淺析智能電網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)場中的應(yīng)用

耿宵慧

（國網(wǎng)棗陽市供電公司，湖北 襄陽 441200）

0 引言

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，農(nóng)作物灌溉、采集以及加工等過程對電能的需求十分巨大。同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的殘渣和廢物具有很好的發(fā)電潛力，利用其生物質(zhì)能進行發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)十分成熟。加上光伏、風(fēng)能等可再生能源的綜合利用，可以有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的電能消耗。近年來，智能農(nóng)場的概念逐漸興起，智能農(nóng)場是一種農(nóng)場管理方法，它可以利用信息與通信技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)等，通過實時的監(jiān)控、各類參數(shù)的調(diào)整、各類資源的綜合利用來實現(xiàn)農(nóng)場利潤的最大化，也能為設(shè)施中的作物和養(yǎng)繁殖物創(chuàng)造最佳環(huán)境，生產(chǎn)高質(zhì)量的農(nóng)產(chǎn)品[1-2]。此外，智能農(nóng)場技術(shù)還可以準確預(yù)測產(chǎn)量，估計農(nóng)業(yè)的副產(chǎn)物以及農(nóng)業(yè)廢物的能源潛力，即估計谷類作物的秸稈，玉米、水稻和小麥的殼等農(nóng)業(yè)廢物的存儲量，以及利用其生物質(zhì)能進行發(fā)電的能力。

目前，隨著計算機技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[3-5]，智能電網(wǎng)技術(shù)作為以上技術(shù)的集成，可以視作是電力系統(tǒng)與海量信息的結(jié)合體，能夠在保證電力系統(tǒng)安全運行的前提下，將光伏、風(fēng)能、生物質(zhì)能、可再生能源與傳統(tǒng)發(fā)電方式有效結(jié)合，將電力系統(tǒng)與統(tǒng)計學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和智能算法等領(lǐng)域相融合?；诖?，本文提出了一種智能農(nóng)場與智能電網(wǎng)的集成方案，不僅能使農(nóng)場科學(xué)地改變用電行為和用電方式，還能夠通過計算農(nóng)場中農(nóng)業(yè)廢物的存儲量來決定是向電網(wǎng)購電還是輸送電能，從而提高農(nóng)場經(jīng)營效益，促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 智能農(nóng)場概述

傳統(tǒng)農(nóng)場的面積大、生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜，造成其管理不便、經(jīng)濟效益低等缺點[6]，智能農(nóng)場區(qū)別于傳統(tǒng)農(nóng)場，結(jié)合了農(nóng)業(yè)科學(xué)、信息和通信技術(shù)（Information and Communication Technology, ICT）、決策支持系統(tǒng)等領(lǐng)域，以實現(xiàn)最佳決策。典型的智能農(nóng)場通常由獲取各類信息數(shù)據(jù)、傳達數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和實施最佳決策等環(huán)節(jié)構(gòu)成。GPS和GIS也是智能農(nóng)場中的重要技術(shù)，通常，智能農(nóng)場中的各類信息可以通過數(shù)據(jù)點手動采樣、現(xiàn)場傳感器采樣、無人機采樣或衛(wèi)星采樣等方式進行。

田間傳感器負責(zé)收集對作物產(chǎn)量至關(guān)重要的信息，包括大氣溫濕度、土壤濕度、氧氣濃度、光照強度以及有害氣體濃度等環(huán)境參數(shù)，并通過大數(shù)據(jù)模式與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，完成對生長過程中產(chǎn)生的生長數(shù)據(jù)的分析處理，得到合理的產(chǎn)量預(yù)估[7]。

智能農(nóng)場中的通信技術(shù)往往采用ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有成本低、延時短和易于設(shè)置等特性[8]。只需要將檢測模塊放置在檢測區(qū)域，就可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將農(nóng)場內(nèi)采集的數(shù)據(jù)傳輸至PC端，實時顯示農(nóng)場中傳感器收集的各項環(huán)境參數(shù)。

