Technologies Behind the Smart Grid and Internet of Things: A System Survey

Electric smart grids enable a bidirectional flow of electricity and information among power system assets.For proper monitoring and con-trolling of power quality,reliability,scalability and flexibility,there is a need for an environmentally friendly system that is transparent,sustainable,cost-saving,energy-efficient,agile and secure.This paper provides an overview of the emerging technologies behind smart grids and the internet of things.The dependent variables are identified by analyzing the electricity consumption patterns for optimal utilization and planning preventive maintenance of their legacy assets like power distribution transformers with real-time parameters to ensure an uninterrupted and reliable power supply.In addition,the paper sorts out challenges in the traditional or legacy electricity grid,power generation,transmission,distribution,and revenue management challenges such as reduc-ing aggregate technical and commercial loss by reforming the existing manual or semi-automatic techniques to fully smart or automatic systems.This article represents a concise review of research works in creating components of the smart grid like smart metering infrastructure for postpaid as well as in prepaid mode,internal structure comparison of advanced metering methods in present scenarios,and communication systems.

Implementation of Machine-to-Machine Solutions Using MQTT Protocol in Internet of Things (IoT) Environment to Improve Automation Process for Electrical Distribution Substations in Colombia

In order to incorporate smart elements into distribution networks at ITELCA laboratories in Bogotá-Colombia, a Machine-to-Machine-based solution has been developed. This solution aids in the process of low-cost electrical fault location, which contributes to improving quality of service, particularly by shortening interruption time spans in mid-voltage grids. The implementation makes use of MQTT protocol with an intensive use of Internet of things (IoT) environment which guarantees the following properties within the automation process: Advanced reports and statistics, remote command execution on one or more units (groups of units), detailed monitoring of remote units and custom alarm mechanism and firmware upgrade on one or more units (groups of units). This kind of implementation is the first one in Colombia and it is able to automatically recover from an N-1 fault.

High Performance Electrically Small Huygens Rectennas Enable Wirelessly Powered Internet of Things Sensing Applications:A Review

Far-field wireless power transfer(WPT)is a major breakthrough technology that will enable the many anticipated ubiquitous Internet of Things(IoT)applications associated with fifth generation(5G),sixth generation(6G),and beyond wireless ecosystems.Rectennas,which are the combination of rectifying circuits and antennas,are the most critical components in far-field WPT systems.However,compact application devices require even smaller integrated rectennas that simultaneously have large electromagnetic wave capture capabilities,high alternating current(AC)-to-direct current(DC)(AC-to-DC)conversion efficiencies,and facilitate a multifunctional wireless performance.This paper reviews various rectenna miniaturization techniques such as meandered planar inverted-F antenna(PIFA)rectennas;miniaturized monopole-and dipole-based rectennas;fractal loop and patch rectennas;dielectric-loaded rectennas;and electrically small near-field resonant parasitic rectennas.Their performance characteristics are summarized and then compared with our previously developed electrically small Huygens rectennas that are proven to be more suitable for IoT applications.They have been tailored,for example,to achieve batteryfree IoT sensors as is demonstrated in this paper.Battery-free,wirelessly powered devices are smaller and lighter in weight in comparison to battery-powered devices.Moreover,they are environmentally friendly and,hence,have a significant societal benefit.A series of high-performance electrically small Huygens rectennas are presented including Huygens linearly-polarized(HLP)and circularly-polarized(HCP)rectennas;wirelessly powered IoT sensors based on these designs;and a dual-functional HLP rectenna and antenna system.Finally,two linear uniform HLP rectenna array systems are considered for significantly larger wireless power capture.Example arrays illustrate how they can be integrated advantageously with DC or radio frequency(RF)power-combining schemes for practical IoT applications.

