物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

杜 威，潘 苗

(1.江蘇省宏源電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇南京210009；2.南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，江蘇南京210008)

目前電網(wǎng)存在著一些突出的問題。不能快速調(diào)節(jié)電源不足，不能滿足大規(guī)模接入電網(wǎng)要求；線路巡視檢測、評估診斷與輔助決策的技術(shù)手段和模型不夠完善；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對薄弱；配、用電網(wǎng)缺乏可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用化的通信方式，對公眾用戶支持能力不足。解決這些問題，需要依靠智能電網(wǎng)的建設(shè)。它們將在智能設(shè)備和優(yōu)選的運(yùn)算法則的幫助下實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的功能。利用物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品電子代碼 （EPC）、射頻識別技術(shù)（RFID）、微納傳感技術(shù)、全球定位技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對智能電網(wǎng)中電氣設(shè)備、輸電線路、輔助設(shè)施、工作人員的識別、監(jiān)測與管理，其技術(shù)特點(diǎn)是能在多種場合下滿足智能化電網(wǎng)各重要環(huán)節(jié)上信息獲取的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、全面性的需求。依托于物聯(lián)網(wǎng)透徹的信息感知、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、健全的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及海量信息的智能管理和多級數(shù)據(jù)的高效處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)及電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測，對設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測、預(yù)防、調(diào)控，基于可靠監(jiān)控信息建立輸電線路的輔助決策和配電環(huán)節(jié)的智能決策，加強(qiáng)與用戶間的雙向互動，以及新的增值服務(wù)等。基于以上優(yōu)點(diǎn)本文分析了物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

1物聯(lián)網(wǎng)含義及關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計(jì)算能力或執(zhí)行能力的各種信息傳感設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)。其中末端網(wǎng)包括各種實(shí)現(xiàn)與物互聯(lián)的技術(shù)，例如傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、二維碼、短距離無線通信技術(shù)、移動通信模塊等。物聯(lián)網(wǎng)是繼電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人與人通信之后，著重連接物理世界的應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有4個(gè)。（1）標(biāo)識：身份標(biāo)識（RFID、二維條碼等）、位置標(biāo)識（GPS 等）；（2）感知：面向生產(chǎn)、生活等各種應(yīng)用的傳感器；（3）互聯(lián)：廣泛的物物相聯(lián)，低成本、低功耗、小型化；（4）應(yīng)用：由感知延伸出來的各種信息處理及應(yīng)用[1，2]。

2智能電網(wǎng)的概念及特征

我國用電面臨的形勢是用戶側(cè)分布式電源發(fā)展態(tài)勢迅猛、儲能設(shè)備大范圍應(yīng)用、電力資源優(yōu)化配置成為全社會共識、社會對供電服務(wù)的需求日趨多樣化、分布式電源對計(jì)量提出新要求、電力銷售市場迎來較大發(fā)展機(jī)遇。綜上所述，在新形勢下，必須采取新方法、新思路、新技術(shù)對出現(xiàn)的新問題、新情況加以解決。迎接挑戰(zhàn)、滿足用戶需求、突破用電發(fā)展瓶頸、提升效率，大力建設(shè)我國堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。通過利用數(shù)字技術(shù)提高電力系統(tǒng)的可靠性、安全性和效率，利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)和規(guī)劃方案的動態(tài)優(yōu)化，對各類資源和服務(wù)進(jìn)行整合重組。其范疇不僅涵蓋配電和用電，還包括輸電、運(yùn)行、調(diào)度等方面[3]。智能電網(wǎng)的特征主要有8個(gè)方面。

2.1自愈電網(wǎng)

“自愈”指的是把電網(wǎng)中有問題的元件從系統(tǒng)中隔離出來，并且在很少或不用人為干預(yù)的情況下，可以使系統(tǒng)迅速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，從而幾乎不中斷對用戶的供電服務(wù)。從本質(zhì)上講，自愈就是智能電網(wǎng)的免疫系統(tǒng)。這是智能電網(wǎng)最重要的特征。當(dāng)出現(xiàn)故障或發(fā)生其他問題時(shí)，在電網(wǎng)設(shè)備中先進(jìn)的傳感器確定故障并和附近的設(shè)備進(jìn)行通信，以切除故障元件或?qū)⒂脩粞杆俚厍袚Q到另外可靠的電源上，同時(shí)傳感器還有檢測故障前兆的能力，在故障實(shí)際發(fā)生前，將設(shè)備狀況告知系統(tǒng)，系統(tǒng)就會及時(shí)地提出預(yù)警信息。

