电能变换物联网架构、关键技术和应用展望——山东大学 高峰.docx

电能变换物联网

架构、关键技术和应用展望

高峰

山东大学控制科学与工程学院

2024年9月22日

1

报告提纲

研究背景

二互联架构

三关键技术

立用展望

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研究背景

●光伏、风电、电池储能和电动汽车充电桩等新兴电源和负载发展迅猛

6.6亿千瓦/4.6亿千瓦J700+万千瓦时/850+万台

图源：国家能源局和网络：数据来源：国家能源局htp//wwwneahttps://wwwgovcn/lianbo/bumen/202403/content_6939863.htm

gowen/202404/26/e_1310772757.htm,http/wwwneagevcn/2024-01/25/e_1310762019.htm,人民日报

研究背景

●电能变换系统既是各类新兴电源和负载的能量转换中枢也是数据汇集中心

能量视角：独立运行，缺乏协调

能量视角：

独立运行，缺乏协调

数据视角：

分散控制，信息不通

能量流数据流

电动汽车充电站

井网变流器

数据中心

储能电站

光伏发电站

电网

研究背景

●电能变换系统能否通过物联网模式进行赋能?

采样单元：采集电压、电流、温度数据

计算单元：进行数字计算和逻辑运算

通讯单元：上传和接收数据

电能变换系统已具备构成物联网的基本功能

电能变换系统已具备构成物联网的基本功能

研究背景

●但电能变换系统有其独有特征，区别于其它物联网形态

变流器

变流器充分对等，没有主从区别采样频率高，数据量大

成本控制严格

需要充分交互、低延迟、低成本的物联网方案

需要充分交互、低延迟、低成本的物联网方案

研究背景

●与其他物联网的特征对比

指标

车联网

农业物联网

工业物联网

电能变换物联网

移动性

移动

不移动

多数不移动

不移动

通讯延迟

毫秒级

分钟级

秒级—分钟级

毫秒级

设备间同步

微秒级

秒级

微秒级

微秒级

点对点通讯

需要

不需要

多数不需要

需要

传感器种类

多样

多样

多样

单一

采样频率

极高

低

高

极高

控制芯片

高端

低端

多数低端

低端

成本

无要求

低

低

低

现有成熟通用的物联网与电能变换系统不适配!

现有成熟通用的物联网与电能变换系统不适配!

报告提纲

研究背景

二互联架构

三关键技术

应用展望

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互联架构

电能变换物联网(PowerconversionInternetofThings,PC-IoT)

应用层忧化预测监控应用层：数据分析

应用层

忧化

预测

监控

控制

变流器在

变流器在PC-loT中属于边缘端设备，集成了感知、计算、通讯、甚至系统级应用功能

边缘层：数据预处理

感知层：数据采集

ZhouKangjia,GaoFeng.HouZhenyu,MengXiangjin.PowerConversionIntemetofThings:Architecture,KeyTechnologiesandProspects[J]IEEETrans.IndustrialInformatics,2024,earlyaccess.

12

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互联架构

●PC-loT感知层现状与特点

直流电压直流电流交流电压交流电流设备温度

采样类型包括交直流电压、电流、温度等

采样频率5k-50kHz,每秒产生高达48Mbit的数据(50kHz采样率，电流、电压、温度采样各5路)

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互联架构

●PC-loT边缘层现状与特点

单台设备每秒产生48Mbit数据，场站(20台变流器)每秒产生上Gbit数据

控制芯片TMS320F28377D仅能存储1024KB的数据，约连续采样170毫秒的原始数据边缘层需具备数据处理能力，破解高采样率与通讯受限之间的矛盾

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互联架构

●PC-loT网络层现状与特点

现有模式

数据无时标

多层传输，延迟大只能上传主站，设

备间无交互

无线

无线

网络时标不精准

传输延迟大

只能上传云端，

设备间无交互

5G等高端通讯模式因投资大、能耗高，与电能变换系统的低成本、高效率运行需求相悖，并没有得到广泛应用

已有通讯模式有局限，亟需开发适配于

已有通讯模式有局限，亟需开发适配于PC-IoT的网络层通讯新模式

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互联架