基于物聯網技術的智能電網

胡荻++龔鳴敏

摘 要：繼物聯網的概念提出后，智能電網的概念一經提出便受到了社會各界的重視。由于傳統供電模式的弊端日益凸顯，世界各國對于新型供電技術的需求不斷在增強，智能電網的構想也因此迅速在全世界蔓延開。本文在簡單介紹物聯網技術的基礎上，討論了傳統供電網絡存在的問題與不足、智能電網的優(yōu)勢和相關技術。

關鍵詞：物聯網；智能電網；智能電表；數據采集

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

1 引言

物聯網技術在智能電網中的應用是網絡技術發(fā)展到一定程度的必然產物，該技術的應用，能有效地對電力系統基礎設施資源進行整合，進而提高電力系統通信水平，改善當前電力系統基礎設施的利用率。

基于物聯網技術的智能電網是以物理電網為基礎，將現代先進的傳感測量技術、通訊技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成而形成的新型電網。它以充分滿足用戶對電力的需求和優(yōu)化資源配置、確保電力供應的安全性、可靠性和經濟性、滿足環(huán)保約束、保證電能質量、適應電力市場化發(fā)展等為目的，實現對用戶可靠、經濟、清潔、互動的電力供應和增值服務。

2 傳統供電模式存在的問題

在傳統上，電力供應方和需求方的界限十分明顯。電廠發(fā)出的電力經由變電站和輸電線進入用戶家中；用戶花錢購電，而用電量由電表來直觀顯示。這種傳統電力模型已經有了近百年的歷史，其弊病也慢慢顯露出來，主要有以下幾點。

2.1 電力分配無法靈活調整

傳統的供電模式中，發(fā)電廠所扮演的角色往往僅僅是提供電力而已，只能對電網進行穩(wěn)定的電力輸入。然而根據實際地域與時間段的不同，用電需求也存在著極大的差異，這需要供電方根據實際情況對輸出電量的多少進行靈活的調控。但是傳統的供電模式中，發(fā)電廠基本無法做到這一點，這也導致了用電高峰時期發(fā)電長所承受的巨大負荷。

2.2 數據采集系統不完善

傳統供電模式中，發(fā)電廠對于數據的采集很少，而用戶使用的電表只是作為電能計量儀器使用，功能相對而言比較單一，而且其穩(wěn)定性、精度、靈敏度方面都比較難控制。

2.3 環(huán)境污染

大部分傳統發(fā)電廠都使用燃燒化石燃料的形式，化石燃料的大量燃燒會產生許多的有害氣體，并且會加劇溫室效應?，F今，溫室效應在世界范圍內的影響不斷加大，隨之而來的環(huán)境破壞已經成為世界各國都無法忽視的問題。傳統供電模式中燃燒化石燃料的行為急需改變。

3 智能電網的優(yōu)勢

3.1智能電表實現電力靈活分配

3.1.1雙向電能傳輸和計量

具備雙向電能傳輸和計量的功能的智能電表作為電網的入戶接口，一方面能將電網通過智能電表將安全、高質的電能輸送到用戶的用電設備上；而隨著新能源的廣泛應用，許多分布式新能源，如風能、太陽能等，已經在用戶端得到了充分的使用，這種微型分布式能源也可以通過智能電表反饋到電網中，與電網實現并網。

借助智能電表內部MCU強大的計算能力支持，智能電表還可以進行可靠的電能管理，比如分時管理、用戶用電情況分類管理、最大負荷控制等等。通過這些管理為一些高耗能的設備從用電高峰時段轉到非用電高峰時段提供優(yōu)惠折扣，實現錯峰避峰用電，提高電網的運行效率，也為用戶節(jié)省開支。

3.1.2 雙向通信

雙向通信包括兩個方面，一個是智能電表與用戶交互終端的雙向通信，另一個是智能電表與配電網之間的雙向通信。作為用戶終端與電網的銜接單位，智能電表可以對用戶使用終端的用電情況進行管理，而用戶終端可以將實時的將用電情況反饋給智能電表；而配電網這邊，智能電表可以通過通信網絡將用電信息發(fā)給配電網，配電網又可以通過通信網絡對智能電表進行實時調控。

