智慧用電在智慧港口建設中的應用-港口智慧用電通用解決方案
智慧用電在智慧港口建設中的應用
高一峰
什么是智慧用電?
智慧用電的技術(shù)實(shí)現
港口智慧用電需求分析
港口智慧用電的場(chǎng)景示例
港口智慧用電通用解決方案
能源是一切生命活動(dòng)的本源。能源的采集、消耗和管理是人類(lèi)社會(huì )有史以來(lái)從來(lái)都不敢忽視的事情。自工業(yè)文明以來(lái),電能幾乎扮演了人類(lèi)能源最重要的角色。隨著(zhù)現代社會(huì )的快速發(fā)展,石化能源的逐漸枯竭及其對自然環(huán)境的影響,推動(dòng)著(zhù)人類(lèi)不斷尋求和挖掘更好的清潔能源。電能是人類(lèi)生活、特別是工業(yè)生產(chǎn)中不可替代的、極其重要能量資源。電能的一部分來(lái)源于石化能源的轉化,如火力發(fā)電;一部分來(lái)源于清潔能源的生產(chǎn),如水電、風(fēng)力發(fā)電。如何最大限度地用好這些寶貴的電力資源,一直是人類(lèi)追求的重要目標。在人工智能時(shí)代到來(lái)的前夜,互聯(lián)網(wǎng)、廣義互聯(lián)網(wǎng)(含物聯(lián)網(wǎng))及人工智能技術(shù)正在不斷的催生著(zhù)各種新興技術(shù)的誕生和應用。隨著(zhù)低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)(LPWAN)的出現及其工業(yè)標準的建立,標志著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真正邁入了萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代,在大數據和云計算的加持下,以人工智能為主角的智慧生活時(shí)代的大幕正在徐徐開(kāi)啟。在這樣的大背景下,智慧用電毫無(wú)懸念地成為了這個(gè)時(shí)代大舞臺上的一個(gè)非常重要且亮眼的角色。顧名思義,智慧用電就是通過(guò)智慧的技術(shù)、手段和方法,來(lái)掌控和支配電力資源的使用,從而使我們的用電生活變得靈動(dòng)、聰明,既安全可靠、高效便捷,又避免浪費,節約成本,使我們的用電行為更加科學(xué)合理。片摘自中國電力出版社科普書(shū)籍《智慧生活看懂智能用電》智慧用電的實(shí)現離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應用,通過(guò)將用電設備接入到互聯(lián)網(wǎng)中,在大數據、云計算和人工智能的支持下,用戶(hù)可以自主或自動(dòng)地實(shí)現對電力設備的自動(dòng)化管理,實(shí)現對電力資源消耗的有效管控,從而以最安全、最節能、最高效的方式使用電力能源。智慧用電的技術(shù)實(shí)現由以下幾個(gè)部分構成:
它是由智能感知與智能控制模塊來(lái)實(shí)現的。智能感知模塊不僅夠實(shí)時(shí)感知和采集用電節點(diǎn)上的用電量大小,還能感知電壓、電流是否存在過(guò)載,是否存在漏電、短接,感知用現場(chǎng)的溫度、濕度,是否存在火災隱患等等。當智能感知模塊將感知數據采集后,通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù),將數據發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)服務(wù)器在智能系統的支持下,將數據轉發(fā)到云服務(wù)器,交付給云計算。云計算系統是一個(gè)基于人工智能的算法系統,它會(huì )將數據進(jìn)行必要的解碼、清洗、過(guò)濾、分類(lèi)、加工以后,交付給中心智慧控制系統,首先判斷數據信號是否異常,是否存在安全警示信息,判斷是否有必要采取拉閘限電措施。如果出現必要的警示信息或者緊急斷電信息,系統會(huì )立即將警示信息分發(fā)給相關(guān)用戶(hù)終端,同時(shí)將控制信息反饋到網(wǎng)關(guān)服務(wù)器,并通過(guò)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器無(wú)線(xiàn)傳輸到智能控制模塊,實(shí)現實(shí)時(shí)報警或拉閘限電。而且,這整個(gè)過(guò)程都是在無(wú)人值守的狀態(tài)下、以毫秒級的速度來(lái)實(shí)現的。如圖所示的智慧用電模塊,采用220VAC供電,能夠采集三相電壓、三相電流、N相電流、1路漏電流、4路溫度。能夠測量溫度、漏電流、電壓有效值、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電壓頻率、諧波等多種參數。同時(shí)具備測溫式和剩余電流式電氣火災探測、溫度報警、漏電流報警、過(guò)壓報警、欠壓報警、過(guò)流報警、溫度探頭短路/掉線(xiàn)故障、漏電流互感器短路/掉線(xiàn)故障、供電中斷故障、錯相缺相故障報警等功能。