国家电网携华为 中国电信 完成全球首个5G网络的电力切片测试,需要通过配电物联网的建设支持分布式电源即插即用

技术原理

泛在电力物联网将带动
电力系统形成巨大产业链——访山东理工大学智能电网研究院院长徐丙垠

国家电网携华为 中国电信 完成全球首个5G网络的电力切片测试

超声波物位计安装于容器上部在电子单元的控制下,探头向被测物体发射一束超声波脉冲。声波被物体表面反射,部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到被重新被接收,其时间与探头至被测物体的距离成正比。电子单元检测该时间,并根据已知的声速计算出被测距离。通过减法运算就可得出物位值。由于温度对声速具有影响,所以仪表应测量温度,以修正声速。

2019年4月10日

2019年4月9日

技术问答

山东理工大学智能电网研究院院长、博士生导师徐丙垠长期致力于配电网继电保护与自动化、智能配电网研究。近日,徐丙垠在接受本报记者采访时表示,目前配电自动化系统存在的“痛点”,可以通过建设配电物联网来解决,建设泛在电力物联网将带动电力系统形成巨大产业链。
记者:国家电网有限公司年初提出了“三型两网、世界一流”的战略目标。您长期研究配电自动化,请谈谈泛在电力物联网与配电自动化系统之间的关系。
徐丙垠:建设泛在电力物联网,其中覆盖配电网的部分应是重点,称为配电物联网。一方面,目前我国的配电网仍然比较薄弱,制约了供电安全性与可靠性进一步提升,需要通过建设一流配电网以及与之相适应的配电物联网来补齐短板。另一方面,分布式电源、储能装置与电动车的接入都在配电网侧,用户与电网的互动主要在配电网中进行,需要通过配电物联网的建设支持分布式电源即插即用,实现源储荷网之间的实时友好互动。
常规的配电自动化系统主要针对中压配电网的监控与故障处理,很少覆盖低压配电网,几乎不涉及负荷侧,难以实现分布式电源管理、虚拟发电厂、需求响应等高级应用功能,也不能为其他系统提供配电网的全景数据。而且,目前的配电自动化系统是一个主从式集中控制系统,没有解决好终端之间的对等通信与数据安全交换问题,不能很好地支持分布式自治控制功能。由于缺少统一的数据模型,硬件与软件设计开放性差,配电终端与应用软件的即插即用无法实现。
配电物联网是配电自动化系统的扩展、升级与提高,具备良好的安全性与开放性,能够更好地支持面向智能配电网与主动配电网的各种应用,是配电自动化系统发展的新阶段。目前配电自动化系统存在的“痛点”,可以通过建设配电物联网来解决。
记者:您认为泛在电力物联网建设需要哪些核心技术?
徐丙垠:泛在电力物联网实现所有电力设备、运行管理人员和用户的互联互通,其中的终端与信息处理系统要做到即插即用;软件设计应打破过去一个厂家包办的封闭式做法,将应用软件通过开放式应用程序接口访问底层数据,使其像智能手机一样,支持第三方APP接入。
目前的通信协议(如IEC101/104)只是解决了数据传输的标准化问题,并没有对“数据是什么”做出统一定义。APP在访问数据时,只有通过查看数据源装置设计者提供的信息点表文件,才能了解数据的来源与含义。而信息点表是由各个厂家自行定义的,因此,系统的安装调试工作量非常大,并且制约了第三方APP的开发与应用,限制了新技术的发展。解决问题的途径,是采用全球统一的数据模型。可以说,没有统一的数据模型,就不可能有真正意义的泛在电力物联网。
现在发布的国际电工标准数据模型,主要覆盖了变电站自动化、配电自动化与分布式电源等部分的应用,还有相当一部分应用没有标准模型。在建设泛在电力物联网过程中,一方面要遵循国际电工标准模型,避免另起炉灶,做重复性的工作;另一方面也要积极参加国际电工标准的制定工作,既满足电力物联网建设的需要,同时也推动我国研究成果成为国际标准。
在网络安全方面也需要核心技术。现有的电力自动化信息系统是一个相对封闭的系统,一般局限在专用网内,而泛在电力物联网是一个开放的系统,要满足公用网中终端与用户的访问需求,对网络安全提出了更高的要求。此外,泛在电力物联网中的终端具备边缘计算功能,能够实现分布式自治控制,例如馈线终端不依赖于主站实现故障隔离与供电恢复控制,分布式电源终端能够接收上游开关动作的信息,在配电线路出现孤岛运行状态时将分布式电源切除,这就要求终端之间能够进行实时对等通信。目前,终端与主站通信的加密措施耗费大量的软件与硬件资源,不适用于终端之间通信的安全防护,需要研究针对分布式控制的安全加密技术。
另外两项核心技术是大数据与人工智能技术的应用。泛在电力物联网全面感知电力系统运行与业务状态,运用大数据与
AI技术分析所获取的海量感知数据,实现电力系统优化运行、电力设备故障预警与用户行为分析、市场风险控制等高级应用,对提高电力系统的运行安全可靠性与运行效率、改善用户服务质量具有十分重要的意义。
记者:您认为泛在电力物联网将会带动哪些产业的发展?
徐丙垠:泛在电力物联网会直接带动传感器、电力二次设备以及信息通信产业的发展。更重要的是,泛在电力物联网提供一个安全开放的数据交换、运行控制与管理平台,将电力设备、电力运行人员与用户随时随地连接起来,将推动分布式发电、储能、电动车、智能家电、数据分析服务、系统运维服务、电力系统调峰辅助服务、电力交易服务、高效综合能源利用等新设备、新业务、新商业模式的发展,会围绕电力系统形成一个巨大的产业链。
泛在电力物联网建设为配电自动化业务的升级与发展提供了巨大的机遇。
在配电自动化和信息化建设方面,国网山东电力一直处于领先地位,为泛在电力物联网建设奠定了雄厚的基础。我们将进一步推动与国家电网公司各单位的合作,开展基于物联网技术架构的新型配电终端研究,实现配网运行状态更全面的监测分析,配网故障异常的更精准定位诊断,为电力客户提供更良好的服务交互。

