智慧用电在智慧港口建设中的应用
高一峰
什么是智慧用电？
智慧用电的技术实现
港口智慧用电需求分析
港口智慧用电的场景示例
港口智慧用电通用解决方案
能源是一切生命活动的本源。能源的采集、消耗和管理是人类社会有史以来从来都不敢忽视的事情。自工业文明以来，电能几乎扮演了人类能源最重要的角色。随着现代社会的快速发展，石化能源的逐渐枯竭及其对自然环境的影响，推动着人类不断寻求和挖掘更好的清洁能源。电能是人类生活、特别是工业生产中不可替代的、极其重要能量资源。电能的一部分来源于石化能源的转化，如火力发电；一部分来源于清洁能源的生产，如水电、风力发电。如何最大限度地用好这些宝贵的电力资源，一直是人类追求的重要目标。在人工智能时代到来的前夜，互联网、广义互联网（含物联网）及人工智能技术正在不断的催生着各种新兴技术的诞生和应用。随着低功耗广域网无线通信技术（LPWAN）的出现及其工业标准的建立，标志着物联网技术真正迈入了万物互联的时代，在大数据和云计算的加持下，以人工智能为主角的智慧生活时代的大幕正在徐徐开启。在这样的大背景下，智慧用电毫无悬念地成为了这个时代大舞台上的一个非常重要且亮眼的角色。顾名思义，智慧用电就是通过智慧的技术、手段和方法，来掌控和支配电力资源的使用，从而使我们的用电生活变得灵动、聪明，既安全可靠、高效便捷，又避免浪费，节约成本，使我们的用电行为更加科学合理。片摘自中国电力出版社科普书籍《智慧生活看懂智能用电》智慧用电的实现离不开物联网技术的发展和应用，通过将用电设备接入到互联网中，在大数据、云计算和人工智能的支持下，用户可以自主或自动地实现对电力设备的自动化管理，实现对电力资源消耗的有效管控，从而以最安全、最节能、最高效的方式使用电力能源。
智能感知模块不仅够实时感知和采集用电节点上的用电量大小，还能感知电压、电流是否存在过载，是否存在漏电、短接，感知用现场的温度、湿度，是否存在火灾隐患等等。当智能感知模块将感知数据采集后，通过无线传输技术，将数据发送到互联网网关，网关服务器在智能系统的支持下，将数据转发到云服务器，交付给云计算。云计算系统是一个基于人工智能的算法系统，它会将数据进行必要的解码、清洗、过滤、分类、加工以后，交付给中心智慧控制系统，首先判断数据信号是否异常，是否存在安全警示信息，判断是否有必要采取拉闸限电措施。如果出现必要的警示信息或者紧急断电信息，系统会立即将警示信息分发给相关用户终端，同时将控制信息反馈到网关服务器，并通过网关服务器无线传输到智能控制模块，实现实时报警或拉闸限电。而且，这整个过程都是在无人值守的状态下、以毫秒级的速度来实现的。如图所示的智慧用电模块，采用220VAC供电，能够采集三相电压、三相电流、N相电流、1路漏电流、4路温度。能够测量温度、漏电流、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、电压频率、谐波等多种参数。同时具备测温式和剩余电流式电气火灾探测、温度报警、漏电流报警、过压报警、欠压报警、过流报警、温度探头短路/掉线故障、漏电流互感器短路/掉线故障、供电中断故障、错相缺相故障报警等功能。除了安全用电，智能感知模块还能添加其他更多智能感知组件，如感知用电场景是否存在用电浪费问题，实现人走关电、停工拉闸的自动化等等。目前，智能感知与控制模块在世界范围内已经有非常多的成熟产品提供市场选择。国内市场也有许多优秀的产品满足市场的需要。这是一个常规的智慧用电安全装置。拥有剩余电流式电气火灾探测器、漏电报警器、火灾报警器。低功耗广域网的无线传输技术自诞生以来，已经在物联网领域获得了业界的普遍认同和支持，具有极其广阔的应用前景。该项技术以其低功耗、长距离、低成本、广覆盖、安全可靠赢得了物联网应用的绝对优势。