基于数字孪生与元宇宙的能源互联网认知系统论(二):面向复杂系统涌现现象的虚拟仿真推演框架

复杂性是能源互联网的重要特征与演进趋势,复杂性及其所伴随的涌现现象往往使得基于机理模型(白箱子)的仿真、分析、推演方法不再适用于复杂系统。得益于数据科学、仿真技术、孪生技术的共同发展,虚拟孪生技术成为应对复杂系统的利器。面向复杂性,该文对虚拟孪生技术及其应用前景进行探究,并重点讨论虚拟孪生系统的基本特性、支撑理论、技术体系、建设流程及其案例分析等,进一步提出基于虚拟仿真推演技术的涌现现象认知框架。该工作一方面为在能源系统中开展虚拟孪生工作提供参考借鉴,另一方面也有益于虚拟孪生技术的推进。

基于脉冲同步的配电电缆局部放电在线监测及定位方法

为了解决配网电缆局部放电在线定位难题,文中提出了一种基于脉冲同步的配电电缆局部放电双端在线定位方法,并研制了面向泛在电力物联网的配电电缆在线监测系统。首先,通过向电缆中注入脉冲信号,实现双端系统的时钟同步,并获得高频信号在电缆中的传播速度,解决了到达时间分析方法在配网电缆应用中同步困难的问题,并提出了采用基于能量法估计的局部放电脉冲到达时间,提高局部放电定位结果的鲁棒性。然后,描述了面向泛在物联网的配网电缆局部放电在线监测要求和架构。其次,详细讨论了关键硬件的实现方法,包括增益可调的高频电流互感器和感性脉冲注入装置。最后,为了验证提出方法和系统的有效性,在实验室10 kV电缆上进行了局部放电模拟试验,实验结果表明,提出的定位方法相比于传统的基于GPS同步的定位方法定位精度显著提升。此外,利用研制的测试系统对风电场真实的35 kV电缆进行了现场测试,验证了提出方法的可行性。

面向电力系统差异化业务的数据处理架构与低时延传输方法研究

面向差异化业务需求,电力物联网(Electric Internet of Things,EIoT)需要设计与之适配的数据处理架构,该架构将引入数据缓存、边缘处理等功能,并且涵盖EIoT中数据的清洗、过滤和融合等关键步骤。此外,在该架构基础上,需要同时满足大规模数据传输需求,尤其是将电力终端的能源效率(Energy Efficiency,EE)作为保障测量、监控、控制等多个电力运行环节超可靠低延迟通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communication,URLLC)的重要依据。在URLLC中,功率分配被认为是提高能效与数据处理效率的有效方法。然而,由于URLLC的特殊要求,传统香农公式在其中并不适用。因此,需要使用有限块长度编码理论来确保超可靠和低延迟的通信。文中解决了EIoT中URLLC的能效优化问题,并引入自适应深度神经网络,该技术可以根据不同电力设备接入数量,动态优化深度神经网络参数。深度神经网络将要优化的功率分配函数参数化,以无监督的方式离线训练,并可以在线部署以实现实时的功率分配结果。最后,仿真结果表明了所提方法在数据处理效率方面的有效性。

高速公路机电设备健康状态物联监测与智能诊断

针对高速公路机电设备运维管理存在健康状态数据不能实时获取、故障发现不够及时准确、设备维护处理效率较低等问题,本文提出应用物联网和智能诊断模型处理技术,构建一种远程机电设备健康状态物联监测与智能诊断系统。该系统通过实时监测设备基础状态数据,利用物联网技术将数据传输到云处理平台,对数据进行分析、处理、判断机电设备运行的健康状态及故障智能诊断。实际运行结果表明:该系统可准确地判断外场机电设备的健康状态,减少现场维护频次约15%,缩短运维和巡检车辆行驶里程约30%,实现了节能减排,降低了运维成本,缓解了高速公路拥堵,进而取得良好的经济和社会效益。

综采机电设备智能化管控平台研究与应用

针对传统综采机电设备管理模式过度依赖人工方式存在的管理效率低下、反应迟缓、管理粒度较粗以及难以实现对综采机电设备的精细化管理与调度等问题,北京天玛智控科技股份有限公司运用物联网、大数据和人工智能等先进技术,构建了综采机电设备智能化管控平台,以实现对关键装备的状态监测、故障预测、寿命评估与精细化管理。介绍了综采机电设备智能化设备管控平台总体架构、数据采集、动态监测和故障预测以及智能调度与优化等关键技术,相关技术成果在国能神东煤炭有限责任公司上湾、榆家梁、保德等煤矿进行了应用。应用结果表明,该管控平台能够极大提高设备管理的智能化和科学决策水平,对企业安全生产与降本增效具有重要作用。