除了安全用電,智能感知模塊還能添加其他更多智能感知組件,如感知用電場(chǎng)景是否存在用電浪費問(wèn)題,實(shí)現人走關(guān)電、停工拉閘的自動(dòng)化等等。目前,智能感知與控制模塊在世界范圍內已經(jīng)有非常多的成熟產(chǎn)品提供市場(chǎng)選擇。國內市場(chǎng)也有許多優(yōu)秀的產(chǎn)品滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要。這是一個(gè)常規的智慧用電安全裝置。擁有剩余電流式電氣火災探測器、漏電報警器、火災報警器。2、低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)自誕生以來(lái),已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域獲得了業(yè)界的普遍認同和支持,具有極其廣闊的應用前景。該項技術(shù)以其低功耗、長(cháng)距離、低成本、廣覆蓋、安全可靠贏(yíng)得了物聯(lián)網(wǎng)應用的絕對優(yōu)勢。低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù),在實(shí)際場(chǎng)景中應用在終端的智能感知和控制模塊與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )之間,實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)M2M數據的實(shí)時(shí)傳輸。它有兩個(gè)不同的技術(shù)范疇,分別是LoRa和NB-IoT技術(shù)。其中,NB-IoT是基于窄帶的GSM蜂窩移動(dòng)通訊技術(shù),運行在授權頻譜上。特別對三大運營(yíng)商具有可以利用現有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò )資源優(yōu)勢,實(shí)現低成本、廣覆蓋。目前電信運營(yíng)商提供了一些網(wǎng)絡(luò )和平臺的服務(wù)支持。LoRa技術(shù)則是基于低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)擴頻技術(shù),目前我國的政策,它被允許免費運行在475-510MHz的非授權頻譜上。由于其低功耗、長(cháng)距離、低成本、廣覆蓋、安全可靠,以及部署靈活、按需配置,能支持在用戶(hù)單位內局域范圍自由組網(wǎng)通訊,是很多企業(yè)、工廠(chǎng)、園區,以及農業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)等特定場(chǎng)景下實(shí)現無(wú)線(xiàn)通訊的最佳選擇。需要說(shuō)明的是,LoRa技術(shù)在國內的落地曾經(jīng)有一定的爭議。因為該技術(shù)專(zhuān)利為美國Semtech(升特)公司所有。目前,全球LoRa芯片均為Semtech公司或其授權公司生產(chǎn)。2015年,Semtech牽頭成立了國際LoRa聯(lián)盟(LoRa Alliance)。創(chuàng )始成員中有IBM、思科這樣重量級產(chǎn)巨頭,也有知名半導體廠(chǎng)商MicroChip。此外,聯(lián)盟還拉攏了眾多電信運營(yíng)商,如:新加坡電信SingTel、荷蘭皇家電信KPN、瑞士電信Swisscom、比利時(shí)電信運營(yíng)商Belgacom?,F在,中國的阿里和騰訊也相繼加入了該聯(lián)盟。國際LoRa聯(lián)盟成立之初,就特別注重生態(tài)系統建設。在聯(lián)盟的推動(dòng)下,LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈相當成熟,從底層的芯片、模組到設備制造、系統集成,都有相關(guān)廠(chǎng)商。最新的數據顯示,全球LoRa聯(lián)盟成員已經(jīng)發(fā)展到500多家,有121家運營(yíng)商部署了LoRa網(wǎng)絡(luò ),全球LoRa節點(diǎn)已經(jīng)超過(guò)1個(gè)億。像美國、法國、德國、澳大利亞、印度等國家,都有LoRa運營(yíng)平臺。荷蘭KPN電信、韓國SK電信早在2016年上半年就部署了覆蓋全國的LoRa網(wǎng)絡(luò ),提供基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。2016年1月,由中興通訊牽頭并發(fā)起成立了“中國LoRa應用聯(lián)盟(CLAA)”,旨在推動(dòng)LoRa產(chǎn)業(yè)鏈在國內的應用和發(fā)展。