智慧用電在智慧港口建設(shè)中的應(yīng)用-港口智慧用電通用解決方案
智慧用電在智慧港口建設(shè)中的應(yīng)用
高一峰
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(chǎn)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(zhuǎn)化,如火力發(fā)電;一部分來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,一直是人類追求的重要目標(biāo)。在人工智能時代到來的前夜,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)正在不斷的催生著各種新興技術(shù)的誕生和應(yīng)用。隨著低功耗廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)(LPWAN)的出現(xiàn)及其工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立,標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真正邁入了萬物互聯(lián)的時代,在大數(shù)據(jù)和云計(jì)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。顧名思義,智慧用電就是通過智慧的技術(shù)、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(fèi),節(jié)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籍《智慧生活看懂智能用電》二、智慧用的電技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧用電的實(shí)現(xiàn)離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,通過將用電設(shè)備接入到互聯(lián)網(wǎng)中,在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能的支持下,用戶可以自主或自動地實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的自動化管理,實(shí)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(shù)實(shí)現(xiàn)由以下幾個部分構(gòu)成:
它是由智能感知與智能控制模塊來實(shí)現(xiàn)的。智能感知模塊不僅夠?qū)崟r感知和采集用電節(jié)點(diǎn)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(zāi)隱患等等。當(dāng)智能感知模塊將感知數(shù)據(jù)采集后,通過無線傳輸技術(shù),將數(shù)據(jù)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(tǒng)的支持下,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器,交付給云計(jì)算。云計(jì)算系統(tǒng)是一個基于人工智能的算法系統(tǒng),它會將數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)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(guān)用戶終端,同時將控制信息反饋到網(wǎng)關(guān)服務(wù)器,并通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)器無線傳輸?shù)街悄芸刂颇K,實(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)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、無功功率、視在功率、電壓頻率、諧波等多種參數(shù)。同時具備測溫式和剩余電流式電氣火災(zāi)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(fèi)問題,實(shí)現(xiàn)人走關(guān)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(nèi)已經(jīng)有非常多的成熟產(chǎn)品提供市場選擇。國內(nèi)市場也有許多優(yōu)秀的產(chǎn)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(zāi)探測器、漏電報警器、火災(zāi)報警器。2、低功耗廣域網(wǎng)的無線傳輸技術(shù)低功耗廣域網(wǎng)的無線傳輸技術(shù)自誕生以來,已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域獲得了業(yè)界的普遍認(rèn)同和支持,具有極其廣闊的應(yīng)用前景。該項(xiàng)技術(shù)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(wǎng)應(yīng)用的絕對優(yōu)勢。低功耗廣域網(wǎng)的無線傳輸技術(shù),在實(shí)際場景中應(yīng)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(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)M2M數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。它有兩個不同的技術(shù)范疇,分別是LoRa和NB-IoT技術(shù)。其中,NB-IoT是基于窄帶的GSM蜂窩移動通訊技術(shù),運(yùn)行在授權(quán)頻譜上。特別對三大運(yùn)營商具有可以利用現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)低成本、廣覆蓋。目前電信運(yùn)營商提供了一些網(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)的無線擴(kuò)頻技術(shù),目前我國的政策,它被允許免費(fèi)運(yùn)行在475-510MHz的非授權(quán)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(nèi)局域范圍自由組網(wǎng)通訊,是很多企業(yè)、工廠、園區(qū),以及農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)等特定場景下實(shí)現(xiàn)無線通訊的最佳選擇。需要說明的是,LoRa技術(shù)在國內(nèi)的落地曾經(jīng)有一定的爭議。因?yàn)樵摷夹g(shù)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(quán)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(dǎo)體廠商MicroChip。此外,聯(lián)盟還拉攏了眾多電信運(yùn)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(yùn)營商Belgacom。現(xiàn)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(tǒng)建設(shè)。在聯(lián)盟的推動下,LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈相當(dāng)成熟,從底層的芯片、模組到設(shè)備制造、系統(tǒng)集成,都有相關(guān)廠商。最新的數(shù)據(jù)顯示,全球LoRa聯(lián)盟成員已經(jīng)發(fā)展到500多家,有121家運(yùn)營商部署了LoRa網(wǎng)絡(luò),全球LoRa節(jié)點(diǎn)已經(jīng)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(yùn)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(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(yīng)用聯(lián)盟(CLAA)”,旨在推動LoRa產(chǎn)業(yè)鏈在國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展。目前,聯(lián)盟成員已經(jīng)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(chǎn)業(yè)生態(tài)事實(shí)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(shè)備技術(shù)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(wǎng)的頻段,限定為單頻點(diǎn)使用,不能用于組網(wǎng)應(yīng)用。當(dāng)時國內(nèi)國外所有的LoRa相關(guān)企業(yè)集體抱團(tuán),與工信部無線電管理局進(jìn)行溝通和磋商。