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浅谈泛在电力物联网建设的挑战与应用

发布时间: 2021-09-03  点击次数: 42次

孟洋

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要:深刻认识泛在电力物联网网络稳定的重要性、网络稳定面临的主要挑战,以及应在现有防护体系基础上开展哪些工作,对泛在电力物联网建设具有重要意义。
关键词:泛在物联网;挑战;应用

 

0引言
       今年,国家电网有限公司提出要全力打造“三型两网"企业,加快推进世界能源互联网企业建设。建设运营好坚强智能电网和泛在电力物联网,是建设世界能源互联网企业的重要物质基础;“两网"相辅相成、融合发展,将对推动能源生产和消费革命, 构建清洁低碳、稳定的能源体系产生深远影响。 
       其中,基于信息通信技术构建的泛在电力物联网,是能源互联网实现信息互联的“神经脉络",运用新兴通信技术建设可靠的“神经脉络",构筑稳定智能电网,是我们面临的新挑战。
1泛在电力物联网具有电力关键信息基础设施属性
       关键信息基础设施是指一旦发生网络稳定事故,会影响到能源、通信、金融、交通等重要行业的正常运行,给国家政治、经济、科技、社会、文化、国防、环境以及人民生命财产造成严重损失的信息系统或工业控制系统。泛在电力物联网既是对电力能源用户信息和数据稳定有重要影响的信息系统,又是对电网稳定稳定有重要影响的工业控制系统,作为电力系统与互联网跨界融合的基础设施,泛在电力物联网一端连接着电力能源,一端连接着金融、交通等重要行业领域,它的能源枢纽作用使其天然具有关键信息基础设施属性,对经济社会的正常运行有重要影响。 
       以新能源汽车为例,据保守估计,到 2025 年,我国新能源汽车保有量将达到 7000 万辆。公共充电基础设施对新能源汽车远距离行驶意义重大,一旦充电桩运营平台遭到大规模网络攻击,或网络通信系统及充电桩、能源路由器等节点设备遭到大规模蠕虫、木马攻击,公共充电基础设施很可能大面积瘫痪,大量新能源汽车将无法正常充电行驶。特别是在重大节假日期间,针对公共充电基础设施的大规模网络攻击,有可能演变为影响正常社会秩序的重大事件。 
       此外,泛在电力物联网实现了电力系统各环节万物互联、人机交互,不仅支持新能源大规模开发利用,还支持分布式能源、微电网、储能等交互式用户设施大量接入,这些分布式、交互式业务对电网资源配置、供电保障能力提出了挑战;多站融合、综合能源服务、区域能源自治、车联网等泛在电力物联网新业务的推广应用,也将促使海量用户信息、业务数据将被采集、存储、应用,这些数据的价值也凸显出泛在电力物联网的重要性。 
       目前,泛在电力物联网的建设刚起步,相关的业务系统、网络和终端设备数量、覆盖面还较少,社会与经济价值也还未完全凸显,网络稳定问题还不足以造成重大影响。但是量变终将引发质变,随着泛在电力物联网建设的深化与发展,相关业务的经济与社会价值将呈指数型增长,泛在电力物联网网络稳定的重要性也会日益显著。
2 泛在电力物联网面临的网络稳定挑战
       近年来,对物联网进行的网络攻击,以及利用物联网开展的网络攻击事件频频爆出,乌克兰停电事件、美国 IoT 网络攻击事件以及委内瑞拉大停电,都在告诉我们,网络空间稳定形势严峻,电力与能源领域网络稳定不容轻视。泛在电力物联网的电力关键信息基础设施属性,及其今后对经济与社会的重要影响,使其必然成为组织、敌对势力网络攻击或实施网络战的目标。
       泛在电力物联网的“泛在"、互联互通性强等特点,降低了网络攻击难度,提高了网络稳定管控难度,从三个方面构成了对网络稳定工作的挑战。
       一是网络稳定的暴露面较大。海量终端及网络接口,将会被部署到用户侧和各级系统节点,恶意攻击者从物理上可接触的点非常多,并且这些点很难被及时地进行监控。二是可攻击的路径较多。无线专网、卫星网络、5G、NB-IoT、近场通信等网络通信技术将被大量应用,虽然对终端接入成本降低和便利性提高有利,但也使得恶意攻击者进行攻击的网络路径增多。三是智能终端网络稳定漏洞较多。智能终端采用的操作系统、嵌入式设备、芯片等各异,通信协议、规约和接口实现方式也不同,出现稳定漏洞的几率大增,修复漏洞的难度也较大,容易被恶意攻击者用来攻击渗透。
