李 磊

（中國鐵塔股份有限公司蘇州市分公司，江蘇 蘇州 215011）

0 引 言

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，開發(fā)與應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化網(wǎng)絡(luò)能源管理技術(shù)系統(tǒng)具有重要意義。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)時(shí)采集與傳輸能源設(shè)備的數(shù)據(jù)，監(jiān)測和控制能源消耗。智能化網(wǎng)絡(luò)能源管理技術(shù)系統(tǒng)能夠提供精確的能源數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化調(diào)度策略，提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)，進(jìn)而減少碳排放。此外，該技術(shù)系統(tǒng)可以通過智能控制和優(yōu)化策略對能源供應(yīng)與需求進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，實(shí)現(xiàn)供需平衡和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

1 物聯(lián)網(wǎng)在能源管理中的應(yīng)用概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過大量的傳感器和感知設(shè)備獲取物理環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)采集和傳輸。同時(shí)，感知設(shè)備可以智能互聯(lián)、信息交換，并形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作。物聯(lián)網(wǎng)通過數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化處理和決策支持[1]。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠自動(dòng)感知和理解環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智能化的控制和優(yōu)化。例如，在智能家居系統(tǒng)中，溫度傳感器、智能插座和智能燈具等設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)溫度控制、能源管理和智能照明的自動(dòng)化。基于物聯(lián)網(wǎng)的能源監(jiān)管平臺(tái)如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的能源監(jiān)管平臺(tái)

1.2 物聯(lián)網(wǎng)在能源管理中的應(yīng)用場景

首先，智能電網(wǎng)應(yīng)用場景。將傳感器和智能設(shè)備與電力系統(tǒng)中的各個(gè)組件連接起來，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制電力設(shè)備、電網(wǎng)狀態(tài)和能源流動(dòng)。這樣電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的電力調(diào)度和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源供需的平衡和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其次，智能建筑應(yīng)用場景。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過連接建筑中的傳感器、智能控制器和能源設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑能耗、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)[2]。通過分析和處理這些數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)智能化的能源調(diào)控和優(yōu)化，如自動(dòng)化的照明控制、空調(diào)調(diào)節(jié)和能源消耗的優(yōu)化，提高建筑能效和舒適性。最后，智能交通應(yīng)用場景。在交通路口、車輛和道路設(shè)施上部署傳感器和通信設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)采集交通流量、車輛位置和道路狀況等數(shù)據(jù)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化網(wǎng)絡(luò)能源管理技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

第一，數(shù)據(jù)采集層。該層包括傳感器、監(jiān)測設(shè)備和智能計(jì)量設(shè)備，用于實(shí)時(shí)采集能源管理相關(guān)的數(shù)據(jù)，如能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等。這些設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議與系統(tǒng)相連，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至后續(xù)處理層。

第二，通信與傳輸層。該層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。通過無線通信技術(shù)，如Wi-Fi 技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、遠(yuǎn)距離無線電（Long Range radio，LoRa）技術(shù)等，將數(shù)據(jù)從采集設(shè)備傳輸至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)。此外，互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)也可用于遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)和系統(tǒng)監(jiān)控[3]。不同的無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸方式在物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)中的具體應(yīng)用如下。一是Wi-Fi 技術(shù)。該技術(shù)適用于短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，能夠支持較大的數(shù)據(jù)流量和高速率的通信。在物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)中，可以使用Wi-Fi 將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。二是藍(lán)牙。在物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)中，藍(lán)牙可以用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，如將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)或移動(dòng)設(shè)備。藍(lán)牙低功耗技術(shù)還支持設(shè)備的無線連接和控制，實(shí)現(xiàn)智能化的能源管理和控制。三是LoRa 技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)中，LoRa 可以用于遠(yuǎn)程傳輸傳感器數(shù)據(jù)，尤其適用于分布式能源設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，如太陽能發(fā)電站的遙測數(shù)據(jù)傳輸。LoRa 技術(shù)具有低功耗和覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，適合于低功耗、長距離通信。四是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)可以利用互聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。通過將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)或遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程訪問和系統(tǒng)監(jiān)控能源數(shù)據(jù)。互聯(lián)網(wǎng)提供了高帶寬、全球范圍的數(shù)據(jù)傳輸能力，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)分析提供了支持。五是專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)中也可以采用專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，通過搭建專用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）或無線通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)從采集設(shè)備傳輸至數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)。專用網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行定制和優(yōu)化，提供穩(wěn)定、安全的數(shù)據(jù)傳輸和通信環(huán)境。

第三，數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)層。該層處理、存儲(chǔ)和分析從采集層傳輸過來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)清洗、預(yù)處理、特征提取以及模型訓(xùn)練等，以獲取有用的信息和指標(biāo)[4]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用數(shù)據(jù)庫或云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的長期存儲(chǔ)和管理，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢和分析。

第四，智能化控制與優(yōu)化層。該層是系統(tǒng)的核心，利用數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)智能能源管理。系統(tǒng)基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行能源調(diào)度、負(fù)荷優(yōu)化和能源效率優(yōu)化等控制策略的制定與執(zhí)行。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在數(shù)據(jù)采集方面，需要選擇合適的傳感器和監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)需求和應(yīng)用場景來確定采集參數(shù)。例如，在智能建筑中，可以使用溫度傳感器、濕度傳感器、電能表等設(shè)備來采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)。同時(shí)，需要考慮傳感器的安裝位置、布置方式和采樣頻率等因素，以確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和全面性。

