支持新型电力系统的5G/6G高可靠低时延电力物联网通信设计与分析

新型电力系统中“源-网-荷-储”协同控制具有大规模节点接入、双向可靠和广域低时延的信息传输需求,是5G通信重要垂直应用场景。然而,现有民用5G通信无法完全满足电力业务互动控制对高可靠和低时延的信息传输需求。该文在5G标准基础上,将子载波跳频技术(frequency hopping,FH)应用于可配置正交频分复用(orthogonal frequency division multiplex,OFDM)系统中,形成OFDM/FH传输新体制,为新型电力系统提供多业务接入和高可靠的信号传输方案;同时,考虑控制业务短包和突发特性,将OFDM/FH信号传输与5G/6G微时隙(mini-slot)调度策略融合,以mini-slot为基本单位的资源调度和重传机制能有效降低时延。随后,通过理论分析,揭示该电力物联网(Internet-of-things,IoT)通信系统传输可靠性与重传时延的内在折中关系。通过对无线通信物理层信号处理和媒介接入层时隙调度联合设计,该文提出的基于mini-slot调度架构OFDM/FH的电力物联网5G/6G通信方案,可支持“源-网-荷-储”多业务泛在接入、高达99.999%传输可靠性和毫秒级低时延要求,实现了5G/6G高可靠低时延通信(ultrareliability and low-latency communications,uRLLC)与泛在电力控制业务的深度融合。

新型电力系统专用传感与边缘智能关键技术及其展望

电力物联网在电力系统的实时传感、透明感知与全局调控中发挥着重要作用。随着新型电力系统的不断演化,传统的设备传感与静态独立的智能系统难以应对多样化业务需求激增、多元化数据爆发式增长、传感器通信可靠性差与能效低下和算法模型迭代成本高等难题。因此,高度多元集成、绿色持续可靠、云边端深度协同的新型电力系统专用传感与边缘智能有望成为新范式。该文首先以新型电力系统专用传感与边缘智能的基本内涵为基础,构建了专用传感与边缘智能融合贯通的体系架构。然后重点阐述了国产化高频新型传感技术、绿色供能的高性能嵌入式芯片技术、高可靠性灵活组网技术、轻量化模型推理技术、云边协同资源共享技术和在线学习持续迭代技术。并进一步展望了专用传感与边缘智能在数据治理、隐私保护、软件定义硬件、业务-算力微服务、多层分布式泛在智能和电力大模型等发展方向,以期为新型电力系统建设提供参考。

一种基于NB-IoT的智能井盖监测系统设计

针对城市井盖保有量大、安全事故频发、人工巡检困难、管理组织混乱等问题,提出一种基于窄带物联网(NB-IoT)技术的窨井盖自动监测系统。该系统以STM32作为主控模块,包含倾角、水位等传感器,实现对井盖状态以及井内重点数据的采集,配合云端服务器和客户端完成井盖数据远程可视化显示。结果表明,所提系统可以实现故障井盖自动报警、精确定位,降低人工巡检的难度,让城市井盖管理更加智能化,让故障检修更加便捷化,提高城市管理的智能化水平。

认知物联网中继传感节点最小功耗布置方法研究

物联网数据传输过程中,中继传感节点能量不足或者能量消耗过多将导致部分节点失效,降低物联网的使用寿命。为解决这一问题,提出认知物联网中继传感节点最小功耗布置方法。根据中继节点结构特征、有向加权图,建立数据传输功耗的数学模型;以最小功耗布置为目的,制定数据流向、通信容量、数据最大传输次数的约束条件,阻止中继节点逆向传输,使节点满足通信容量范围的同时,避免出现逐条传输数据的事件;引入贪婪算法布置中继传感节点,实现中继传感节点最小功耗布置。仿真结果表明,所提方法的中继传感节点布置最大功耗为17.58 J;在传感节点分布密度为370个/m^(3)时,中继节点布置数量为126个;在11.9 s内即可完成150个中继节点的布置。