近日,中国电信江苏公司、国网南京供电公司与华为在南京成功完成了业界首个基于真实电网环境的电力切片测试,这同时也是全球首个基于最新3GPP标准5GSA网络的电力切片测试。本次测试的成功标志着5G深入垂直行业应用进入到了一个新阶段。

1. 超声波物位计适于什么样的应用环境?

本次测试基于5G
SA电力切片,能够充分利用5G网络的毫秒级低时延能力,结合网络切片的SLA保障,增强电网与电力用户间的双向互动,有效提升在突发电网负荷超载的情况下对电网末端小颗粒度负荷单元的精准管理能力,将因停电所造成的经济、社会影响降至最低。

通常应用于温度在-40℃~100℃之间、压力在3Bar以下的场所进行液位或料位的测量。在常温、常压的情况下,选择超声波物位计测量液体液位是##的选择,具有工作可靠、安装简便、使用周期长、免维护的特点,并具有相对的价格优势。由于超声波物位计在测量物位时,与被测介质不接触,同时为全密闭防腐结构,因此对于粘稠的、腐蚀性的、浑浊的等各种液体的液位测量,效果##。

华为联合中国电信南京分公司与南京电网,在外场测试环境中基于5G
SA网络环境与真实电力终端对电力切片进行了端到端测试。通过中国电信在鼓楼和溧水部署的5G基站,分别进行了室内和室外的近端、中端、远端和障碍遮挡测试,测得电力服务器处理、网络指令传输和电力负控终端处理的端到端时延合计约35ms,时延波动较小,切片的隔离性也得到了充分的验证,满足电网在通信网络下对负荷单元毫秒级精准管理的关键需求。

2. 对于密闭容器内的挥发性的液体的液位测量,应注意那些事项?

中国电信江苏公司政企客户部副总经理詹明非表示:“此次成功测试是在5G行业应用领域基于SA网络取得的突破性成果。下一步三方将继续利用好国家重大专项课题和中国电信5G试点资源,持续联合创新,共同构建5G电力生态圈。5G电力切片的深入实验,也将为中国电信在各个垂直行业提供高标准的5G解决方案能力积累经验。”

应注意两点: a
容器内气体声速可能与空气中的声速不同,如液位计不能对声速进行修正,则会出现一定的误差;
b
挥发性的液体会在超声波液位计探头表面凝结,阻挡声波的收发,要求液位计具有可变功率控制功能。我公司产品能够满足以上要求,并有大量的实践应用。

国网南京供电公司副总经理高昇宇表示:“5G电力切片能够为电网新型业务需求、新型服务模式和新型作业方式提供通信系统的重要保障。未来,国家电网希望与中国电信及华为继续深入合作,增强电网末端用户、设备的感知能力,持续推进泛在电力物联网建设,为构建具备枢纽型、平台型、共享型特征的世界一流能源互联网企业提供助力。”

3. 超声波物位计对固体料位的效果如何吗?