低功耗广域网的无线传输技术，在实际场景中应用在终端的智能感知和控制模块与互联网网络之间，实现物联网M2M数据的实时传输。它有两个不同的技术范畴，分别是LoRa和NB-IoT技术。其中，NB-IoT是基于窄带的GSM蜂窝移动通讯技术，运行在授权频谱上。特别对三大运营商具有可以利用现有2G/3G/4G网络资源优势，实现低成本、广覆盖。目前电信运营商提供了一些网络和平台的服务支持。LoRa技术则是基于低功耗广域网的无线扩频技术，目前我国的政策，它被允许免费运行在475-510MHz的非授权频谱上。由于其低功耗、长距离、低成本、广覆盖、安全可靠，以及部署灵活、按需配置，能支持在用户单位内局域范围自由组网通讯，是很多企业、工厂、园区，以及农业、畜牧业、渔业等特定场景下实现无线通讯的最佳选择。需要说明的是，LoRa技术在国内的落地曾经有一定的争议。因为该技术专利为美国Semtech（升特）公司所有。目前，全球LoRa芯片均为Semtech公司或其授权公司生产。2015年，Semtech牵头成立了国际LoRa联盟（LoRa Alliance）。创始成员中有IBM、思科这样重量级产巨头，也有知名半导体厂商MicroChip。此外，联盟还拉拢了众多电信运营商，如：新加坡电信SingTel、荷兰皇家电信KPN、瑞士电信Swisscom、比利时电信运营商Belgacom。现在，中国的阿里和腾讯也相继加入了该联盟。国际LoRa联盟成立之初，就特别注重生态系统建设。在联盟的推动下，LoRa的产业链相当成熟，从底层的芯片、模组到设备制造、系统集成，都有相关厂商。最新的数据显示，全球LoRa联盟成员已经发展到500多家，有121家运营商部署了LoRa网络，全球LoRa节点已经超过1个亿。像美国、法国、德国、澳大利亚、印度等国家，都有LoRa运营平台。荷兰KPN电信、韩国SK电信早在2016年上半年就部署了覆盖全国的LoRa网络，提供基于LoRa的物联网服务。2016年1月，由中兴通讯牵头并发起成立了“中国LoRa应用联盟（CLAA）”，旨在推动LoRa产业链在国内的应用和发展。目前，联盟成员已经超过1200多家。2018年中国市场LoRa芯片出货量占全球一半以上，中国已成为LoRa产业生态事实上最大的市场。2017年12月，工信部发布《微功率短距离无线电发射设备技术要求（征求意见稿）》。在意见稿中，工信部将用于民用无线电的470-510MHz频段，也就是LoRa用于组网的频段，限定为单频点使用，不能用于组网应用。当时国内国外所有的LoRa相关企业集体抱团，与工信部无线电管理局进行沟通和磋商。历时一年，工信部在认真梳理分析反馈意见建议基础上，终于在2018年11月28日，对征求意见稿进行了完善和修改，放宽了限制，允许470-510MHz频段用于组网应用。LoRa无线通讯技术在全球物联网市场的发展速度是空前，规模是巨大的，覆盖是极其广泛的。并且，几乎在所有的物联网应用领域仍然有无限的想象和创新的空间，它毫无疑问是人类社会走向智慧生活的重要技术支撑。2019年11月28日，工信部发布第52号公告。再次对470-510MHz频段的无线通讯技术的应用提出了非常明确的规范。需要特别强调的是，我们不应将这个公告视为对该项技术应用的限制，而应该视为对技术应用的规范，这恰恰是符合中国国情的政府宏观管理模式的，放任不管的才是有风险的，有明确规范的才是可持续的。可以预见，LoRa技术在未来的中国市场即将迎来一个爆发式的增长。物联网，在技术层面上实际上是互联网的拓展，它与传统互联网共同构成广义上的互联网。物联网，即万物互联，是物与物的连接。但是，它们之间的通讯数据最终都要接入互联网，并且传送到云计算平台，才能依赖互联网海量的分布式数据存储能力和云计算系统的人工智能算力，实现对目标网络系统的智能管控。离开互联网的物联网，可以实现智能应用，但很难实现智慧管理。