改进PBFT算法的配电物联网接入认证方法

随着物联网与配电网深度融合,海量终端设备接入系统给配电物联网安全稳定运行带来巨大挑战。针对传统身份认证方式过于中心化且无法承载大规模终端等现状,设计一种基于区块链共识机制的配电物联网终端接入认证方法。由配电物联网网关负责对待接入终端节点登记注册,采用共识算法进行分布式认证,将合法终端上链存储。在传统PBFT算法的基础上,设计了配电物联网终端共识算法。该算法引入权重机制,根据终端节点权重选取认证节点,缩小共识规模;引入可验证随机函数增强主节点安全,避免启动视图切换协议,提高共识效率;结合实际应用场景优化一致性协议,降低通信开销。实验分析表明该方法可有效规避多种网络攻击,通信开销和吞吐量优于其他方法,系统抗攻击性较强,满足配电物联网对认证效率和系统可靠性等要求。

基于边缘计算的智慧物联网农业病虫识别系统设计与实现

【目的】传统云计算存在实时性不够、带宽不足、能耗较大、不利于数据安全与隐私等问题,应用边缘计算能有效解决上述问题。【方法】通过基于边缘计算的智慧物联网农业病虫识别系统的开发与应用,测试目标应用的数字化、集成化、信息化、可视化和智能化,减少云计算的计算压力。【结果】智慧物联网农业病虫识别系统能实现节点或网关离线后自动重新登录的功能、系统数据采集与上报功能、服务器数据显示功能,从而减轻云计算中心的计算负担。【结论】研究结果将为使用边缘计算的系统提供有力的支撑,能保证整个系统的智能性、可靠性、安全性和经济性,并提高了计算能力和社会生产效率,为大规模推广边缘计算奠定了基础。

基于智慧消防技术的核电厂安全管理优化与应用探索

本文结合核电厂消防建设经验,讨论智慧消防技术在核电厂中的应用与发展,提出系统性的解决方案,并展望未来发展趋势。

电力物联网边缘计算依赖型任务卸载的低时延调度技术

现有电力物联网任务调度技术难以满足任务的低时延和实时性要求,且未考虑到电力物联网任务之间的内部依赖性。针对该问题,融合深度强化学习任务卸载模型和Sequence-to-Sequence神经网络,使用有向无环图表示任务及依赖关系,引入ε-贪婪探索机制和优先经验回放来鼓励探索和提高模型训练效率,构建基于深度强化学习的电力物联网任务卸载模型。通过与其他任务卸载算法进行对比,所提模型的任务平均处理时延显著优于其他算法,验证在电力物联网依赖型任务低时延调度方面的优越性。

电力物联网载波通信节点数据聚合隐私保护算法

电力物联网对通信数据的处理必须遵循隐私连接协议,为保障电力载波通信效果,维护数据的隐私性,提出电力物联网载波通信节点数据聚合隐私保护算法。在电力物联网载波通信平台中,定义完整的聚合映射表达式,完成对载波通信节点数据的聚合处理。按照隐私加密协议,求解多维聚合向量与审计参数,保证电力物联网主机能对通信数据进行编码处理,实现电力物联网载波通信节点数据聚合隐私保护算法的设计。实验结果表明,在所提算法作用下,数据链路聚合长度最大值达到了9.4×10^(8)bit,且物联网主机对于通信数据的处理完全遵循隐私连接协议,能够实现高水平的电力载波通信。

基于云模型综合相似度的电力物联网关键技术综合评价

目前电力物联网关键技术应用的综合评价具有单评价对象的特点,传统评价方法无法适用.为全面评价电力物联网项目建设水平和运营成效,在综合考量电力物联网不同建设和运营阶段及其关键要素基础上,建立电力物联网关键技术综合评价指标体系,根据其单评价对象场景的特点,提出基于云模型综合相似度的评价模型.通过对逼近理想解排序方法的改造构建单评价对象的决策矩阵,提出以兼顾云模型的形状-距离综合相似度为度量,表征逼近理想解排序方法的相对贴近度,进而实现对单评价对象的精准评价.应用所提方法综合评价某电力物联网示范工程,验证了所提综合评价体系和评价方法的客观性与全面性.

