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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？

  • 智慧用電的技術實現(xiàn)

  • 港口智慧用電需求分析

  • 港口智慧用電的場景示例

  • 港口智慧用電通用解決方案

 

能源是一切生命活動的本源。能源的采集、消耗和管理是人類社會有史以來從來都不敢忽視的事情。自工業(yè)文明以來，電能幾乎扮演了人類能源最重要的角色。隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，石化能源的逐漸枯竭及其對自然環(huán)境的影響，推動著人類不斷尋求和挖掘更好的清潔能源。電能是人類生活、特別是工業(yè)生產中不可替代的、極其重要能量資源。電能的一部分來源于石化能源的轉化，如火力發(fā)電；一部分來源于清潔能源的生產，如水電、風力發(fā)電。如何最大限度地用好這些寶貴的電力資源，一直是人類追求的重要目標。
 
在人工智能時代到來的前夜，互聯(lián)網、廣義互聯(lián)網（含物聯(lián)網）及人工智能技術正在不斷的催生著各種新興技術的誕生和應用。隨著低功耗廣域網無線通信技術（LPWAN）的出現(xiàn)及其工業(yè)標準的建立，標志著物聯(lián)網技術真正邁入了萬物互聯(lián)的時代，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代的大幕正在徐徐開啟。
 
在這樣的大背景下，智慧用電毫無懸念地成為了這個時代大舞臺上的一個非常重要且亮眼的角色。
 
一、什么是智慧用電？
 
顧名思義，智慧用電就是通過智慧的技術、手段和方法，來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、聰明，既安全可靠、高效便捷，又避免浪費，節(jié)約成本，使我們的用電行為更加科學合理。
 
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片摘自中國電力出版社科普書籍《智慧生活看懂智能用電》
 
二、智慧用的電技術實現(xiàn)
 
智慧用電的實現(xiàn)離不開物聯(lián)網技術的發(fā)展和應用，通過將用電設備接入到互聯(lián)網中，在大數據、云計算和人工智能的支持下，用戶可以自主或自動地實現(xiàn)對電力設備的自動化管理，實現(xiàn)對電力資源消耗的有效管控，從而以最安全、最節(jié)能、最高效的方式使用電力能源。
 
智慧用電的技術實現(xiàn)由以下幾個部分構成：

  • 智能感知與控制技術

  • 低功耗廣域網的無線傳輸技術（LoRa與NB-IoT）

  • 互聯(lián)網技術

  • 大數據與云計算技術

 
1、智能感知與控制技術

它是由智能感知與智能控制模塊來實現(xiàn)的。

智能感知模塊不僅夠實時感知和采集用電節(jié)點上的用電量大小，還能感知電壓、電流是否存在過載，是否存在漏電、短接，感知用現(xiàn)場的溫度、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，通過無線傳輸技術，將數據發(fā)送到互聯(lián)網網關，網關服務器在智能系統(tǒng)的支持下，將數據轉發(fā)到云服務器，交付給云計算。云計算系統(tǒng)是一個基于人工智能的算法系統(tǒng)，它會將數據進行必要的解碼、清洗、過濾、分類、加工以后，交付給中心智慧控制系統(tǒng)，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(xiàn)必要的警示信息或者緊急斷電信息，系統(tǒng)會立即將警示信息分發(fā)給相關用戶終端，同時將控制信息反饋到網關服務器，并通過網關服務器無線傳輸到智能控制模塊，實現(xiàn)實時報警或拉閘限電。而且，這整個過程都是在無人值守的狀態(tài)下、以毫秒級的速度來實現(xiàn)的。
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智能感知與控制模塊示意圖
 
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、無功功率、視在功率、電壓頻率、諧波等多種參數。同時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、過壓報警、欠壓報警、過流報警、溫度探頭短路/掉線故障、漏電流互感器短路/掉線故障、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，如感知用電場景是否存在用電浪費問題，實現(xiàn)人走關電、停工拉閘的自動化等等。

目前，智能感知與控制模塊在世界范圍內已經有非常多的成熟產品提供市場選擇。國內市場也有許多優(yōu)秀的產品滿足市場的需要。
 
這是一個常規(guī)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、低功耗廣域網的無線傳輸技術

低功耗廣域網的無線傳輸技術自誕生以來，已經在物聯(lián)網領域獲得了業(yè)界的普遍認同和支持，具有極其廣闊的應用前景。該項技術以其低功耗、長距離、低成本、廣覆蓋、安全可靠贏得了物聯(lián)網應用的絕對優(yōu)勢。

低功耗廣域網的無線傳輸技術，在實際場景中應用在終端的智能感知和控制模塊與互聯(lián)網網絡之間，實現(xiàn)物聯(lián)網M2M數據的實時傳輸。

它有兩個不同的技術范疇，分別是LoRa和NB-IoT技術。

其中，NB-IoT是基于窄帶的GSM蜂窩移動通訊技術，運行在授權頻譜上。特別對三大運營商具有可以利用現(xiàn)有2G/3G/4G網絡資源優(yōu)勢，實現(xiàn)低成本、廣覆蓋。目前電信運營商提供了一些網絡和平臺的服務支持。