因为人工智能技术是建立在大数据和机器学习技术之上的，离开了大数据的支持，人工智能的实现将是极其有限的。孤立的物联网系统，必然导致通讯数据用完即止，甄没在物理终端里。所以，物联网的智能终端（智能感知与智能控制模块）一定是要通过无线通讯技术连接到互联网的。所以，互联网在物联网实现智慧应用的过程和体系中，起着重要的基础支撑作用。显然，大数据和云计算是实现物联网智慧应用的终极重器。几乎任何一个完善的智能物联网系统，最终都会要创建或依赖一个云计算平台提供远程的数据管理和数据计算的支持。如前所述，通常一个智慧用电的终端模组，会设置5分钟左右向网络发送一次监测数据。它就像人体的脉搏一样，持续不间断地监测着用电对象。而这些发送到网络的数据，被传送到互联网以后，是需要进行大数据处理的，包括实时的分布式数据存储，存储数据并不是静态保管和无处理转发的，它还需要进行数据清洗、分类、检查、判断、封装、存储，以便为实际应用场景下的垂直应用系统提供清洁数据的查询和有效数据的分析支持。而这些工作，都是由云计算平台来完成的。云计算平台不仅能够反馈实时的紧急操作指令，通过无线网关触发智能控制模块实现限电操作，同时，推送消息至用户的应用服务器，向用户终端实时分发警示信息，还能通过API接口为应用场景下的其他垂直应用系统提供数据服务支持，这就为智慧港口的智能生态系统实现数据共享提供了技术保障。港口是机电设备密集型经营场所，历来是电力能源消耗大户。在安全用电与能耗管理上具有刚性需求。下面列举不同类型的港口码头的机电设备的常规配置及供电装置。码头前沿：岸壁式起重机、门座式起重机，船舶岸基供电装置。码头前沿：趸船、皮带装船机，门座式抓斗装卸船机，船舶岸基供电装置。后方堆场：坑道式螺旋卸车机、皮带卸车机、翻车机、斗轮式装船机。码头前沿：趸船、门座式起重机，装卸桥，船舶岸基供电装置。以上这些电气设备、设施无一不是与安全用电有关，且构成港口安全用电数量的主体。他们在智慧用电的需求上主要包括两个方面：首先是安全用电，安全问题历来都是港口生产中的重中之重的大事。港区生产是一个半开放的作业环境，现场作业条件受气候影响极大，且通常安装和使用了大型机电设备。危险品码头更是涉及有易燃、易爆、有毒、有害气体泄漏风险，一旦发生安全事故，无论是漏电、短路，或者是爆炸、火灾，都可能导致重大安全事故，危及现场作业人员的人身安全。其次是能耗管理，由于港口作业的特殊性，面对的都是笨重长大件货物、20-40英尺国际集装箱，或者是散装煤炭、矿石，再或者是原油、石油、天然气等等，设备在运转过程中电能消耗都非常大，它不仅构成港口生产成本的重要指标，一些重点港口，在电力供应上，甚至需要得到地方电力供应系统的特别保障和支持。所以，客观上，智慧用电系统，对于任何一个港口而言，都是需求刚性和迫切、值得特别重视和应该迅速搭建的。这里以集装箱码头岸桥智慧用电终端联网为示例，显示码头终端设备如何接入智慧用电网络，其他用电设备或用电单元的接入方式均可参考。如图所示，用于港口智慧用电的终端设备是一个智能集成装置，支持三相交流电智能监测和智能控制。它包含：
该装置可以部署安装在任何一台港口机电设备上。它通过LoRa无线通讯模块与网关进行无线通讯，网关或网关服务器通过互联网实时将数据传送到分布式数据存储中心，云计算平台监测到数据更新后，会进行一系列的数据处理，并作出相应的反馈，如果发生报警、火灾等信息，云服务平台会实时将报警信息分发到所有相关的电脑和移动终端，必要时会远程切断电源。一般来说，港口智慧用电系统应该是构成智慧港口集成系统的一部分，它属于智慧港口建设中的一个垂直应用子系统。通常，无论哪种类型的港口生产场景下，其智慧用电的模式都是相似的，差别在于机电设备分散布局和终端模块的配置规模。这里，我们可以针对港口智慧用电给出一个通用的解决方案，或者叫方案模型，如下图示。