2.2激勵(lì)和包容用戶

從智能電網(wǎng)的角度來看，用戶的需求完全是另一種可管理的資源，它將有助于平衡供求關(guān)系，確保系統(tǒng)的可靠性；從用戶的角度來看，電力消費(fèi)是一種經(jīng)濟(jì)的選擇，通過參與電網(wǎng)的運(yùn)行和管理，修正其使用和購買電力的方式，從而獲得實(shí)實(shí)在在的好處。在智能電網(wǎng)中，與用戶建立雙向?qū)崟r(shí)的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鼓勵(lì)和促進(jìn)用戶積極參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和管理的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)通知用戶其電力消費(fèi)的成本、實(shí)時(shí)電價(jià)、電網(wǎng)目前的狀況、計(jì)劃停電信息，同時(shí)用戶也可以根據(jù)這些信息制自己的電力使用的方案。

2.3具有抵御攻擊的能力

智能電網(wǎng)的安全策略包含威懾、預(yù)防、檢測、反應(yīng)，以盡量減少和減輕對電網(wǎng)的影響。面對重大威脅信息，不管是物理攻擊還是網(wǎng)絡(luò)攻擊，智能電網(wǎng)都能通過加強(qiáng)電力企業(yè)與政府之間的溝通，在電網(wǎng)規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)安全風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全，提高智能電網(wǎng)抵御風(fēng)險(xiǎn)能力。

2.4提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量

智能電網(wǎng)將減輕來自輸電和配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量事件。通過先進(jìn)的監(jiān)控電網(wǎng)基本元件，快速診斷并準(zhǔn)確地提出解決任何電能質(zhì)量事件的方案。此外，智能電網(wǎng)的設(shè)計(jì)還要考慮減少由于閃電、開關(guān)涌流、線路故障和諧波源引起的電能質(zhì)量的擾動，同時(shí)應(yīng)用超導(dǎo)材料、儲能以及改善電能質(zhì)量的電力電子技術(shù)的最新研究成果來解決電能質(zhì)量的問題。另外，智能電網(wǎng)將采取技術(shù)和管理手段，使電網(wǎng)免受由用戶的電子負(fù)載所造成的電能質(zhì)量的影響，將通過監(jiān)測和執(zhí)行相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，限制用戶負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)。除此之外，智能電網(wǎng)將采用適當(dāng)?shù)臑V波器，以防止諧波污染送入電網(wǎng)，惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2.5容許各種不同類型發(fā)電和儲能系統(tǒng)接入

智能電網(wǎng)將安全、無縫地容許各種不同類型的發(fā)電和儲能系統(tǒng)接入系統(tǒng)，簡化聯(lián)網(wǎng)的過程，類似于"即插即用"，這一特征對電網(wǎng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。改進(jìn)的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)將使各種各樣的發(fā)電和儲能系統(tǒng)容易接入。各種不同容量的發(fā)電和儲能在所有的電壓等級上都可以互聯(lián)，包括分布式電源如光伏發(fā)電、風(fēng)電、先進(jìn)的電池系統(tǒng)、即插式混合動力汽車和燃料電池。加強(qiáng)輸電系統(tǒng)的建設(shè)，使這些大型電廠仍然能夠遠(yuǎn)距離輸送電力。同時(shí)各種各樣的分布式電源的接入一方面減少對外來能源的依賴，另一方面提高供電可靠性和電能質(zhì)量，特別是對應(yīng)對戰(zhàn)爭和恐怖襲擊具有重要的意義。

2.6促使電力市場蓬勃發(fā)展

智能電網(wǎng)通過市場上供給和需求的互動，可以最有效地管理如能源、容量、容量變化率、潮流阻塞等參量，降低潮流阻塞，擴(kuò)大市場，匯集更多的買家和賣家。用戶通過實(shí)時(shí)報(bào)價(jià)感受到價(jià)格的增長從而將降低電力需求，推動成本更低的解決方案以及新技術(shù)的開發(fā)，新型潔凈的能源產(chǎn)品也將給市場提供更多選擇機(jī)會。