LoRa技術則是基于低功耗廣域網的無線擴頻技術，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，能支持在用戶單位內局域范圍自由組網通訊，是很多企業(yè)、工廠、園區(qū)，以及農業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)等特定場景下實現(xiàn)無線通訊的最佳選擇。

需要說明的是，LoRa技術在國內的落地曾經有一定的爭議。因為該技術專利為美國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。

2015年，Semtech牽頭成立了國際LoRa聯(lián)盟（LoRa Alliance）。創(chuàng)始成員中有IBM、思科這樣重量級產巨頭，也有知名半導體廠商MicroChip。此外，聯(lián)盟還拉攏了眾多電信運營商，如：新加坡電信SingTel、荷蘭皇家電信KPN、瑞士電信Swisscom、比利時電信運營商Belgacom?，F(xiàn)在，中國的阿里和騰訊也相繼加入了該聯(lián)盟。
 智慧用電.jpg
國際LoRa聯(lián)盟成立之初，就特別注重生態(tài)系統(tǒng)建設。在聯(lián)盟的推動下，LoRa的產業(yè)鏈相當成熟，從底層的芯片、模組到設備制造、系統(tǒng)集成，都有相關廠商。

最新的數據顯示，全球LoRa聯(lián)盟成員已經發(fā)展到500多家，有121家運營商部署了LoRa網絡，全球LoRa節(jié)點已經超過1個億。像美國、法國、德國、澳大利亞、印度等國家，都有LoRa運營平臺。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網絡，提供基于LoRa的物聯(lián)網服務。

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LoRa產業(yè)鏈在國內的應用和發(fā)展。目前，聯(lián)盟成員已經超過1200多家。2018年中國市場LoRa芯片出貨量占全球一半以上，中國已成為LoRa產業(yè)生態(tài)事實上最大的市場。

2017年12月，工信部發(fā)布《微功率短距離無線電發(fā)射設備技術要求（征求意見稿）》。在意見稿中，工信部將用于民用無線電的470-510MHz頻段，也就是LoRa用于組網的頻段，限定為單頻點使用，不能用于組網應用。

當時國內國外所有的LoRa相關企業(yè)集體抱團，與工信部無線電管理局進行溝通和磋商。歷時一年，工信部在認真梳理分析反饋意見建議基礎上，終于在2018年11月28日，對征求意見稿進行了完善和修改，放寬了限制，允許470-510MHz頻段用于組網應用。

LoRa無線通訊技術在全球物聯(lián)網市場的發(fā)展速度是空前，規(guī)模是巨大的，覆蓋是極其廣泛的。并且，幾乎在所有的物聯(lián)網應用領域仍然有無限的想象和創(chuàng)新的空間，它毫無疑問是人類社會走向智慧生活的重要技術支撐。

2019年11月28日，工信部發(fā)布第52號公告。再次對470-510MHz頻段的無線通訊技術的應用提出了非常明確的規(guī)范。需要特別強調的是，我們不應將這個公告視為對該項技術應用的限制，而應該視為對技術應用的規(guī)范，這恰恰是符合中國國情的政府宏觀管理模式的，放任不管的才是有風險的，有明確規(guī)范的才是可持續(xù)的。

可以預見，LoRa技術在未來的中國市場即將迎來一個爆發(fā)式的增長。
 
3、互聯(lián)網技術

物聯(lián)網，在技術層面上實際上是互聯(lián)網的拓展，它與傳統(tǒng)互聯(lián)網共同構成廣義上的互聯(lián)網。

物聯(lián)網，即萬物互聯(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，并且傳送到云計算平臺，才能依賴互聯(lián)網海量的分布式數據存儲能力和云計算系統(tǒng)的人工智能算力，實現(xiàn)對目標網絡系統(tǒng)的智能管控。

離開互聯(lián)網的物聯(lián)網，可以實現(xiàn)智能應用，但很難實現(xiàn)智慧管理。因為人工智能技術是建立在大數據和機器學習技術之上的，離開了大數據的支持，人工智能的實現(xiàn)將是極其有限的。孤立的物聯(lián)網系統(tǒng)，必然導致通訊數據用完即止，甄沒在物理終端里。所以，物聯(lián)網的智能終端（智能感知與智能控制模塊）一定是要通過無線通訊技術連接到互聯(lián)網的。