目前智能電表與用戶終端的通信主要通過如ZigBee、WiFi等無線通信方式，還有一些專用總線，如M-Bus以及電力線調制解調方式來實現，用戶終端則通過能源網關與智能電表進行互聯；而智能電表與遠端的配電網之間的通訊方式也有多種形式，如電力線路的載波通訊（PLC）、無線網絡通訊（WiMax、OFDM等）、通信網絡通訊等。

3.1.3 負荷開關的控制

借助遠程通信功能，用戶在異地可以通過互聯網或者移動通信網絡對家里的各種智能負荷，如空調、洗衣機、冰箱、照明等實現遠端開關控制，同時通過智能電表的遠端通信功能還可以實現異地監(jiān)控和報警。

3.2 智能變電站和實現多方面數據采集

3.2.1 信息一體化的集成和應用

智能變電站的一體化平臺可以方便地訪問到更多的數據，因此在全景數據平臺的基礎上，可以實現更為智能化的各種高級應用功能，包括：一體化五防、順序控制、源端維護、一體化故障信息子站、故障信息綜合分析決策、智能報警等。

通過信息一體化平臺和高級應用功能，智能變電站實現了信息平臺的全景數據接入及標準訪問接口，對于處于安全區(qū)的一次設備在線監(jiān)測系統、輔控系統，采用串口方式接入，實現了不同安全分區(qū)系統網絡的物理隔離，進而實現安全分區(qū)，保證了信息的安全，簡化了運行操作，提高了運行效率，消除了信息孤島。

3.2.2 設備狀態(tài)監(jiān)測信息的集成

同時，智能變電站能夠通過各種狀態(tài)信息判斷二次設備的運行健康水平，對離線信息、在線信息、原始資料狀態(tài)量、運行情況狀態(tài)量、檢修試驗情況狀態(tài)量等進行設備健康狀態(tài)的權重分析，應用減法原則、專家系統、模糊計算等控制計算方法，得出合理的狀態(tài)評價結論。

3.3 多種環(huán)保供電方式與柔性輸電技術

智能電網中使用了大量的環(huán)保供電方式，如太陽能發(fā)電、風能發(fā)電、潮汐發(fā)電等等，這些供電方式有效的減少了對環(huán)境的污染，也從各方面提高了對閑置能源的利用率。

智能電網通過柔性輸電技術保證智能電網能夠接受不同等級、不同容量的發(fā)電和儲能系統的接入。太陽能、風能發(fā)電等不穩(wěn)定的可重用能源連接到電網時，可以立即投入使用，并且不會因供電能力的差異而受到影響。

4 智能電網運作的主要環(huán)節(jié)及相關技術

4.1分布式電源

4.1.1 分布式電源概述

分布式電源裝置是指功率為數千瓦至50MW小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨立電源（包括光伏、風電、水電）。這些電源由電力部門、電力用戶或第3方所有，用以滿足電力系統和用戶特定的要求。

現階段我國的能源方式仍以集中供能系統為主，分布式能源的發(fā)展并不能取代傳統的能源供應方式，將是集中供能系統的有益補充。因此，在我國可再生能源發(fā)電模式將是集中發(fā)電遠距離輸電與分布式發(fā)電相結合的方式。截至2012年底，我國已并網投產的分布式電源1.56萬個，裝機容量3436萬kW，其中分布式水電2376萬kW，世界第一；余熱、余壓、余氣資源綜合利用和生物質發(fā)電近年來增長迅速，裝機871萬kW，分布式光伏是未來發(fā)展的重點，前景非?？捎^。

4.1.2 分布式發(fā)電接入對電網的影響。

為了規(guī)范分布式電源的準入條件，減小大規(guī)模分布式電源接入后對電網造成的沖擊，國家電網公司規(guī)定了分布式電源接入電網應遵循的基本原則：

（1）并網點的確定原則為電源并入電網后能有效輸送電力并且能確保電網的安全穩(wěn)定運行。

（2）當公共連接點處并入一個以上的電源時，應總體考慮它們的影響。分布式電源總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區(qū)域內最大負荷的25%。

