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物联网在能源中有哪些应用?

木马童年 2017-9-10 13:37 162 0

物联网是二十一世纪的现象,是实体消费产品连接到网络,并开始通过传感器和致动器的装置相互沟通。智能电网是物联网(IoT)大多数的应用之一。由于讯息认知、传输、处理广泛地存在于智能电网,物联网技术在电网建设、 ...

  第一节 简介

  由于目前的能源危机,已开始要求各个地区需节能减碳。二氧化碳的排放和全球暖化已成为世界严重的问题,许多研究的发展目的是为了减少能源的消耗。为了实现节能环保技术,监测和分析能源的消耗是基本的技术。

  物联网是二十一世纪的现象,是实体消费产品连接到网络,并开始通过传感器和致动器的装置相互沟通。智能电网是物联网(IoT)大多数的应用之一。由于讯息认知、传输、处理广泛地存在于智能电网,物联网技术在电网建设、安全管理、安全监控、数据采集和互动等将扮演重要的角色。自从实施智能电网技术后,能够在高峰时段视情况调整系统的负载平衡,以及对于居民的目标是利用以时间为基础的定价通知需求响应机制,减少在高峰时期的电用量。

  第二节 什么是智能电网?

  智能电网的概念可以被定义为下一代电网,它利用先进的控制和通讯技术,将能量产生、分配和消耗优化。智能电网可以使用各种工具,例如先进的定时器,双向通讯和智能控制的设备,以提高系统的效率。此外,由于这些系统的种种优点,智能电网扮演减少温室气体排放的作用。在智能电网中,能透过双向通讯让供货商能实时观察一间房子所消耗的能量,并经由智能电表将讯息发送给消费者。因此,智能电网能提高消费者的参与度,以达到能量消耗优化。

  智能电网系统基本上可以分为三个主要部分,分别为产生、分配和消费,如下说明:

  一、发电:电力是使用各种可再生和不可再生资源(如使用煤,气,风厂,核电站,水电站,太阳能电站等火电厂)的方式由发电厂产生,发电机根据消费者需求及有限的资源来生产电力。

  二、配电:电力分配系统的网络将电力从电力产生器传递给消费者。配电通过配电站和输电线路。该电力在电力传输的过程中损耗最小。某部分电力慢慢流失是因为传输线所产生的热。

  三、电力消耗:电力消耗会因不同机构的消费者(例如,家用,工业和政府机关)而有所不同。因此,必须确认各电力的需求,使得电力供给及分配优化。为了实施这一目标,智能电表装置可以快速、准确地收集电力消耗的数据。

  四、智能电表:智能电表,它能收集家里家电的消耗数据。家电和智能电表共同建立一个家庭局域网络(HAN)。

  五、集中器/通讯闸:一个集中器,作为数据的有效转发器的设备。集中器收集在家庭中特定区域的智能电表的消耗数据以及储存在缓冲器的数据。M2M 的协议转换集讯器从缓冲区中取出排列第一的封包,并将封包(本地网络所产生的讯号流量)传送连回至电信网络的节点并进一步与电信核心网络链接传输。

  六、广域网(WAN)基地台:广域网基地台从集中器累积数据,并将这些数据经由回程有线网络传送至控制中心。广域网基地台分配带宽给每个集中器。

  七、控制中心:控制中心从 WAN 基地台接收储存数据后,用这些数据来估算电力的需求,使发电和配电优化。

  

 

  图 5.1 智能电网提升能源系统,客户可以使用该系统提供更高的可靠性和讯息来节约能源

  第三节 物联网在智能电网中的应用

  为了将物联网的应用扩展到智能电网,关键是这些新技术。利用新材料技术,讯息技术和通讯技术等,物联网的设备正朝向更小、电力消耗更低、电池寿命更长的方向前进。在生活中,有着无所不在的通讯沟通、更宽的带宽、更强的计算能力、决策和智能控制的能力。在智能电网中物联网应用的主要情况如下:

  一、自动抄表系统(AMR)与高可靠性

  自动抄表系统在智能电网中有着明显作用。它是一个负责采集、智能处理和实时监控电力消耗资讯的系统。物联网支持自动采集、异常测量、电能质量监测与消费行为分析。此外,该系统还有以下功能,如讯息发布或是分布式能源监视与智能功率装置之间的讯息交换。

  

 

  图 5.2 根据 PLC 和 OPLC 的 AMR 架构

  在传统上,电力消耗的讯息是经由人工在现场收集一段时间,这导致时效性不足、准确性和适应性也都不够。远程抄表系统是利用无线传感器网络(WSN)、电力线通讯(PLC)和光纤电源线通讯(OPLC)来收集电量数据,并经由私人电力线通讯网络和公用通讯网取得有用的实时信息,而今后能经由先进的通讯技术、估算技术和电能计量技术达到电力消耗统计、分析的使用状态。此系统的意义在于它的实时、准确、有效率的电能质量统计和监测方面。此系统将大大增强传统 AMR 系统的稳定性和准确性。人们可以从该系统享受到许多好处。他们可以根据统计和电力消耗分析来调整用电,以及实施阶梯电价以达到省钱的目的。