       考虑到电力系统当前防护体系的实际情况,网络稳定保障工作还面临三方面挑战。一是传统电力业务与互联网的深度融合,对现有信息内外网及互联网的防护格局造成冲击,网络结构已无法满足业务部署及防护要求。二是感知造成的终端泛在化,对现有终端接入防护策略形成冲击,当前边界防护结构与防护设备的性能将无法完全满足要求。三是多专业、多业务基于泛在电力物联网的数据共享、业务协同,在提高运营成效的同时,对现有的网络稳定管理体系也形成较大冲击。网络稳定责任、数据稳定责任、运行稳定责任等需要重新梳理界定,网络稳定事件的响应、溯源、取证,以及重大活动稳定保障等现有管理措施也将面临泛在电力物联网业务带来的新挑战。 
       应该说,泛在电力物联网业务,特别是与能源运管服务有关的业务,其防护要求接近于电力监控系统,而其运行环境又远远复杂于电力监控系统,现有防护体系既不适应又难以有效覆盖新业务、新业态的发展情况,这些都对泛在电力物联网网络稳定带来了很大的挑战。
3 对泛在电力物联网网络稳定防护的思考
       泛在电力物联网是对现有电网业务的提升、完善和创新拓展,相应的网络稳定防护也应基于现有防护体系进一步优化、加强和发展,以满足泛在电力物联网新的防护需求。 
3.1优化提升,适应泛在电力物联网建设。 
       网络稳定管理体系方面,应逐步优化完善管理机制、制度、机构、队伍,适应泛在电力物联网网络稳定管理需求。对业务、数据、运行等方面的稳定管理责任进行重新梳理,明确责任的范围、岗位、人员等内容,探索专业化机构进行网络稳定运营与保障的模式,实现网络稳定管理的创新发展。 
       基础网络防护架构方面,要对信息内外网及互联网侧的边界、区域划分、部署要求进行调整,优化相关的稳定防护策略,以适应泛在电力物联网业务防护要求。要推动电力专用装备升级完善,提高设备的性能,加强设备集群化部署应用能力,实现专用装备资源池化、云化能力,满足泛在电力物联网防护需求。 
3.2创新发展,满足泛在电力物联网稳定需求。 
       从末端加强泛在电力物联网的网络稳定,在终端、边缘计算等领域,加强稳定芯片、稳定 OS 和中间件等技术措施的应用,研究采用可信计算、区块链等技术,实现终端与边缘设备的数据稳定、本体稳定。加强稳定可控技术应用,在智能终端、感知设备方面,加强稳定可控软硬件产品应用,在基础软件方面采用稳定可靠的操作系统、数据库系统,在信息基础资源方面采用北斗授时、定位产品及稳定可控的地理信息系统,同时加强在业务应用方面的自主创新,在网络通信设施方面,为基础、关键性业务构建专用、可控的通信网络,确保核心业务、关键业务的链路稳定可靠,采用 IPv6 协议进行终端接入网的组网,加强设备的网络准入控制。 
3.3强基固本,加强基础支撑性设施建设应用。 
       认证与授权基础设施是物联网防护的基础,泛在电力物联网也是物联网,加强密码与认证基础设施的建设,满足终端、网络等各层面轻、重量级的认证需求,是保障泛在电力物联网网络稳定的关键措施。
       在此基础上,加强仿真测试、上线测试、出厂测试、方案审核等“三同步"有关过程管控,对智能终端、软硬件组件供应链加强管理,从全生命周期对泛在电力物联网网络稳定提出要求;做好数据稳定的基础工作,明确数据稳定的责任主体、识别数据稳定等级,对业务数据访问、后台数据运维、网络数据访问加强稳定管控,打好数据稳定防护的基础;加快泛在电力物联网网络稳定有关规范、标准的制定,为泛在电力物联网长期的发展建设提供指导。 
4安科瑞为国家电网2021泛在电力物联网建设提供解决方案
       安科瑞电气深耕用户侧能效管理多年,逐渐完善了从电力物联网云平台到终端传感器的生态体系,在“源(电源)-网(电网)-荷(负荷)-储(储能)"各个环节加大研发投入,已经形成“云(云平台)-管(有线/无线物联)-边(边缘计算)-端(终端设备)"的生态系统,参与泛在电力物联网建设,为国家电网建设“三型两网"提供解决方案,使用户在任何时间、地点、人、物之间实现信息连接和交互,产生共享数据,从而为电网、发电、供应商、用户服务。
4.1云平台