（3）分布式電源并網點的短路電流與分布式電源額定電流之比不宜低于10。

（4）分布式電源接入電壓等級宜按照：200kW及以下分布式電源接入380V電壓等級電網；200kW以上分布式電源接入10kV（6kV）及以上電壓等級電網。經過技術經濟比較，分布式電源采用低一電壓等級接入優(yōu)于高一電壓等級接入時，可采用低一電壓等級接入。

4.2 智能輸電

4.2.1 柔性交流輸電技術（FACTS）

柔性交流輸電技術是新能源、清潔能源的大規(guī)模接入電網系統的關鍵技術之一，綜合電力電子技術、微處理和微電子技術、通信技術和控制技術而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術。

FACTS概念：應用大功率、高性能的電力電子元件制成可控的有功或無功電源以及電網的一次設備等，以實現對輸電系統的電壓、阻抗、相位角、功率、潮流等的靈活控制，將原基本不可控的電網變得可以全面控制。從而大大提高電力系統的高度靈活性和安全穩(wěn)定性，使得現有輸電線路的輸送能力大大提高。靜止無功補償器，靜止同步補償器，晶閘管投切串聯電容器，靜止同步串聯補償器統一潮流控制器就是基于FACTS裝置家族的成員。

4.2.2 高壓直流輸電技術

在現代直流輸電系統中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統和用電系統仍然是交流電。在輸電線路的送端，交流系統的交流電經換流站內的換流變壓器送到整流器，將高壓交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姾笏腿胫绷鬏旊娋€路。直流電通過輸電線路送到受端換流站內的逆變器，將高壓直流電又變?yōu)楦邏航涣麟姡俳涍^換流變壓器將電能輸送到交流系統。在直流輸電系統中，通過控制換流器，可以使其工作于整流或逆變狀態(tài)。

輕型直流輸電系統采用GTO、IGBT等可關斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。此外，可關斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺、海島等孤立小系統供電，未來還可用于城市配電系統，接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。輕型直流輸電系統更有助于解決清潔能源上網穩(wěn)定性問題。

我國高壓直流輸電技術在遠距離輸電中得到廣泛應用，今后我國還將在大水電基地和大煤電基地的超遠距離、大容量送出工程中繼續(xù)大力發(fā)展和建設特高壓直流輸電工程。特高壓輸電具有電壓等級高、輸送距離遠、輸送容量大、可實現非同步聯網等特點。

4.3 智能變電站的數字化

電力設備智能狀態(tài)監(jiān)測系統是保證電力設備正常工作，有效開展狀態(tài)檢修，并預估設備的損耗以建立全壽命周期管理體系，電力設備智能狀態(tài)監(jiān)測系統是實現智能變電站的基礎。因此以設備的狀態(tài)監(jiān)測為基礎的狀態(tài)檢修成為實現智能變電站并最終建立智能電網的核心技術之一，該技術近年來獲得越來越多的重視。電力設備智能狀態(tài)監(jiān)測不僅是設備狀態(tài)檢修模式的基礎，也是智能變電站綜合自動化正在實施的電氣運行模式的需要。無論是智能變電站還是無人值守變電站在其監(jiān)控系統中都需要增加一個在線監(jiān)測及故障診斷專家系統，用以作為輔助決策手段，進而提高監(jiān)控能力。要想實現真正的無人值守，必須加入電氣設備在線監(jiān)測和故障診斷的內容，這樣變電站綜合自動化才更加完善和更有效。所以在測量、控制、保護和遠動等綜合自動化的基礎上，融合電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統必將推動變電站綜合自動化向前發(fā)展。

電力設備智能狀態(tài)監(jiān)測不僅可以掌握電力設備當前的運行情況，還可以根據其專家系統利用其運行狀態(tài)數據庫對電力設備進行綜合診斷，為設備檢修提供輔助決策。為了解決電力設備故障診斷中所遇到的主要技術難題，需要突破常規(guī)方法進行故障診斷的局限，結合神經網絡理論、灰色軌跡理論、數據庫技術、模糊理論模型等各種算法，對電力設備實行故障診斷。利用各種數學模型從實現原理上進行比較分析，研究出多種改進的學習算法，實現變電站內電力設備故障診斷絡模型。