歷時一年,工信部在認(rèn)真梳理分析反饋意見建議基礎(chǔ)上,終于在2018年11月28日,對征求意見稿進(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(yīng)用。LoRa無線通訊技術(shù)在全球物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)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(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頻段的無線通訊技術(shù)的應(yīng)用提出了非常明確的規(guī)范。需要特別強(qiáng)調(diào)的是,我們不應(yīng)將這個公告視為對該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的限制,而應(yīng)該視為對技術(shù)應(yīng)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(fēng)險的,有明確規(guī)范的才是可持續(xù)的。可以預(yù)見,LoRa技術(shù)在未來的中國市場即將迎來一個爆發(fā)式的增長。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(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)共同構(gòu)成廣義上的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng),即萬物互聯(lián),是物與物的連接。但是,它們之間的通訊數(shù)據(jù)最終都要接入互聯(lián)網(wǎng),并且傳送到云計(jì)算平臺,才能依賴互聯(lián)網(wǎng)海量的分布式數(shù)據(jù)存儲能力和云計(jì)算系統(tǒng)的人工智能算力,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能管控。離開互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng),可以實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用,但很難實(shí)現(xiàn)智慧管理。因?yàn)槿斯ぶ悄芗夹g(shù)是建立在大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)之上的,離開了大數(shù)據(jù)的支持,人工智能的實(shí)現(xiàn)將是極其有限的。孤立的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),必然導(dǎo)致通訊數(shù)據(jù)用完即止,甄沒在物理終端里。所以,物聯(lián)網(wǎng)的智能終端(智能感知與智能控制模塊)一定是要通過無線通訊技術(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(xiàn)智慧應(yīng)用的過程和體系中,起著重要的基礎(chǔ)支撐作用。4、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)顯然,大數(shù)據(jù)和云計(jì)算是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智慧應(yīng)用的終極重器。幾乎任何一個完善的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),最終都會要創(chuàng)建或依賴一個云計(jì)算平臺提供遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)計(jì)算的支持。如前所述,通常一個智慧用電的終端模組,會設(shè)置5分鐘左右向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一次監(jiān)測數(shù)據(jù)。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(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),被傳送到互聯(lián)網(wǎng)以后,是需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理的,包括實(shí)時的分布式數(shù)據(jù)存儲,存儲數(shù)據(jù)并不是靜態(tài)保管和無處理轉(zhuǎn)發(fā)的,它還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分類、檢查、判斷、封裝、存儲,以便為實(shí)際應(yīng)用場景下的垂直應(yīng)用系統(tǒng)提供清潔數(shù)據(jù)的查詢和有效數(shù)據(jù)的分析支持。而這些工作,都是由云計(jì)算平臺來完成的。云計(jì)算平臺不僅能夠反饋實(shí)時的緊急操作指令,通過無線網(wǎng)關(guān)觸發(fā)智能控制模塊實(shí)現(xiàn)限電操作,同時,推送消息至用戶的應(yīng)用服務(wù)器,向用戶終端實(shí)時分發(fā)警示信息,還能通過API接口為應(yīng)用場景下的其他垂直應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)支持,這就為智慧港口的智能生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享提供了技術(shù)保障。港口是機(jī)電設(shè)備密集型經(jīng)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(jī)電設(shè)備的常規(guī)配置及供電裝置。碼頭前沿:岸壁式起重機(jī)、門座式起重機(jī),船舶岸基供電裝置。水平運(yùn)輸:新型智能化電氣控制無人駕駛拖車。碼頭前沿:躉船、皮帶裝船機(jī),門座式抓斗裝卸船機(jī),船舶岸基供電裝置。后方堆場:坑道式螺旋卸車機(jī)、皮帶卸車機(jī)、翻車機(jī)、斗輪式裝船機(jī)。水平運(yùn)輸:皮帶式運(yùn)輸機(jī)。碼頭前沿:躉船、門座式起重機(jī),裝卸橋,船舶岸基供電裝置。水平運(yùn)輸:新型智能化電氣水平運(yùn)輸拖車。以上這些電氣設(shè)備、設(shè)施無一不是與安全用電有關(guān),且構(gòu)成港口安全用電數(shù)量的主體。他們在智慧用電的需求上主要包括兩個方面:首先是安全用電,安全問題歷來都是港口生產(chǎn)中的重中之重的大事。港區(qū)生產(chǎn)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(jī)電設(shè)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,無論是漏電、短路,或者是爆炸、火災(zāi),都可能導(dǎo)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(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電能消耗都非常大,它不僅構(gòu)成港口生產(chǎn)成本的重要指標(biāo),一些重點(diǎn)港口,在電力供應(yīng)上,甚至需要得到地方電力供應(yīng)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(yīng)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(shè)備如何接入智慧用電網(wǎng)絡(luò),其他用電設(shè)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(shè)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:
該裝置可以部署安裝在任何一臺港口機(jī)電設(shè)備上。它通過LoRa無線通訊模塊與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線通訊,網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)關(guān)服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時將數(shù)據(jù)傳送到分布式數(shù)據(jù)存儲中心,云計(jì)算平臺監(jiān)測到數(shù)據(jù)更新后,會進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理,并作出相應(yīng)的反饋,如果發(fā)生報警、火災(zāi)等信息,云服務(wù)平臺會實(shí)時將報警信息分發(fā)到所有相關(guān)的電腦和移動終端,必要時會遠(yuǎn)程切斷電源。一般來說,港口智慧用電系統(tǒng)應(yīng)該是構(gòu)成智慧港口集成系統(tǒng)的一部分,它屬于智慧港口建設(shè)中的一個垂直應(yīng)用子系統(tǒng)。通常,無論哪種類型的港口生產(chǎn)場景下,其智慧用電的模式都是相似的,差別在于機(jī)電設(shè)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。