       安科瑞电气近年来已经陆续推出变电所运维云平台、能源管理云平台、智慧用电云平台、环保用电监管云平台、充电桩(电动汽车/自行车)运营管理云平台、预付费管理云平台等云平台解决方案等解决方案,并已经广泛应用在多地国网公司用户端业务、环保部门、安监部门、住建部门等。
4.1.1变电所运维云平台
       据统计全国高供高计的工商业用户数量达到200多万户,规模巨大,但是大部分日常的运行维护工作比较传统,普遍存在人力成本高、工作效率低、故障抢修时间长、风险预防薄弱等问题。国网公司和众多电力运维公司正在抢占这块巨大的市场,这是一个千亿级别的市场。
       AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力仪表、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术,通过智能网关采集现场数据并存储在本地,再定时向云平台推送数据。平台可同时接入数以千计的用户变电站数据。平台采集的数据包括变电所电气参数和环境数据,包括电流电压功率、开关状态、变压器温度、环境温湿度、浸水、视频、门禁等信息,有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到人员手机上,并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环,提高运维效率,即时发现运行缺陷并做消缺处理。
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4.1.2能源管理云平台
       Acrelcloud-5000能耗管理云平台可适用于各个行业,如政府办公建筑、工厂、教育建筑、医疗建筑、商业综合体等,可通过局域网、互联网或者4G网络采集不同区域多个建筑或单位的用能数据。
       平台采集建筑电、水、气、冷热量等能源消耗数据和光伏、风力、储能等新能源数据,对用能数据进行分析,按照区域、部门、用电设备类型进行细分,提供同比、环比分析比较和用能数据追溯,同时可以提供尖峰平谷各时段用能数据和报表,帮助用户梳理能源账单明细和制定能源绩效考核。
4.1.3环保用电监管云平台
       近年来我们的环境质量有了很大的改善,这都归功于国家层面对环保的重视和环保部门的有力监察执法。安科瑞针对环保监察的痛点研发了环保用电监管系统解决方案,助力环保部门坚决打赢蓝天碧水保卫战。
Acrelcloud-3000环保用电监管平台主要为环保监察部门和产污排污企业服务,为环保部门提供在线监管和执法依据,为生产企业提供设备运行监控和产污排污数据记录。
       平台采集生产企业总用电量、生产用电和治污设备用电量,进行关联分析,及时给出环保设备异常运行信号或企业异常生产信号,实现全过程防控。前端设备采用不停电免接线方案采集用电数据,经LORA无线上传到环保数据网关,再通过4G上传平台服务器或县、市、省级环保平台。各地环保部门通过污染防治设施用电实时监控,实现对排污企业生产运行无死角、全流程监控,达到变人防为信息化技防,从事后处罚到介入式执法,扭转传统依靠人力、经验进行现场核查的状态,为环保监管开辟更加切实、有效的监管方式,形成长效机制。
4.1.4智慧用电云平台
       据应急管理部网站数据,2016~2018年期间因为电气原因导致的火灾占总数的百分之三十到百分之三十四左右,其中2018年全国共接报火灾23.7万起,因违反电气安装使用规定引发的火灾占总数的百分之三十四,较大和重大火灾事故中,电气火灾的比例更高。国务院、公安部消防局以及各省市自治区直辖市纷纷出台文件推广智慧用电,从源头上预防电气火灾的发生,现用电管理平台已在九小场所、三合一场所、养老福利院、医疗场所、学校、金融网点等人员密集场所广泛开展。
       安科瑞Acrelcloud-6000用电管理云平台对电气引发火灾的主要因素(线缆温度、漏电电流、负荷电流、电压)进行不间断的数据跟踪与统计分析,通过2G/NB-IOT/4G方式采集现场数据,实时发现电气线路和用电设备存在的隐患(如:线缆温度异常、过载、过压、欠压及漏电等)并通过短信、APP推送、自动语音呼叫等方式及时预警,有效防止电气火灾的发生。系统可以显示所有监测点位的漏电电流等电气参数和线缆温度,并支持巡检记录和派单操作,提供隐患分析报告,实时评估企业用电状态。