對于采集的原始數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過一系列步驟進(jìn)行預(yù)處理和清洗，包括數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、噪聲濾除、異常值檢測以及數(shù)據(jù)插補(bǔ)等[5]。例如，在能耗數(shù)據(jù)中，可能存在測量誤差或數(shù)據(jù)缺失的情況，需要進(jìn)行合理的處理和修復(fù)，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性。

采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過特征提取和轉(zhuǎn)換，包括統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算、時(shí)序分析和頻域分析等方法，以更有意義的方式表示原始數(shù)據(jù)。在能源數(shù)據(jù)中，提取每小時(shí)能耗總量、峰谷電量差值等特征，以描述能耗的變化和特性。處理后的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)和管理，可選擇數(shù)據(jù)庫或云平臺(tái)進(jìn)行長期存儲(chǔ)，以便后續(xù)查詢和分析。為提高處理效率和可擴(kuò)展性，可采用分布式存儲(chǔ)和計(jì)算技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同節(jié)點(diǎn)，并利用并行計(jì)算加快處理過程。

數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵任務(wù)包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取以及模型訓(xùn)練。數(shù)據(jù)清洗旨在消除噪聲、異常值和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括平滑、插值和歸一化等操作，以消除噪聲和不完整性，為后續(xù)分析提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。特征提取則利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、頻域和時(shí)序分析等技術(shù)從原始數(shù)據(jù)中提取有代表性的信息?；跉v史數(shù)據(jù)和提取的特征，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘算法訓(xùn)練模型，構(gòu)建能夠預(yù)測和優(yōu)化能源系統(tǒng)行為的模型，為后續(xù)預(yù)測、控制和優(yōu)化提供依據(jù)。

2.3 智能化控制與優(yōu)化策略

智能化控制與優(yōu)化策略的實(shí)現(xiàn)離不開數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、優(yōu)化算法以及實(shí)時(shí)交互。數(shù)據(jù)分析是基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析采集的數(shù)據(jù)，揭示能源系統(tǒng)的運(yùn)行特征和規(guī)律，為后續(xù)的控制與優(yōu)化策略提供依據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)通過訓(xùn)練模型，從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)系統(tǒng)行為模式，支持預(yù)測和決策，如能源需求預(yù)測和能源效率優(yōu)化[6]。優(yōu)化算法則用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度和配置，如基于遺傳算法、粒子群優(yōu)化等算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。智能化控制與優(yōu)化策略需要與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互和響應(yīng)，通過與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，并基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化決策和控制，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

3 智能化網(wǎng)絡(luò)能源管理技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用與效果評價(jià)

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用案例分析

在基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)分布式能源管理案例中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和優(yōu)化分布式能源資源的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和消耗。系統(tǒng)將傳感器和智能控制器與分布式能源設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)了能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和通信。傳感器采集太陽能發(fā)電量、電池狀態(tài)、充電樁使用情況等數(shù)據(jù)，并傳輸至數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)層。系統(tǒng)通過處理和分析這些數(shù)據(jù)，可以預(yù)測未來的太陽能發(fā)電量，并制定智能化的能源調(diào)度和優(yōu)化策略。智能化控制與優(yōu)化層實(shí)現(xiàn)分布式能源的智能調(diào)度和優(yōu)化。例如，在光照充足時(shí)將多余的太陽能電力存儲(chǔ)至電池，以提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)。用戶可以通過界面實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制能源設(shè)備，并進(jìn)行個(gè)性化的能源管理和節(jié)能目標(biāo)設(shè)置。能源管理平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 能源管理平臺(tái)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

系統(tǒng)能夠有效支持“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)能源發(fā)展，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和智能化控制，優(yōu)化能源調(diào)度和消耗，提高能源利用效率，降低碳排放。同時(shí)，系統(tǒng)能夠精確匹配能源供需，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和負(fù)荷均衡，提高電網(wǎng)可靠性和適應(yīng)性。然而，系統(tǒng)發(fā)展面臨一些挑戰(zhàn)。首先，數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)，需要采取安全的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)加密和訪問控制等技術(shù)手段，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性，同時(shí)保護(hù)用戶隱私。其次，系統(tǒng)復(fù)雜性和可擴(kuò)展性，需要設(shè)計(jì)高度可擴(kuò)展的架構(gòu)，合理分配資源，以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)量和用戶需求。最后，系統(tǒng)的成本和經(jīng)濟(jì)可行性是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本評估和效益分析，確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性和可持續(xù)性。

4 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化網(wǎng)絡(luò)能源管理技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用為能源行業(yè)帶來了巨大的潛力和機(jī)遇。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能化控制和優(yōu)化，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源資源的高效利用、降低碳排放，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)能源發(fā)展做出貢獻(xiàn)。然而系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用面臨著諸多挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)、系統(tǒng)復(fù)雜性與可擴(kuò)展性、成本與經(jīng)濟(jì)可行性等?？朔@些挑戰(zhàn)需要技術(shù)創(chuàng)新、合作共享和政策支持的共同努力。