  二、电力输送、变电和配电的智慧巡逻

  电力输送、变电和配电设备的巡视,主要是在固定的时间运用人工来进行。受到外在因素影响,如气候和环境,巡逻的数量和质量并不好。在这些情况下,智能巡逻会是一个更好的选择。它根据物联网功能的无线传感器网络(WSN),以及可以帮助识别的标签定位设备,提高巡视工作的标准化和规范化。智能巡逻可提高巡视质量和效率,并确保电力系统的稳定性和提高供电的可靠性。智能巡逻的应用主要包括巡逻人员定位、设备环境及状态检测、状态检修协助和规范运作的指导等。

  三、智能家居服务

  作为智能电网重要组成的部分,智能家居是实现用户与电网之间的实时互动,提高电网的综合服务能力,满足互动营销的需求,提高服务质量的重要方法。智能家居服务被广泛应用于日常中。例如,居民可以让自己的洗衣机和充电器在半夜时进行切换,这样会使电费相对较低。他们可以在回家前透过电话或透过简讯,将家中的空调和电热水器打开,他们可以一到家就享受到空调和热水。也可随时监控家中的情况,若不在家的时候,家中出现小偷,可以透过监控立即打电话报警。透过转移住宅的负荷高峰,可以减少用于输电和配电容量的需求,因而减少电力系统上的花费。同时,将住宅的负荷高峰转移给工业和商业用户,有助于提高电网企业的收入而不增加发电量。

  

 

  图 5.3 智能家居和大楼自动化系统概述:无论是经由电源线或无线都可以相互沟通

  物联网可以应用于智能电网的各个方面。可在一般家庭传感器网络协议来使用智能家居服务系统,它提供了智能家电控制、万用电表抄表、电力消耗(包括电力,天然气,水,热力等)的讯息收集、家里的敏感负载监控和控制、再生能源的存取、用户互动、讯息服务等。它也可以采取开发一般性平台,在研究无线传感器、电源线通讯以及电源线复合电缆上,和下一代宽带无线通信的整合网络技术同时进行。最后,物联网的应用将加速数字化、通讯城市、AMR、分析和专家决策系统的发展。因此,我们将能节约能源以及有效地使用各种资源的目标。

  物联网(IoT)在建筑环境智能自动化中有更多的机会,这样的好处对于节能与智慧能源网的整合、智慧建筑与住宅都代表着有很大的机会可以减少企业和家庭的电力消耗。电力供货商可根据时间表,以及大楼居民使用模式的效率进行优化。智能电表和电器将与智慧电源沟通,以帮助平衡供应和需求。

  能量感知智能家居的智能电网整合,无疑地会引出一些智能电网的主要目的并成功整合。从相互作用所产生的好处说明如下:

  (一)更有效的讯息回传

  国内每家每户的能源浪费占了相当大的比例,问题可归因于缺乏适当的讯息回传。月底的账单就是一个例子。虽然提到了我们的整体消费,和我们在付款上花了多少钱,但电费不能帮助我们节约能源,因为它没有透露我们到底把大部分的电力花在何处。毫无疑问地,智能电网,可与我们的智能家居之间不断地互动,将进行更有效的讯息回传。如果某设备设定在一个特定时刻会被开启通知,价格讯号电价可在任何给定的时间发送到家中,让我们的设备立即通知我们所耗费的能源量(以金钱计算)。这种能源消耗的详细图,有望给消费者更深入的了解自己的能源使用模式,并有机会降低月底的电费。不仅有利于口袋里的钱,也帮助消费者做出更明智的决策。

  (二)调节高峰时段的能力

  该智能家居和智能电网的互动,提供同样具有价值的好处是引入动态定价机制,根据目前的需求和所需充电的时间,来进行充电。这种方案使消费者能够在非高峰时段用较低的费用使用能源,并让需求有更好的分配。从高峰到非高峰期中移动的一部分,这个过程称为调峰。

  (三)能量交换

  从智能家居和智能电网之间的双向通讯,所得到的另一个好处是,智能电网消费者有权选择成为能源的生产者。透过其处所安装分布式能源资源,客户可以产生、储存和卖出能量回传给电网。

  四、电动汽车之讯息管理系统

  电动汽车(EV)提供一个有趣的智能电网的潜力并超越环保交通。它可用于储存能量。电动汽车充电站包括四个方面:供电系统、充电设备、监控系统及相关配套设施,如图 5.4 所示。供电系统主要负责安全输出和电力计量管理,例如变压器和谐波控制设备等等。电动汽车的充电和放电,透过充电设备来完成,包括直流充电和交流充电。交流充电提供慢速充电的电动车,而直流充电提供快速充电模式和计费功能,监控系统负责环境和安全的实时监测。

  

 

  图 5.4 运用智能电网整合电动汽车包括多个数据交换

  EV 被视为智能电网的移动蓄电装置,并且有助于电网减轻峰谷的影响。这新功能将能更好地管理资源,相当地环保。消费者还可以在非高峰时间使用到较便宜的的电力。为了实施电动车的互连充电站和电网,它需要同时开发电动汽车行业,通讯辅助设备和管理平台。

 

  根据智能感应和高容量的传输设备,物联网技术可提供智慧感应和高效互动的电动汽车、电池与充电站。智能感应装置包括无线传感器、RFID 标签和 GPS,而高容量的传输设备包括电力光纤网络、电力线载波通讯和无线宽带。另外,在管理整个生命周期的在线监控、集中控制、优化资源分配和设备,可透过综合讯息分析来实施。透过感知的可用资源和资源的利用状态,统一资源分配和有效率的服务,可提供给充电站和消费者。

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