的需求，其广覆盖的特性还可以满足线路上安全监测的需要。针对精细化的管控，结合LPWAN特性实现设备运行数据的前端测量识别，通过数字化分类识别巧妙解决了电力生产中表计种类复杂难以识别的难题，将物联网技术和信息化处理落实到生产应用中，实现低能耗的远程物联监控，在原有传感识别的基础上实现规模化的运行数据的测量与采集，填补物联网技术在电力应用的一块空白。基于LPWAN的能源物联网的应用不仅提升了能源的使用效率，而且还响应了智慧城市的发展要求。
参考文献：
[1] 张希华，卢姗姗，苏建军.全球能源互联网关键技术专利发展现状与对策[J].山东大学学报（工学版），2017，47（6）：143-150.
[2] 肖国骏，陈轶凌，谭骏华. 智慧能源及能源互联网技术在综合能源服务中的应用[J]. 大众用电，2019（08）： 35-36.
关键词：LPWAN;泛在电力物联网
近年来，随着全球经济的快速发展、现代化进程的进一步加速，随之而来的能源过度浪费等问题逐渐凸显。与此同时，物联网迎来了一个开创性的时代，物联网技术得以飞速发展。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。在物联网技术的基础上，电力物联网进入了蓬勃发展时期。
1. LPWAN电力物联网管理需求
在源网荷友好互动体系中，LPWAN终端控制器被用于光伏和风能等分布式发电系统、微电网、储能电站及智慧渔业、智慧家庭等负荷端的互动连接业务，实现能源资源最大化利用的运营模式。此外，LPWAN技术可用于多个运营场景，实现一张网、多场景数据共同上传至云平台。应用包括发电侧运行监测，输电侧线路电场数值分析与传送，变电侧设备故障分析，配电侧的电缆测温、设备绝缘监测、电气设施运行情境监测等，用电侧的漏电监测、充电桩管理等。
云平台对“云—端”通信的快速性和准确性有以下要求：
1）支持数据高并发及快速响应云平台需及时响应和快速处理同时上传的海量数据或能源管理层下发的指令。
2）支持海量数据存储为实现便捷管理海量数据，云平台需科学存储数据，方便实际应用。
3）支持智能分析与决策云端数据需合理分配，在构建能源知识库的同时，实现数据的智能分析和决策。
2. LPWAN技术电力物联网的应用
2.1输电环节
输电环节是电力系统中极其关键的一部分，为确保电力能源安全可靠的输送，在电力输送环节中往往会部署一些监测设备，对输电系统中的环境因素进行监测和分析，如电压等级、溫度、湿度等。输电环节监测系统具有监测点众多、高度分散、分布范围广、条件恶劣等特点，使用传统的无线通信技术无法满足对输电环节进行实时监测的需求。基于LPWAN技术的电力物联网可以满足各类监测传感器的长距离、低成本、长寿命、易维护等要求，使得基于LPWAN技术的电力物联网技术在输电环节的应用成为可能。
整体架构主要分为三层，从下到上依次为感知层、网络层、应用层。
（1）感知层是系统的最底层，负责输电线路信息的采集，由各类传感器组成，通过RS485接口与LoRa射频模块相连，发送数据;（2）网络层的主要功能是把感知层采集到的传感器数据通过LoRa网络安全、可靠地传输给应用层;（3）应用层的主要任务是对网络层传输的数据进行储存、整理和分析，实现对输电网络的远程监测。
2.2用电环节
在社区云平台设置电气防灾功能模块，实现社区内各类电器设备的防灾物联网数据采集、监控、分析和高级应用。社区云通过电信公用通信网、智慧社区通信网等与物联网、相关部门、居民进行信息互联互通。
基于LPWAN技术的电力物联网可采用电信运营商的物联网网络，包括NB-IoT，eMTC，4G/5G等，也可根据需要自建覆盖本社区的专用物联网网络，如LoRa网络等。能源物联网可通过与电气防灾传感器或终端通信，实现对物联网信息的采集。