华为5G核心网领域总经理邱雪峰说:“5G切片要实现网络的按需定义、快速部署、自动化运营、端到端SLA保障和能力开放,核心网是其中的关键环节。华为很早就在5G网络架构演进和切片技术上投入研发,同时积极接触并理解垂直行业,推动网络切片在行业市场的应用。此次基于5G
SA网络的电力切片测试成功是5G在垂直行业应用的关键里程碑,其成功DNA将为更多行业应用带来借鉴作用。”

使用超声波物位计进行料位测量是可行的,有足够的应用经验和成功实例。在对料位进行测量时,应选择好安装位置,选择料面相对平整的位置;对于粉末状的料位,可选择功率更大的物位计进行测量。

中国电信、国家电网和华为自2017年9月启动电力切片联合创新项目,于2018年1月联合发布《5G网络切片使能智能电网产业报告》,并于2018年6月完成了电力切片业务设计的DEMO展示。三方合作成果在2018年“绽放杯”5G应用征集大赛中获得一等奖。

4. 对于液面剧烈波动的液体,如何使用超声波液位计进行液位测量?

此次测试完成之后,三方还将继续深化合作,计划在后续的第二阶段测试中,基于现网用户用电环境测试“智能监控”等更多应用场景和切片,进一步推动5G在电力行业的商用验证。来源:北极星输配电网

有三种可行的办法: a 选用具有自动功率控制功能的超声波液位计 b
选用更大量程的超声波液位计 c 在液体中加入塑料管,测量塑料管内液位

5. 两线制超声波物位计与三线制超声波物位计有和不同?

两线制超声波物位计其供电与信号输出共用一个回路,仅使用两条线即可,为标准的变送器形式,不足之处是发射功率相对略微微弱一些。三线制超声波物位计实际上为四线制,其供电与信号输出回路分离,各使用两条线,当它们负端共地相连时,通常使用三条线即可。其优势是发射功率较大。

6. 什么是超声波物位计的盲区?

超声波物位计在发射超声波脉冲时,不能同时检测反射回波。由于发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度,同时发射完超声波后传感器还有余振,期间不能检测反射回波,因此从探头表面向下开始的一小段距离无法正常检测,这段距离称为盲区。被测的最高物位如进入盲区,仪表将不能正确检测,会出现误差。如有需要,可以将物位计加高安装。

7. 在工程设计选型时,最应注意的问题是什么?

要选择一个好的安装位置,设计合适的安装接口。


安装位置要尽可能选择液面平稳、料面平整的位置,同时远离扶梯、进料口、出料口,尽可能与容器壁保持较远的距离,远离搅拌器。


安装接口要求开口尺寸足够大,当为法兰安装时,法兰下面的接管长度要设计合理,对于我公司的10米、12米量程的物位计,接管长度应不大于15cm,选择DN80以上的法兰口。对于15米、20米、30米和40米量程的物位计,接管长度应不大于20cm;选择DN200以上的法兰口。对于8米以下量程的物位计,对接管长度无要求,可适当设计,以消除盲区的影响,并选择DN65以上的法兰口。

8.
超声波物位计是超声波液位计和超声波料位计的统称。当用于测量液体液位时,通常称为超声波液位计。当用于测量固体料位时,通常称为超声波料位计。

应用

在现场实际运用超声波物位计时,会有各种因素对其稳定、可靠的测量产生影响,下面我们将结合实际,讲述各种干扰对超声波物位计选用、使用、安装的影响。超声波流量计

介质及环境温度的影响

超声波从物料表面反射时,其反射频率会受到物料温度的影响而发生变化,为了补偿这一变化,超声波探头内装有温度传感器,当探头向处理器发送反射信号的同时,也把温度信号送到微处理器,处理器将自动补偿由于温度对料位测量的影响。

此外,为了保证探头的可靠工作,要求环境温度不超过60℃。

搅拌器对物位计测量的影响

如果物料容器内装搅拌器,它同样会反射超声波信号,造成假反射回波,并被传送到微处理器。微处理器将根据统计学原理处理真假面具回波,所以要求超声波从物料表面反射的回波应至少为从搅拌器臂反射的回波的3倍。适当降低搅拌器的转速,或将探头偏离搅拌中心,都可以有效消除搅拌器产生的假面反射对料位测量的影响。

超声波物位计测量料位的极限值

1)最高料位

当一束超声波脉冲向物料表面传送过程中,若收到从物料表面来的反射波,将无法进行测量,这段距离就是盲区。物料最高料位不得高于盲区。

2)最低料位

最低料位也就是使超声波能到达的距离传感器的最远距离,并且使反射回波能被传感器接收。由于超声波在传播过程中的衰减以及物料表面对声波的吸收,这一传播距离对物料性质依赖性很强,对于DU33来说,可测液体范围为25m,固体范围为15m。

总之,只要仪表选型、安装适当,超声波物位计的应用效果还是比较满意的。

王春燕

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