2.7運(yùn)行更加高效

智能電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整其電網(wǎng)資產(chǎn)的管理和運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)用最低的成本提供所期望的功能。這并不意味著資產(chǎn)將被連續(xù)不斷地用到極限，而是有效地管理需要什么資產(chǎn)以及何時(shí)需要，每個(gè)資產(chǎn)將和其他資產(chǎn)進(jìn)行很好整合，以最大限度發(fā)揮其功能，同時(shí)降低成本。

2.8高速通信在線監(jiān)測

智能電網(wǎng)通過高速通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測，以獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間給出需要維修設(shè)備的信號，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修，同時(shí)使設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)。系統(tǒng)的控制裝置可以被調(diào)整到降低損耗和消除阻塞的狀態(tài)。通過對系統(tǒng)控制裝置的調(diào)整，選擇最小成本的能源輸送系統(tǒng)，可以提高運(yùn)行的效率。最佳的容量、最佳的狀態(tài)和最佳的運(yùn)行將大大降低電網(wǎng)運(yùn)行的費(fèi)用。

3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

智能電網(wǎng)利就是用信息技術(shù)和新能源技術(shù)對傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行改造，物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)架如圖1 所示[4，5]。

圖1物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)架

面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層次分別為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中感知層通過部署在一定區(qū)域范圍內(nèi)的各種智能型的傳感器檢測各種環(huán)境參數(shù)信息，然后通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)或者其他專用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層；網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)中專用網(wǎng)絡(luò)的連接，其中網(wǎng)絡(luò)層中的網(wǎng)關(guān)對所收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合，可以向應(yīng)用層傳送感知層采集的信息，也同時(shí)向感知層發(fā)送應(yīng)用層的客戶端需要采集的任務(wù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和有效性；應(yīng)用層主要包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施和各種應(yīng)用。其中應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)具體應(yīng)用于智能電網(wǎng)的過程有3個(gè)方面。

3.1智能輸電

應(yīng)用環(huán)境環(huán)境因素包括戶外環(huán)境、戰(zhàn)性問題、關(guān)鍵問題。

3.1.1戶外環(huán)境

戶外環(huán)境：氣象因素(溫度、雨雪)變化會引起通信質(zhì)量的變化、電磁干擾、研究表明高壓輸電線路對無線通信的干擾作用不明顯。

3.1.2戰(zhàn)性問題

戰(zhàn)性問題：鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1.3 關(guān)鍵問題

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或鏈路失效影響網(wǎng)絡(luò)通信；距網(wǎng)關(guān)近的節(jié)點(diǎn)通信量大，容易發(fā)生碰撞和擁塞；太陽能電池供電，需要節(jié)能。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)確定研究方案：（1）基于動態(tài)功率控制的多徑路由方法：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)至少有兩條通信路徑；（2）使用動態(tài)功率控制，修復(fù)受損的鏈路或越失效的節(jié)點(diǎn)；（3）基于事件驅(qū)動的多優(yōu)先級擁塞控制機(jī)制：根據(jù)消息的緊急程度設(shè)定優(yōu)先級，緊急事件發(fā)送優(yōu)先于周期性數(shù)據(jù)。事件發(fā)生時(shí)，擁塞點(diǎn)發(fā)反向抑制報(bào)文抑制擁塞。（4）基于細(xì)粒度補(bǔ)償?shù)亩嗵鴷r(shí)間同步，細(xì)化誤差補(bǔ)償周期[6]。

智能輸電傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2智能輸電傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2智能變電站設(shè)備在線監(jiān)測

智能變電站監(jiān)測對象主要包括變壓器、油色譜分析、油溫、變壓器鐵心接地、局部放電、變壓器套管介質(zhì)損耗等；斷路器、六氟化硫氣體監(jiān)測、絕緣、斷路器觸頭動作速度和行程等；避雷器、漏電流檢測。當(dāng)出現(xiàn)以下惡劣的變電站環(huán)境時(shí)，如遮擋屏蔽環(huán)境、高振動、高濕度、極限溫度在-40～+85℃、高電磁噪聲、電動機(jī)、變頻器、對講機(jī)、開關(guān)電火花，要面對的挑戰(zhàn)性問題是保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃訹7]。物聯(lián)網(wǎng)在這個(gè)監(jiān)測過程中的過程體現(xiàn)如圖3所示。