面向电力物联网的轻量化5G通信关键技术研究

新一代5G通信技术在电力物联网应用中存在功耗和成本居高的问题,所以轻量化5G通信关键技术的相关研究具有重要意义。分析了电力5G典型业务场景需求及电力5G技术演进。重点探讨了轻量化5G终端的复杂度、成本、功耗以及安全性。结合国内主流商用5G网络,分析了轻量化5G峰值速率与电力物联网业务需求匹配特性。对轻量化5G在电力行业应用的演进方向展开了讨论。最后,分析了轻量化5G在电力物联网中部署典型应用案例。

电力物联网边缘智能:概念、架构、技术及应用

近年来,随着传感器、采集装置、感知终端的规模化部署,以及人工智能、5G、北斗等新技术的融合应用,智能巡检、在线监测、需求响应等电力物联网应用产生海量感知数据,数据上传至云端服务器会占用大量通信带宽,为网络通道和云端资源带来巨大压力,处理分析的实时性与时效性也不满足应用要求。为解决上述问题,考虑将边缘计算和人工智能赋予电力物联网,电力物联网边缘智能技术应运而生。电力物联网边缘智能通过在边缘侧嵌入人工智能算法,在靠近数据产生源处对数据进行预处理、本地计算、推理研判,从而减少上传到云端的通信带宽需求,降低传输时延和传输功耗,为上述问题的解决提供一种有效技术路径。首先,阐释电力物联网边缘智能的概念与演进,提出电力物联网边缘智能体系架构;其次,从边缘侧芯片、边缘计算操作系统、边缘计算框架3个层次分析电力物联网边缘智能软硬件基础,同时从云边协同、模型压缩、模型加速、群体智能、联邦学习5个方面讨论电力物联网边缘智能关键技术;然后,从“发输变配用”5个环节探讨电力物联网边缘智能应用场景;最后,分析电力物联网边缘智能应用的机遇和挑战。

电力物联网下基于云边协同的计算任务放置算法

电力无线网具有高可靠、安全性优势,但存在频段资源有限、输变电场景基站取能较为困难等诸多不利因素,基于云边协同的计算任务放置算法进行电力无线网的优化研究具有重要意义。云计算作为一种集中式的解决方案可以提供充足的计算资源,但是电力物联网设备与云服务器通信时存在低带宽和高时延的问题。由此,研究人员提出了边缘计算的概念,综合云计算和边缘计算的优点,云边协同逐渐以互补运作的模式得到广泛应用。文章提出一种云边协同场景下计算任务放置的改进优化算法,即基于文化基因(memetic algorithm,MA)的计算任务放置算法,以最小化电力物联网设备的能耗以及电力物联网应用程序的执行时间。基于MA的计算任务放置算法分3个阶段:预调度阶段、并行应用程序的计算任务放置阶段和故障恢复阶段。通过仿真结果验证,与现有算法对比,文章所提算法的性能包括带宽、最大迭代数、决策时间等方面都得到显著提高。

随机空间几何构型下物联网络攻击节点定位

物联网各节点形成的空间几何构型随机性,决定了攻击节点的空间分辨率出现较大波动,继而影响攻击节点的定位精度。针对物联网下各节点形成的空间几何构型随机性,利用节点脉冲和功率的关联属性不受空间几何构型影响的特征,设计一种攻击节点定位算法。定位算法检测节点脉冲信号,设计最优功率关联算法,关联功率与脉冲的属性。通过关联属性构建节点距离测算定位方法。实验结果表明:文中的物联网攻击节点定位方法,在低、中、高阶三种攻击特征形式下,可以实时准确定位攻击性节点位置,具备较强的实用性。

基于物联网的电力变压器过热故障红外检测系统设计

电力变压器运行过程中容易受到自身因素和外界因素影响出现过热故障,进而发生事故,为此,该文基于物联网设计了一种新的电力变压器过热故障红外检测系统,在物联网技术的基础上对系统的硬件和软件进行开发设计。系统硬件主要设计了红外热像仪、中心控制计算机、监测云台三部分。红外摄像仪负责采集设备的实时温度数据,将数据发送到中心控制计算机;中心控制计算机负责收集并储存数据,同时将数据判断指令传达到云台;云台负责运行中心计算机的指令。通过数据采集、红外图像处理和温度测量与显示完成系统检测软件设计。实验结果表明,所设计系统能够同时绘制出温升曲线和三相曲线,更好地判定系统温度是否出现过热故障,与传统系统相比,预警响应时间平均值分别降低13.916 min和5.548 min,误检率平均值分别降低10.942%和8.262%。