目前,聯(lián)盟成員已經(jīng)超過(guò)1200多家。2018年中國市場(chǎng)LoRa芯片出貨量占全球一半以上,中國已成為L(cháng)oRa產(chǎn)業(yè)生態(tài)事實(shí)上最大的市場(chǎng)。2017年12月,工信部發(fā)布《微功率短距離無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設備技術(shù)要求(征求意見(jiàn)稿)》。在意見(jiàn)稿中,工信部將用于民用無(wú)線(xiàn)電的470-510MHz頻段,也就是LoRa用于組網(wǎng)的頻段,限定為單頻點(diǎn)使用,不能用于組網(wǎng)應用。當時(shí)國內國外所有的LoRa相關(guān)企業(yè)集體抱團,與工信部無(wú)線(xiàn)電管理局進(jìn)行溝通和磋商。歷時(shí)一年,工信部在認真梳理分析反饋意見(jiàn)建議基礎上,終于在2018年11月28日,對征求意見(jiàn)稿進(jìn)行了完善和修改,放寬了限制,允許470-510MHz頻段用于組網(wǎng)應用。LoRa無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)在全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的發(fā)展速度是空前,規模是巨大的,覆蓋是極其廣泛的。并且,幾乎在所有的物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域仍然有無(wú)限的想象和創(chuàng )新的空間,它毫無(wú)疑問(wèn)是人類(lèi)社會(huì )走向智慧生活的重要技術(shù)支撐。2019年11月28日,工信部發(fā)布第52號公告。再次對470-510MHz頻段的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的應用提出了非常明確的規范。需要特別強調的是,我們不應將這個(gè)公告視為對該項技術(shù)應用的限制,而應該視為對技術(shù)應用的規范,這恰恰是符合中國國情的政府宏觀(guān)管理模式的,放任不管的才是有風(fēng)險的,有明確規范的才是可持續的。可以預見(jiàn),LoRa技術(shù)在未來(lái)的中國市場(chǎng)即將迎來(lái)一個(gè)爆發(fā)式的增長(cháng)。物聯(lián)網(wǎng),在技術(shù)層面上實(shí)際上是互聯(lián)網(wǎng)的拓展,它與傳統互聯(lián)網(wǎng)共同構成廣義上的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng),即萬(wàn)物互聯(lián),是物與物的連接。但是,它們之間的通訊數據最終都要接入互聯(lián)網(wǎng),并且傳送到云計算平臺,才能依賴(lài)互聯(lián)網(wǎng)海量的分布式數據存儲能力和云計算系統的人工智能算力,實(shí)現對目標網(wǎng)絡(luò )系統的智能管控。離開(kāi)互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng),可以實(shí)現智能應用,但很難實(shí)現智慧管理。因為人工智能技術(shù)是建立在大數據和機器學(xué)習技術(shù)之上的,離開(kāi)了大數據的支持,人工智能的實(shí)現將是極其有限的。孤立的物聯(lián)網(wǎng)系統,必然導致通訊數據用完即止,甄沒(méi)在物理終端里。所以,物聯(lián)網(wǎng)的智能終端(智能感知與智能控制模塊)一定是要通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)連接到互聯(lián)網(wǎng)的。所以,互聯(lián)網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現智慧應用的過(guò)程和體系中,起著(zhù)重要的基礎支撐作用。顯然,大數據和云計算是實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)智慧應用的終極重器。幾乎任何一個(gè)完善的智能物聯(lián)網(wǎng)系統,最終都會(huì )要創(chuàng )建或依賴(lài)一個(gè)云計算平臺提供遠程的數據管理和數據計算的支持。如前所述,通常一個(gè)智慧用電的終端模組,會(huì )設置5分鐘左右向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送一次監測數據。它就像人體的脈搏一樣,持續不間斷地監測著(zhù)用電對象。