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4.1.5电动汽车/电瓶车充电桩运营管理云平台
       电动汽车现已成为广泛使用的绿色能源交通工具,Acrelcloud-9000充电桩运营管理云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控,同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警;通过微信小程序扫描二维码,进行支付后,系统发起充电请求,控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网,配合加密技术和秘钥分发技术,基于TCP/IP的数据交互协议,与云端进行直连。
       电动自行车数量越来越多,解决了老百姓短距离出行问题,但是和电动自行车相关的和火灾事故新闻也屡见不鲜,有逐年增长的趋势,给社会带来了很大的损失,成为人民生命和财产的一个隐患。基于电动自行车火灾的危害和特点,各级政府部门发文对电动自行车火灾的整治都放在规范停放和充电行为上。安科瑞Acrelcloud-9500充电桩运营管理云平台,针对电动自行车火灾治理提供充电管理、资产管理和交易管理的一揽子解决方案,解决充电难、管理难和收费难的问题,可应用于商业楼宇、小区、学校、医院等场所设置的电动自行车充电场所的运营管理。
4.1.6物业小区预付费管理云平台
       安科瑞远程预付费系统可以针对各商业综合体、小区、写字楼、办公楼、酒店式公寓等物业,学校、工厂宿舍的后勤管理部门以及连锁超市、大型物业分布式财务操作,在线支付,总部财务扎口等。目前Acrelcloud-3000预付费管理系统已经成功在上述各场景得到广泛的应用并已经稳定运行多年,适用于物业公司对小区、办公和商铺租户的水电预付费管理,或者学校对学生宿舍的用电预付费和用电管控系统。
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4.2有线/无线物联
       安科瑞根据多年来的项目经验,结合用户实际需求,开发了各类有线、区域无线、广域无线通讯产品,包括网关和终端设备。支持RS485、以太网、LORA、ZigBee、GPRS、4G、NB-IOT等多种通讯方式,随着5G建设步伐的加快,未来将会有越来越多的通讯方式融入产品,服务于泛在电力物联网建设。
4.3边缘计算
       安科瑞针对物联网应用开发了多款智能网关,采用嵌入式系统和边缘计算技术,现场采集和存储终端设备数据,并根据云平台的需要,采用不同的协议和云平台对接。所有数据采集、计算、异常报警触发逻辑均在网关就地设置,网络故障时数据存储在本地,网络恢复后补传数据,断点续传,提高数据可靠性。
4.4终端设备
针对泛在电力物联网的建设,安科瑞陆续推出多款物联网仪表,应用在不同场合以满足不同需求,2019年全年各类终端仪表出货量超过185万台。

  

4.5安科瑞产品在泛在电力物联网的应用
       近两年来,安科瑞已经陆续参与江苏省部分县市电力公司的用户端能源管理平台、云南省网综合能源服务平台、上海嘉定区147所学校电力运维平台等相关平台的建设,提供了包括云平台、智能网关、终端设备等产品,各类用户端云平台在全国各地运行案例700多套,并且根据用户需求不断完善产品功能,这些项目就是未来泛在电力物联网的一部分。
“能源互联网的春天到了,因其所能,它必将成为充满活力的新型能源业态。"尽管针对泛在电力物联网还有一些不同的声音,但是泛在电力物联网已经悄无声息的铺开来,融入能源互联网基础建设的方方面面。
5结论
       泛在电力物联网建设正在快速推进,各种创新型业务也在不断迭代发展,全场景网络稳定防护需要紧跟发展节奏,在技术与管理方面不断丰富完善、创新发展,只有这样,才能实现对泛在电力物联网的有效防护。
参考文献
[1]许勇刚.让泛在电力物联网平安落地
[2] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版


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