4.3.1 電力設備智能狀態(tài)監(jiān)測系統組成

電力設備的狀態(tài)監(jiān)測是指通過傳感器、計算機、通信網絡等技術，及時獲取設備的各種特征參量并結合一定算法的專家系統軟件進行分析處理，對設備的可靠性做出判斷，對設備的剩余壽命作出預測，從而及早發(fā)現潛在的故障，提高供電可靠性。電力設備狀態(tài)監(jiān)測大大降低維修周期內的設備故障率，為設備狀態(tài)檢修提供技術依據，并及時發(fā)現設備缺陷和異常征兆，確保設備安全運行，從而提高供電可靠性。由于變電站內電力設備種類繁多、結構各異，狀態(tài)監(jiān)測的類型也千差萬別，但是，不論什么類型的監(jiān)測系統，都需要經過3個步驟：采集設備數據信號；對數據進行傳輸；分析處理數據及診斷。

4.3.2 電力設備智能狀態(tài)監(jiān)測系統設計

由于狀態(tài)監(jiān)測系統是一個跨部門、跨系統的大型綜合管理信息系統，如無錫供電公司西涇智能變電站狀態(tài)監(jiān)測系統涉及到的部門有生產技術部、調控中心、安監(jiān)部、監(jiān)控中心等各主要生產部門；涉及到的系統有PMIS，SCADA，EMS等；涉及到的裝置有變壓器綜合管理平臺、GIS局放監(jiān)測裝置、斷路器監(jiān)測裝置、避雷器檢測裝置等。所以在設計狀態(tài)監(jiān)測系統的功能模塊時，除考慮自身的相對獨立性和開放性以外，還得重點考慮與其他已有系統模塊的集成。

4.3.3 電力設備智能狀態(tài)監(jiān)測專家系統

專家系統（ExpertSystems）是人工智能中的一個重要分支，是關于問題求解的一種智能軟件。它是一種在相關領域中具有專家水平能力的智能程序系統。它能利用領域內專家多年積累的經驗與知識，模擬人類專家的思維過程，求解需要專家才能解決的困難問題。專家系統通過知識進行推理，在問題所在的領域內推導出滿意的答案，即“專家系統=知識+推理”，這區(qū)別于常規(guī)計算機程序“程序=數據結構+算法”的一般模式，以達到“智能監(jiān)測、智能判斷、智能管理、智能驗證”的目的。變電站故障診斷專家系統主要是根據電氣設備如斷路器、變壓器、避雷器和容性互感器等一次設備進行開發(fā)和研究。

變電設備專家診斷系統作為狀態(tài)監(jiān)測的核心技術和最終目標，需要依托監(jiān)測技術和計算機技術，目前仍處于研究發(fā)展階段。

4.3.4 智能變電站綜合告警系統

智能狀態(tài)監(jiān)測系統按照站內信息高度集成共享的原則，一次設備狀態(tài)監(jiān)測平臺的信息量，除了常規(guī)的四遙信息外，還融入了大量設備的狀態(tài)信息、動態(tài)PMU信息等。信息的高度融合與共享，對現有的變電站監(jiān)測系統，如果按照傳統的報警信息分類和組織模式，當變電站發(fā)生事故時，監(jiān)控報警信息窗中將充斥著成百上千的提示、預告信息及事故信息，出現滾屏刷屏現象，監(jiān)控值班員眼花繚亂，無所適從，很難抓住重點，很容易遺漏重要告警信號，延誤處理使變電站運行值班人員無法在短時間內準確判斷事故原因，不利于事故的及時處理。智能變電站基于IEC61850技術實現了變電站全景數據的高度整合，但如何實現基于變電站告警信息的綜合分析和變電站運行異常處理專家系統，為變電站值班人員進行事故處理提供輔助決策，是提高變電站運行和管理水平以及智能化程度的重要標志之一。

智能狀態(tài)監(jiān)測系統融合了報警信息綜合展示、變電站異常信號分析與處理輔助決策系統，構建對變電站運行設備狀態(tài)的監(jiān)視功能，并將變電站所有故障信號進行分類管理，建立多重故障推理模型，從而實現事故異常的輔助決策。