基于物联网的电动汽车充电系统内外协同温度监控系统设计

针对电动汽车充电过程中因接触不良等原因导致充电部件温度过高问题,设计了一种基于物联网的电动汽车充电系统内外协同温度监控系统,系统由监控主机、ZigBee无线温度终端、移动监控平台等组成。通过车载动力电池管理器系统(BMS)监测数据和外部无线终端温度监测的协同监控,实现温度异常预警并对异常情况进行干预。试验结果表明,该系统能够实时监测电动汽车充电部件的温度信息,有效预防异常高温引发事故,具有一定的实用价值。

New paradigms of water-enabled electrical energy generation

Nanotechnology-inspired small-sized water-enabled electricity generation(WEG)has sparked widespread research interest,especially when applied as an electricity source for off-grid low-power electronic equipment and systems.Currently,WEG encompasses a wide range of physical phenomena,generator structures,and power generation environments.However,a systematic framework to clearly describe the connections and differences between these technologies is unavailable.In this review,a comprehensive overview of generator technologies and the typical mechanisms for harvesting water energy is provided.Considering the different roles of water inWEG processes,the related technologies are presented as two different scenarios.Moreover,a detailed analysis of the electrical potential formation in each WEG process is presented,and their similarities and differences are elucidated.Furthermore,a comprehensive compilation of advanced generator architectures and system designs based on hydrological cycle processes is presented,along with their respective energy efficiencies.These nanotechnology-inspired small-sized WEG devices show considerable potential for applications in the Internet of Things ecosystem(i.e.,microelectronic devices,integrated circuits,and smart clothing).Finally,the prospects and future challenges of WEG devices are also summarized.

基于物联网技术的户外电力控制柜设计

在智能电网建设中,物联网技术能很好地满足电网内部通信需求,实现对配网运行状态的实时感知与精细调控。基于物联网技术设计了户外电力控制柜,该控制柜的控制箱柜体内固定安装有横向设置的隔板,隔板将控制箱柜体分为上下分布的第一安装室和第二安装室。通过反方向转动调节两个规格相同的安装转动板角度,可增大转动板之间的间距,便于工作人员对元件进行安装、拆卸、维护等工作;通过螺纹固定杆将滑动块固定在曲型滑杆上,可降低两个安装转动板上发热电气元件之间的热量影响,很好地解决了柜体内部散热问题。

基于物联网技术的电力设备状态检测分析

基于物联网技术开展电力设备状态检测,提升状态检测水平具有较高的研究价值。文章以电力设备状态检测作为切入点,分析了物联网状态检测系统的概念、组成结构。从一次设备状态检测、二次设备状态检测两方面分析状态检测具体策略,明确物联网技术的应用要点。旨在依托物联网技术,打造更高效、更可靠的电力设备状态检测体系,利用现代化检测技术,消除电力设备故障隐患。

基于物联网技术的远程用电设备状态监测与故障诊断分析

阐述基于物联网技术,以电力设备远程状态监测为分析对象,探讨远程用电设备状态监测与故障诊断系统的设计与实现,以及数据采集、传输与存储策略。提出基于物联网的实时故障诊断策略以及深度学习与数据分析在故障诊断中的应用,并应用案例说明系统在用电设备故障诊断、电力运维管理中的作用。

电力物联网中基于聚类的任务卸载在线优化方法

随着电力物联网(electric Internet of Things,eIoT)技术的快速发展,海量电力设备在网络边缘环境中产生了丰富的数据。移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)技术在靠近终端设备的位置部署边缘代理可以有效减少数据处理延迟,这使其非常适用于延迟敏感的电力物联网场景。然而,目前的大多数研究没有考虑到部分边缘终端设备也可以作为代理设备提供计算服务,造成了资源浪费。为了充分利用移动边缘计算过程中边缘代理以及边缘终端设备的计算能力,提出了一种基于设备聚类的任务卸载方案。首先,基于分层DBSCAN(hierarchical density-based spatial clustering of applications with noise)算法,对系统中的静态和动态边缘设备进行聚类。其次,将任务卸载问题建模为多臂老虎机(Multi-Armed Bandits,MAB)模型,目标为最小化卸载延迟。再次,提出了一种基于自适应置信上限算法的算法来寻找簇内与簇间的卸载策略。最后,仿真结果表明,该方案在平均延迟方面表现出了更好的性能,并且设备簇的存活时间延长了10%~20%。