所以，互聯(lián)網在物聯(lián)網實現(xiàn)智慧應用的過程和體系中，起著重要的基礎支撐作用。
 
4、大數據與云計算技術

顯然，大數據和云計算是實現(xiàn)物聯(lián)網智慧應用的終極重器。幾乎任何一個完善的智能物聯(lián)網系統(tǒng)，最終都會要創(chuàng)建或依賴一個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，通常一個智慧用電的終端模組，會設置5分鐘左右向網絡發(fā)送一次監(jiān)測數據。它就像人體的脈搏一樣，持續(xù)不間斷地監(jiān)測著用電對象。而這些發(fā)送到網絡的數據，被傳送到互聯(lián)網以后，是需要進行大數據處理的，包括實時的分布式數據存儲，存儲數據并不是靜態(tài)保管和無處理轉發(fā)的，它還需要進行數據清洗、分類、檢查、判斷、封裝、存儲，以便為實際應用場景下的垂直應用系統(tǒng)提供清潔數據的查詢和有效數據的分析支持。而這些工作，都是由云計算平臺來完成的。

云計算平臺不僅能夠反饋實時的緊急操作指令，通過無線網關觸發(fā)智能控制模塊實現(xiàn)限電操作，同時，推送消息至用戶的應用服務器，向用戶終端實時分發(fā)警示信息，還能通過API接口為應用場景下的其他垂直應用系統(tǒng)提供數據服務支持，這就為智慧港口的智能生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)數據共享提供了技術保障。
 
三、港口智慧用電需求分析
 
港口是機電設備密集型經營場所，歷來是電力能源消耗大戶。在安全用電與能耗管理上具有剛性需求。

下面列舉不同類型的港口碼頭的機電設備的常規(guī)配置及供電裝置。

集裝箱碼頭
碼頭前沿：岸壁式起重機、門座式起重機，船舶岸基供電裝置。
后方堆場：裝卸橋、行吊，冷藏箱堆場供電裝置。
水平運輸：新型智能化電氣控制無人駕駛拖車。

散貨碼頭
碼頭前沿：躉船、皮帶裝船機，門座式抓斗裝卸船機，船舶岸基供電裝置。
后方堆場：坑道式螺旋卸車機、皮帶卸車機、翻車機、斗輪式裝船機。
水平運輸：皮帶式運輸機。

雜貨碼頭
碼頭前沿：躉船、門座式起重機，裝卸橋，船舶岸基供電裝置。
后方堆場：門座式起重機、行吊、橋吊。
水平運輸：新型智能化電氣水平運輸拖車。

危險品碼頭（如液貨碼頭）
碼頭前沿：躉船、輸油臂、液化氣鶴嘴。
后方堆場：儲油罐、儲氣罐。
水平運輸：輸油管路、輸氣管路。

以上這些電氣設備、設施無一不是與安全用電有關，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方面：

一是用電安全。
二是能耗管理。

客觀上，這兩個方面都存在巨大的需求。

首先是安全用電，安全問題歷來都是港口生產中的重中之重的大事。港區(qū)生產是一個半開放的作業(yè)環(huán)境，現(xiàn)場作業(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、有害氣體泄漏風險，一旦發(fā)生安全事故，無論是漏電、短路，或者是爆炸、火災，都可能導致重大安全事故，危及現(xiàn)場作業(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，設備在運轉過程中電能消耗都非常大，它不僅構成港口生產成本的重要指標，一些重點港口，在電力供應上，甚至需要得到地方電力供應系統(tǒng)的特別保障和支持。

所以，客觀上，智慧用電系統(tǒng)，對于任何一個港口而言，都是需求剛性和迫切、值得特別重視和應該迅速搭建的。
 
四、港口智慧用電的場景示例

這里以集裝箱碼頭岸橋智慧用電終端聯(lián)網為示例，顯示碼頭終端設備如何接入智慧用電網絡，其他用電設備或用電單元的接入方式均可參考。

港口智慧用電.png

如圖所示，用于港口智慧用電的終端設備是一個智能集成裝置，支持三相交流電智能監(jiān)測和智能控制。它包含：

  • 一個智慧用電集成模塊（含智能感知模塊和智能控制模塊）

  • 一個LoRa無線通訊模塊

該裝置可以部署安裝在任何一臺港口機電設備上。它通過LoRa無線通訊模塊與網關進行無線通訊，網關或網關服務器通過互聯(lián)網實時將數據傳送到分布式數據存儲中心，云計算平臺監(jiān)測到數據更新后，會進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，云服務平臺會實時將報警信息分發(fā)到所有相關的電腦和移動終端，必要時會遠程切斷電源。
 
 
五、港口智慧用電通用解決方案
 
一般來說，港口智慧用電系統(tǒng)應該是構成智慧港口集成系統(tǒng)的一部分，它屬于智慧港口建設中的一個垂直應用子系統(tǒng)。
通常，無論哪種類型的港口生產場景下，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(guī)模。這里，我們可以針對港口智慧用電給出一個通用的解決方案，或者叫方案模型，如下圖示。

港口智慧用電通用解決方案.png

 


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