4.4 智能配電

4.4.1 配電自動化

配電自動化是智能電網的重要基礎之一，需要通過配電自動化系統采集盡可能多的配電信息，并向下延伸到低壓用電信息的匯集。配電網絡的構成有電纜和架空線路兩種方式，電纜網絡多采用具有遠方操作功能的環(huán)網開關，對一次設備和通信系統的要求高。架空網絡以線路上的重合器、分段器和負荷開關為主，其中架空線路多使用雙電源手拉手供電是最基本的形式。配電線路通常都是由電纜—架空線路兩種配電網絡混合而成，對線路上主干線分段的數量取決于對供電可靠性要求的選擇。線路分段越多，故障停電的范圍越小，但同時實現自動化的方案也越復雜。

配網綜合自動化系統主要由主站系統、配變子站監(jiān)控系統、通信系統、配電網現場監(jiān)控單元（FTU/TTU等）組成。

4.4.2 用電信息采集

智能用電包括兩大部分，第一部分是為滿足智能電網對用電的信息的掌控而建設的用電信息采集系統（簡稱集抄），第二部分是未來三/四網合一的基礎PFTTH，即依電力復合光纖入戶而建的電力光纖寬帶互動網絡。

配電自動化對通信系統的要求，取決于配電網的規(guī)模和要求實現的具體希望水平，總體比較各種通信方式的優(yōu)劣應綜合考慮如下幾點：

（1）通信的可靠性

（2）通信技術的先進性

（3）可行性和使用維護的方便性

（4）配電通信的實時性

（5）通信系統的可擴充性。

通過分析對比我們不難看出，配電自動化使用的多種通信方式的特點：

（1）架空明線或電纜。其特點是建設簡單，線路衰耗大，頻帶窄，容易受到干擾，電力系統自動化中只能做近距離傳輸信道。

（2）配電載波。從目前的技術水平上看，典型的配電載波機的傳輸率可達到150-300bit/s，可滿足雙向通信的要求，對遠方抄表和監(jiān)測線路數據比較經濟。但對于停電區(qū)數據如何用配電載波上傳仍然是一個技術難題，有待進一步研究。配電載波系統數據傳輸速率較低，容易受到干擾，由于反射使得配電載波在饋線的某些部分存在盲點，其優(yōu)點是技術相對簡單。

（3）現場總線和RS-485?，F場總線（FIELDBUS）是近二十年發(fā)展起來的新技術，它是連接智能化的現場設備和自動化系統的雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它適合于FTU和附近區(qū)域工作站的通信，以及變電站內部各個智能模塊之間的內部通信，現場總線可分為CANBUS（ControllerAreaNetwork）、LONWORKS（LocalOperatingNetworks）和PROFIBUS （processFieldBus）等，對于一些實時性要求不高的場合，可以利用RS-485代替現場總線進行數據信號的傳輸。

（4）無線通信。無線通信方式有：AM、FM、PM、GPRS等也可以應用到配電系統自動化的數據傳輸，但相對來講，在數據通信速率、保密性上存在不足，目前主要做為有線通信的補充。

（5）光纖通信。光纖通信與其他通信比較有以下優(yōu)點：光纖傳輸頻帶寬、通信容量大，傳輸損耗小，光電隔離，不受電磁干擾，組網方便、靈活。在配電自動化中，可以利用已建成的變電站到主控中心的光纖網絡進行數據傳輸，可以無源光網絡（EPON）或光纖自愈環(huán)網（工業(yè)交換機）來進行傳輸，這在許多地區(qū)都有成功的經驗，是未來配網自動化數據通信發(fā)展方向。

5 總結

目前中國的霧霾等環(huán)境問題日益嚴重，智能電網能夠促進可再生能源的發(fā)展，努力使風能、太陽能成為我國的主要綠色能源具有很大的戰(zhàn)略意義。智能電網也能夠促進發(fā)展綠色交通。電力驅動的汽車作為我國新能源汽車技術的重點，快速且節(jié)約的充電方式同樣十分重要，而智能電網的柔性輸電特性以及對于大范圍的資源與信息的真題優(yōu)化調配能夠極大的滿足這種需求。隨著智能電網和物聯網技術的進一步發(fā)展，物聯網技術必將進一步滲透到智能電網的發(fā)展和建設中。

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（本文審稿 陳 兵）