纤维机电设备智能制造系统设计与实现技术研究

文章旨在研究和设计基于纤维机电设备的智能化制造系统,用于纤维机电设备的制造过程。该系统通过集成先进的技术和自动化设备,提高生产效率,降低成本,并确保产品质量。同时,探讨该系统的关键技术实现,包括物联网技术、大数据分析、机器学习等,以理论与实践相结合的方式,提升纤维机电设备智能化制造效率,优化制造流程,实现技术的可持续发展。

基于NB-IoT的充电桩数据监控及合理分配

针对充电桩分配不合理而导致的充电桩资源浪费,过剩等情况。从实际情况出发设计了基于NB-IoT的充电桩远程数据监控,通过窄带物联网(NB-IoT),把多个地区的所有充电桩进行统一的监控,进而去了解每个地区中每一个充电桩的使用情况。在进行一段时间的监控之后,对所有数据进行综合比对,便可以得到每个地区充电桩的使用频率以及电能使用量。结合实际情况进而对每个地区的充电桩进行合理的分配。以STM32103VE芯片为控制核心,同时辅以RC522智能卡信息采集模块和IM1281电能采集模块,在NB-IoT的通信手段的支持下,完成对每个地区充电桩的远程数据监控。测试结果显示,基于NB-IoT的充电桩远程数据监控能够很好的监测到每个地区中充电桩的电能使用情况,这对于合理分配充电桩有着非常重要的意义。

基于LoRa技术的高压输电设备在线监测系统设计

偏远地区高压输电设备由于没有网络,在线监测数据的实时传输是实际应用中的一个难点问题。为此,文章设计了一种基于泛在物联网和LoRa技术的高压输电设备在线监测系统,其通过构建低功耗、远距离传输的LoRa无线通信自组织网络,将前端传感器采集的输电设备状态信息及其他数据传输到LoRaWAN网关,再通过5G无线网络将数据上传至后端服务器,实现在线监测系统的整体通信链路。模拟实验结果显示,与现有技术方案ZigBee、LoRa和NB-IOT相比,采用文中所设计的方案,系统传输速度(20~100 kbit/s)最快,且丢包率、传输时延和平均耗时(分别为1.6%、0.27 s和60 s)最低,表明该系统在具有较快传输速度的同时兼顾了低功耗远距离的特点,实现了数据的稳定传输,适用于偏远地区高压输电设备的在线监测。

多模态马尔科夫决策泛在电力物联网大数据智能挖掘

针对泛在电力物联网结构复杂、数据多样且不确定的问题,提出了一种基于多模态马尔科夫决策的泛在电力物联网大数据智能挖掘方法。该方法构建了一种基于最大熵的马尔科夫决策算法,对电力泛在物联网进行故障诊断和负荷预测,具有标记样本需求量小、置信度高的特点。通过结合电气量信息及开关量信息来提取电网数据特征,从而充分利用多模态数据样本。仿真分析与实验结果表明,相比于传统方法,所提方法能够有效识别出包括信息畸变在内的电网故障,提升电网故障诊断的准确率和电网负荷预测的精度。

储能设备在电力物联网领域中的作用效果分析

储能设备作为一种能够支持能量高效转换与存储的装置,其在电力物联网领域的作用日益凸显。为扩大储能设备的应用领域,针对储能设备在电力物联网领域中的作用效果进行研究综述。分析储能设备的主要类型以及技术原理,指出电化学储能设备以及机械储能储备在储能效率以及安全性方面均占据较大优势。在此基础上,分别从提高供电稳定性、优化能源利用效率以及提高电能质量三个方面,对储能设备的作用效果进行分析。

ITU-T Y.4221《基于物联网的电力基础设施监测系统要求》国际标准分析研究

ITU-T Y.4221《基于物联网的电力基础设施监测系统要求》国际标准于2024年7月由ITU-T SG20正式发布,该项国际标准为维护电力基础设施监测系统提供指南。本文重点介绍了ITU-TY.4221国际标准的总体框架,阐释了关键术语和定义,并对重点技术内容进行了研究分析,旨在使我国组织更好地理解ITU-T Y.4221国际标准的核心思想与技术要旨,从而有助于相关组织依据ITU-TY.4221国际标准所提供的指南方法在其电力基础设施监测系统的设计和开发活动中有效引入物联网技术,从而在电力基础设施运行过程中更好地提高系统的可靠性和安全性,实现更加高效、智能的电力系统管理。