在社区内各类配用电设备处部署智能剩余电流电气探测器、智能温感、故障电弧检测器等电气防灾物联网终端或传感器，实现电气设备的漏电、过载、超温、电弧、起火等异常情况数据采集和上传。部分重点配电箱和高风险配电箱安装智能电力仪表、智能开关、智能漏电保护器，采集供电线路供电电压、电流、功率、电量、漏电状态等，可实现远程控制，自动断开供电等，配合云平台实现智慧用电。各种物联网传感智能终端或智能传感器应具备物联网通信连接能力，方便接入物联网网络，实现与社区云平台的互联互通。
3. 泛在电力物联网需研究和解决的特殊问题
目前电力行业使用的通信方式主要依赖于电力线载波通信，也广泛采用微波通信、卫星通信和光纤通信的方式，当前也在建设基于LTE230系统的电力无线专网等。PLC是电网企业特有的一种依靠现有输电网络进行通信的技术，因使用方便、成本低而被广泛使用，有可能成为泛在电力物联网独特的通信方式。近年来低压电力线载波通信已引起各方面的重视，由于靠近用户侧，低压电力线载波通信技术可被应用于各个行业，尤其对于泛在电力物联网，可以有效地发挥出自身的技术优势，例如，不占用无线频道资源，能降低成本资金的投入、减少维护流程等。但是，电力线通信信道自身的特性（如频率选择特性、输入阻抗特性、噪声干扰特性及信号衰减特性等）会降低通信可靠性，这些问题需要进一步研究和解决。由于低压电网连接着众多的用电设备，每种用电设备都对电网有不同程度的噪声污染（谐波、脉冲等），特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等。
另一方面，电力系统中由于电气设备的各种操作（如：运行方式的改变、开关操作、故障等）会造成电磁振荡，会对UPIoT的信号造成各种电磁干扰。测量信号湮没在强噪声中，给信号检测和处理带来一定的挑战，因此强电磁干扰环境下的信号处理问题成为UPIoT急需研究和解决的特殊问题。弱信号检测的有两种基本方式：1）通过降低传感器和放大器的固有噪声来提高信噪比;2）通过研究产生噪声的原因以及噪声的规律提高输出信号的信噪比。不同方式的检测有不同的解决方法：针对不同的电磁干扰问题（如：周期型、脉冲型、随机型）提出了不同的解决方法;分析了相关检测法和自适应滤波器如何进行弱信号处理;提出一种基于压缩感知的弱信号处理算法，适用于信号具有稀疏性的情况下。通过抑制噪声来提高信噪比是较为传统的弱信号处理方式，但该方法在抑制噪声的同时也会使原始信号失真。因此，目前的研究开始尝试运用非线性的方法（如：分叉、混沌、分型）来处理弱信号处理的问题，用于弥补传统方法的不足，深入研究达芬振子在弱信号检测中的应用问题，并通过实验证明了其有效性;研究基于混沌共振理论的弱信号处理，通过搭建随机共振电路验证了对微弱信号的检测。
4.结束语
结合LPWAN技术实现整个电力配网的部署，不仅满足变电站运行监控监测的需求，其广覆盖的特性还可以满足线路上安全监测的需要。针对精细化的管控，结合LPWAN特性实现设备运行数据的前端测量识别，通过数字化分类识别巧妙解决了电力生产中表计种类复杂难以识别的难题，将物联网技术和信息化处理落实到生产应用中，实现低能耗的远程物联监控，在原有传感识别的基础上实现规模化的运行数据的测量与采集，填补物联网技术在电力应用的一块空白。基于LPWAN的能源物联网的应用不仅提升了能源的使用效率，而且还响应了智慧城市的发展要求。
参考文献：
[1] 张希华，卢姗姗，苏建军.全球能源互联网关键技术专利发展现状与对策[J].山东大学学报（工学版），2017，47（6）：143-150.
[2] 肖国骏，陈轶凌，谭骏华. 智慧能源及能源互联网技术在综合能源服务中的应用[J]. 大众用电，2019（08）： 35-36.