电力物联网光伏微网多目标容量配置优化研究

光伏微网内部容量配置较小,导致光伏并网自我消纳能力不足,造成经济损失。为了解决这个问题,提出了电力物联网光伏微网多目标容量配置优化研究。建立运行成本、投资成本、年收益目标函数,以经济最优为目标,构建多目标容量配置目标函数。在改进乌鸦搜索算法中引入最优粒子群算法,求解目标函数,以乌鸦评判感知率为依据,输出配置结果最优解。实验结果表明,该方法光伏负荷曲线与理想光伏负荷曲线一致,总收益比理想收益高1 410万元,说明使用该方法经济效益较高。

基于摩擦纳米发电机的输电线路振动能量收集装置

在电力物联网蓬勃发展的当下,如何持续且长时间地供能成为了数以万计的传感器所要面临的技术难题。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为新崛起的高效供能技术,在传感器的自供电领域有着非常广阔的应用前景。文中基于摩擦电工作原理,利用多层弹性体结构的垂直接触分离TENG,设计出一种面向输电线路微风振动的多层弹性体TENG能量采集装置。通过振动能量采集器输出性能测试平台模拟输电线路微风振动状态,对不同频率和振幅下能量采集器的基本电气特性进行测试,结合电能管理策略,构建面向输电线路微风振动的振动能量采集自供电系统,实现宽频带振动能量的高效采集与转换,完成对商用传感器的供能。最后,通过输电线路振动缩比模型验证文中所设计振动能量采集装置的有效性与可行性。文中设计的振动能量采集自供电系统能够有效地将输电线路宽频振动能量转换为电能,具有结构简易、经济性好的特点,解决了电力物联网传感器不能持久绿色供电的问题。

电力物联网背景下综合能源微网调度运行策略研究

在电力物联网深化综合能源系统变革的背景下,物联网从技术层面为综合能源服务提供了新的驱动力,但对其面向更多元的能源生产与消费情景提出了更多要求。传统微网系统已经难以适应新形势下调节多能耦合,及精准预测调度的愿景。文中以综合能源系统为根基,提出面向电力物联网的综合能源微网框架。指出应用层面要实现经济优化调度、综合能源整体布局和能源交易。提出能源供应商面向市场的上、下两层迭代优化调度的新型策略。根据模型特点,上层是以综合能源供应商利润最大为目标函数的优化调度数学模型,采用MATLAB/CPLEX求解器求解。下层为能源市场出清的数学模型,采用粒子群算法求解。通过算例结果表明,综合能源市场能够寻优到最佳社会福利点,能源供应商能够合理分配、利用各能源设备,进一步验证了所提方法的实操性。

基于随机巡视机制的电力物联网安全技术研究

电力物联网的建设促进了电力系统各个方面的数据集成,但对电网系统的网络安全提出了较高要求,因此在电力物联网安全技术的基础上,提出了一种基于随机巡视的电力物联网安全行为异常检测方法。通过对网络节点进行编号管理,为不同信誉值的节点设计了不同的随机巡视频率,汇聚节点检测异常行为。通过仿真分析了文中方法在安全性和恶意节点检测方面的性能。结果表明,文中提出的检测方法能够及时有效地检测异常行为和恶意节点,降低了网络能耗,满足电力物联网的安全需求。

基于共识机制的电力物联网群组密钥管理研究

随着电力物联网的建设,终端接入数量的大量增加,实现低延迟和提供实时服务是传统电力物联网面临的两大挑战。虽然在电力物联网系统中已经有一些加密方案被设计来促进安全通信,但是现有的方案通常不支持匿名和灵活的密钥管理。文中基于区块链的共识机制,在电力物联网系统中保证了分散节点在区块链系统中实现一致性。提出了一种基于区块链的智能电网系统互认证和密钥方案,基于区块链共识机制的特性,所提方案可以支持高效的条件匿名和密钥管理,对终端(TA)与数据聚合器(DA)之间安全私有通信和密钥管理问题提出解决方案,提供了一个有效的密钥更新和撤销算法。对所提出方案的存储成本及时间成本进行了实验数据分析,实验结果与其他文献分别提出的三个密钥管理认证方案进行了对比,结果表明所提方案在存储成本及时间成本有明显优势。最后,进行了安全和效率之间的讨论分析,对未来电力物联网建设方面提出了建设性意见。