智能農(nóng)場的本地服務(wù)器與云服務(wù)器相連，可以從云服務(wù)器上獲取一段時間內(nèi)的天氣信息和不同作物的特性信息，通過天氣情況對智能農(nóng)場內(nèi)部實施干預(yù)。天氣信息可以由當(dāng)?shù)氐臍庀笳局苯犹峁?，計算機終端則是提供決策支持系統(tǒng)，向用戶呈現(xiàn)信息以便用戶進行決策，智能農(nóng)場內(nèi)也有用于執(zhí)行決策的執(zhí)行器。

2 智能電網(wǎng)與智能農(nóng)場集成

2.1 智能電網(wǎng)的構(gòu)成

智能電網(wǎng)的最終目標是建設(shè)成為覆蓋電力系統(tǒng)整個生產(chǎn)過程，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電及調(diào)度等多個環(huán)節(jié)的全景實時系統(tǒng)[9]。其主要由需求側(cè)管理（Demand Side Management, DSM）和分布式發(fā)電（Distributed Generation, DG）兩個方面構(gòu)成。

DSM是指根據(jù)智能電網(wǎng)的目標來控制電力使用的技術(shù)，在廣義上可以概括為能源效率、使用時間、需求響應(yīng)和旋轉(zhuǎn)備用。DG則是指使電網(wǎng)所有者能夠在偏遠地區(qū)并入許多發(fā)電廠的技術(shù)，DG技術(shù)對于風(fēng)能和太陽能發(fā)電等可再生能源尤其重要，因為這些能源廠大多數(shù)設(shè)置在不同的偏遠地區(qū)。此外，電網(wǎng)所有者還可以使用小型生物質(zhì)發(fā)電作為供應(yīng)來源。

2.2 智能農(nóng)場與智能電網(wǎng)的集成模型

智能農(nóng)場和智能電網(wǎng)的集成模型如圖1所示。該模型含有一個熱電聯(lián)產(chǎn)工廠，以農(nóng)作物灌溉過程中的給水為例，現(xiàn)場傳感器通過ZigBee技術(shù)無線連接到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)則連接到智能農(nóng)場內(nèi)部或附近的數(shù)據(jù)中心以及氣象站，數(shù)據(jù)中心與云數(shù)據(jù)中心相連以獲取相關(guān)信息，由此確定在灌溉過程中給定作物不同生長階段的最佳水分脅迫水平。

數(shù)據(jù)中心連接到計算機終端，該計算機終端向相關(guān)的智能農(nóng)場代理（智能代理）發(fā)送相關(guān)決策信息，由智能代理負責(zé)協(xié)調(diào)決策。該模型中，智能灌溉系統(tǒng)也可包含在內(nèi)，其功能是由執(zhí)行器單元來實現(xiàn)的。

為了實現(xiàn)智能農(nóng)場與智能電網(wǎng)的集成，需要對智能農(nóng)場模型進行改進，將農(nóng)業(yè)廢物能源潛力的計算納入智能農(nóng)場當(dāng)中。能源潛力的計算是通過考慮儲存的農(nóng)業(yè)廢物量相對于可以再次獲得廢物的時間和智能農(nóng)場中儲存廢物的成本來計算的。此外，還需要考慮到智能農(nóng)場向電網(wǎng)歷史購電和售電的情況，從而使得農(nóng)場能夠選擇何時向智能電網(wǎng)供電、何時使用農(nóng)場本身的電能、何時從智能電網(wǎng)購電。

智能農(nóng)場-智能電網(wǎng)的集成系統(tǒng)還具有以下功能：現(xiàn)場傳感器定期拍攝現(xiàn)場快照，通過網(wǎng)關(guān)路由器將其發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。使用智能農(nóng)場的數(shù)據(jù)中心構(gòu)建相關(guān)信息的圖片，并將其與標準圖片進行比較，結(jié)合當(dāng)前的各項環(huán)境參數(shù)，實時調(diào)整培育方案。