而這些發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )的數據,被傳送到互聯(lián)網(wǎng)以后,是需要進(jìn)行大數據處理的,包括實(shí)時(shí)的分布式數據存儲,存儲數據并不是靜態(tài)保管和無(wú)處理轉發(fā)的,它還需要進(jìn)行數據清洗、分類(lèi)、檢查、判斷、封裝、存儲,以便為實(shí)際應用場(chǎng)景下的垂直應用系統提供清潔數據的查詢(xún)和有效數據的分析支持。而這些工作,都是由云計算平臺來(lái)完成的。云計算平臺不僅能夠反饋實(shí)時(shí)的緊急操作指令,通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)觸發(fā)智能控制模塊實(shí)現限電操作,同時(shí),推送消息至用戶(hù)的應用服務(wù)器,向用戶(hù)終端實(shí)時(shí)分發(fā)警示信息,還能通過(guò)API接口為應用場(chǎng)景下的其他垂直應用系統提供數據服務(wù)支持,這就為智慧港口的智能生態(tài)系統實(shí)現數據共享提供了技術(shù)保障。港口是機電設備密集型經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所,歷來(lái)是電力能源消耗大戶(hù)。在安全用電與能耗管理上具有剛性需求。下面列舉不同類(lèi)型的港口碼頭的機電設備的常規配置及供電裝置。碼頭前沿:岸壁式起重機、門(mén)座式起重機,船舶岸基供電裝置。后方堆場(chǎng):裝卸橋、行吊,冷藏箱堆場(chǎng)供電裝置。水平運輸:新型智能化電氣控制無(wú)人駕駛拖車(chē)。碼頭前沿:躉船、皮帶裝船機,門(mén)座式抓斗裝卸船機,船舶岸基供電裝置。后方堆場(chǎng):坑道式螺旋卸車(chē)機、皮帶卸車(chē)機、翻車(chē)機、斗輪式裝船機。碼頭前沿:躉船、門(mén)座式起重機,裝卸橋,船舶岸基供電裝置。后方堆場(chǎng):門(mén)座式起重機、行吊、橋吊。以上這些電氣設備、設施無(wú)一不是與安全用電有關(guān),且構成港口安全用電數量的主體。他們在智慧用電的需求上主要包括兩個(gè)方面:客觀(guān)上,這兩個(gè)方面都存在巨大的需求。首先是安全用電,安全問(wèn)題歷來(lái)都是港口生產(chǎn)中的重中之重的大事。港區生產(chǎn)是一個(gè)半開(kāi)放的作業(yè)環(huán)境,現場(chǎng)作業(yè)條件受氣候影響極大,且通常安裝和使用了大型機電設備。危險品碼頭更是涉及有易燃、易爆、有毒、有害氣體泄漏風(fēng)險,一旦發(fā)生安全事故,無(wú)論是漏電、短路,或者是爆炸、火災,都可能導致重大安全事故,危及現場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全。其次是能耗管理,由于港口作業(yè)的特殊性,面對的都是笨重長(cháng)大件貨物、20-40英尺國際集裝箱,或者是散裝煤炭、礦石,再或者是原油、石油、天然氣等等,設備在運轉過(guò)程中電能消耗都非常大,它不僅構成港口生產(chǎn)成本的重要指標,一些重點(diǎn)港口,在電力供應上,甚至需要得到地方電力供應系統的特別保障和支持。所以,客觀(guān)上,智慧用電系統,對于任何一個(gè)港口而言,都是需求剛性和迫切、值得特別重視和應該迅速搭建的。這里以集裝箱碼頭岸橋智慧用電終端聯(lián)網(wǎng)為示例,顯示碼頭終端設備如何接入智慧用電網(wǎng)絡(luò ),其他用電設備或用電單元的接入方式均可參考。如圖所示,用于港口智慧用電的終端設備是一個(gè)智能集成裝置,支持三相交流電智能監測和智能控制。它包含:
該裝置可以部署安裝在任何一臺港口機電設備上。它通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)通訊模塊與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊,網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)關(guān)服務(wù)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)將數據傳送到分布式數據存儲中心,云計算平臺監測到數據更新后,會(huì )進(jìn)行一系列的數據處理,并作出相應的反饋,如果發(fā)生報警、火災等信息,云服務(wù)平臺會(huì )實(shí)時(shí)將報警信息分發(fā)到所有相關(guān)的電腦和移動(dòng)終端,必要時(shí)會(huì )遠程切斷電源。一般來(lái)說(shuō),港口智慧用電系統應該是構成智慧港口集成系統的一部分,它屬于智慧港口建設中的一個(gè)垂直應用子系統。通常,無(wú)論哪種類(lèi)型的港口生產(chǎn)場(chǎng)景下,其智慧用電的模式都是相似的,差別在于機電設備分散布局和終端模塊的配置規模。這里,我們可以針對港口智慧用電給出一個(gè)通用的解決方案,或者叫方案模型,如下圖示。