圖3智能變電站傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前在江蘇區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能化變電站在線監(jiān)測，首推無錫220 kV西涇智能變電站。作為國家電網(wǎng)首座220 kV智能變電站，西涇變利用物聯(lián)網(wǎng)技巧，由385個(gè)水浸、煙感、溫濕感等傳感器，55個(gè)高清攝像頭以及2臺紅外熱成像儀及聲光報(bào)警等措施樹立的傳感測控收集在線監(jiān)測站內(nèi)的一切。西涇變在國內(nèi)綜合利用智能傳感、收集通信、實(shí)時(shí)監(jiān)測、專家體系等技巧，將傳統(tǒng)意義上的裝備“活化”，使其具備智能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自我感知、判別和智能化決議計(jì)劃，主動完成次序把持、一次裝備在線監(jiān)測、幫助體系智能聯(lián)動及變電站主動化體系等功效，可大大提高供電可靠性和裝備應(yīng)用效力及壽命。

3.3智能配電和用電一體化應(yīng)用

智能配電和用電一體化監(jiān)測對象為配電網(wǎng)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測、臺區(qū)變考核、防竊電大用戶遠(yuǎn)程負(fù)荷控制、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程拉合閘控制和網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)、用電信息遠(yuǎn)程發(fā)布應(yīng)用、居民用戶用電實(shí)時(shí)、精確計(jì)量，用電事件上報(bào)、告警、居民家電設(shè)備用電的精細(xì)管理與計(jì)量[8]。在這個(gè)環(huán)節(jié)中應(yīng)對的挑戰(zhàn)性問題是單節(jié)點(diǎn)的成本很低，在資源受限的傳感網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)IPV6（輕載IPV6）8位處理器、4～8 K RAM；內(nèi)外網(wǎng)隔離條件下實(shí)現(xiàn)與社會用戶的感知與互動。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在智能配、用電中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中面臨的關(guān)鍵技術(shù)

圖4智能配用電傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能電網(wǎng)中既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。因我國對于物聯(lián)網(wǎng)研究的應(yīng)用還處于初級階段，且面臨很多關(guān)鍵技術(shù)的問題。

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。開發(fā)應(yīng)用在智能輸電、在線監(jiān)測、配電及用電等方面的物聯(lián)網(wǎng)客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件體系。智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)集成相結(jié)合，智能的實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)優(yōu)化的運(yùn)行，有助于提高供電的靠性性，提升電網(wǎng)系統(tǒng)的管理與服務(wù)水平。

（2）物聯(lián)網(wǎng)體系的標(biāo)準(zhǔn)性。共性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和智能電網(wǎng)應(yīng)用規(guī)范是物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中所要標(biāo)定的內(nèi)容。但目前無論是在國內(nèi)還是在國際上，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都還處于研究制定階段。因此，要推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與應(yīng)用方面，必須加快相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。

（3）建立安全的系統(tǒng)體系。物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了各種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和信息轉(zhuǎn)發(fā)的功能，但是在信息傳輸?shù)倪^程中可能隨時(shí)面臨黑客、病毒的襲擊等外界因素的干擾。所以，信息的安全和傳輸穩(wěn)定也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于智能電網(wǎng)中要急于解決的問題。

5結(jié)束語

要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)應(yīng)用中的重大突破，必須要打造出電力物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計(jì)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、信息安全、軟件及測試平臺等完整的產(chǎn)業(yè)鏈，這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是推動物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中發(fā)展的動力。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于智能電網(wǎng)將有效整合通信基礎(chǔ)設(shè)施資源和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源，提高電力系統(tǒng)信息化水平，改善現(xiàn)有電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和綠色增長。

[1]李祥珍.借助物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[J].世界電信，2010(6).

[2]孫利民，李建中，陳 渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社.2005.

[3]李興源，魏 巍，王 渝，等.堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(17)：1-5．

[4]李祥珍.物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的融合與發(fā)展[J].辦公自動化，2010(6)：7-10.

[5]GRAHAM A W,DAVID M F,COLIN F E T,et a1.Tackling Smart Grid Deployment Challenges[C]//IEEE 20th International Conference on Electricity Distribution,2009∶111-113.

[6]劉青松，錢蘇翔，嚴(yán)拱標(biāo).基于多傳感器的信息數(shù)據(jù)融合技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與儀器儀表，2006，22(31)：191-193.

[7]王秋瑾.架空輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].電力信息化，2009，07(11)：59-62.

[8]黃新波，張國威.輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].廣東電力，2009，22(1)：13-19.