智能農(nóng)場還可以對當(dāng)前維持農(nóng)場運行所需的電力進行評估，然后將其電能需求信息發(fā)送到智能電網(wǎng)端。由智能電網(wǎng)將電能可用性和定價信息反饋給智能代理，再由智能代理將其與可用生物質(zhì)的生產(chǎn)和儲存成本估計值進行比較。如果智能電網(wǎng)的電力成本低于生產(chǎn)能源和儲存生物質(zhì)的成本，則智能代理會做出由農(nóng)場向電網(wǎng)購電的決定。而在用電高峰或電能短缺的情況下，智能電網(wǎng)會向智能代理傳達電能需求以及電價。此時，智能代理會根據(jù)電能生產(chǎn)和存儲的成本來評估。如果此時發(fā)電能夠盈利，則由農(nóng)場側(cè)發(fā)電，向電網(wǎng)供電。

3 前景與挑戰(zhàn)

智能農(nóng)場與智能電網(wǎng)結(jié)合的發(fā)展前景十分廣闊，一方面，通過智能農(nóng)場的精準預(yù)測和用電設(shè)備的控制，使其能夠很好地滿足電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)的要求；另一方面，智能農(nóng)場具有利用農(nóng)作物廢物發(fā)電的能力，從而使得農(nóng)場由單一的從電網(wǎng)購電變成了根據(jù)發(fā)電成本和電網(wǎng)負荷狀況既可以向電網(wǎng)購電，也可以向電網(wǎng)供電的雙向選擇，有助于挖掘偏遠地區(qū)用戶的潛在發(fā)電能力，減少傳輸浪費，形成一個更高效的能源電網(wǎng)。同時，也促進了偏遠地區(qū)電力、通信技術(shù)的不斷更新，科學(xué)地解決農(nóng)業(yè)廢物，避免農(nóng)民自主進行焚燒，能夠很好地減少環(huán)境污染，緩解全球變暖等問題。

雖然智能農(nóng)場與智能電網(wǎng)相結(jié)合具有許多優(yōu)點，但其中的風(fēng)險和挑戰(zhàn)仍然不容忽視。其中，較為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)有：1）數(shù)據(jù)恢復(fù)和采集技術(shù)。由于傳感器的數(shù)據(jù)有時會更新和覆蓋，容易導(dǎo)致之前收集的數(shù)據(jù)被覆蓋。但是在對數(shù)據(jù)中的有效信息進行提取之前，歷史數(shù)據(jù)不應(yīng)該被覆蓋，一旦被覆蓋，則會嚴重影響數(shù)據(jù)收集的準確性。2）數(shù)據(jù)的實時處理技術(shù)?？紤]到智能農(nóng)場和智能電網(wǎng)中的應(yīng)用程序時常需要根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、分析，這就對數(shù)據(jù)清理的時間提出了較高的要求。就已有的技術(shù)而言，具有Hadoop的、基于云的基礎(chǔ)設(shè)施是保障數(shù)據(jù)能夠進行快速實時處理的一種方案，但仍存在著延遲、網(wǎng)絡(luò)擁塞、計算速度有限等固有問題[10]。3）通信安全?？焖?、安全、可靠的通信通道是涉及數(shù)據(jù)實時分析的另一項挑戰(zhàn)。保護通信通道的信息安全是一項復(fù)雜而耗時的任務(wù)。若該環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致用戶的商業(yè)信息被泄露。而對于電網(wǎng)數(shù)據(jù)而言，其可能遭受網(wǎng)絡(luò)安全攻擊，故對其數(shù)據(jù)的保密性、安全性也需要十分重視。4）加強無人機技術(shù)研發(fā)。無人機監(jiān)測是智能農(nóng)場監(jiān)測技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，采用無人機可節(jié)約大量的人力、物力。但現(xiàn)行的無人機技術(shù)缺乏針對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的、統(tǒng)一的行業(yè)標準，其續(xù)航能力、采集數(shù)據(jù)的準確性也無統(tǒng)一的衡量標準，這也是無人機應(yīng)用時需要妥善處理的問題。