基于物聯(lián)技術(shù)的配電網(wǎng)智能化研究

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司 許 歡 胡曉青 許吉強(qiáng) 魯玉普 惠 煒

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息技術(shù)時(shí)代綜合運(yùn)用的必然發(fā)展產(chǎn)物，其特點(diǎn)是高度集成、滲透性較強(qiáng)、能起到帶動(dòng)作用，核心是整體綜合效益較好，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用可以促進(jìn)和改善人們的生產(chǎn)和生活方式，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)智能化更強(qiáng)，同時(shí)逐步趨于精細(xì)化和網(wǎng)絡(luò)化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、三維數(shù)字化建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等的數(shù)字技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)供配電、營(yíng)銷和企業(yè)智能管理等場(chǎng)景智能應(yīng)用提供支撐。

2 物聯(lián)網(wǎng)三大要素及兩大特征

2.1 三大要素

一是通過利用傳感器以及二維碼等使物體的信息能夠隨時(shí)隨地獲取全面感知。二是通過電信、互聯(lián)網(wǎng)、物體的融合，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將物體的信息可靠傳遞。三是利用各種智能計(jì)算技術(shù)，如云計(jì)算、模糊識(shí)別等，進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息和物體分析實(shí)施智能處理。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)兩大特征

一是能夠使傳感器網(wǎng)絡(luò)部署和通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋泛在化。二是在協(xié)同處理和決策支持以及算法和專家?guī)斓确矫嬷悄芑?/p>

3 智能電網(wǎng)解譯

智能電網(wǎng)內(nèi)含各種智能的傳感器和電力設(shè)備，控制和應(yīng)用系統(tǒng)，所以其數(shù)字化程度高，基于統(tǒng)一的信息平臺(tái)，在數(shù)據(jù)和應(yīng)用方面能自動(dòng)完成整合，在電網(wǎng)的可觀性和可控性方面得到增強(qiáng)和擴(kuò)大，基于商業(yè)智能分析系統(tǒng)，能夠智能進(jìn)行對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和處理，對(duì)設(shè)備狀況進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測(cè)和分析，同時(shí)對(duì)決策提供輔助支持，從而來優(yōu)化運(yùn)行和管理[1]。

4 智能電網(wǎng)的特點(diǎn)及功能

4.1 特點(diǎn)

一是靈活性。組建自我平衡，自我監(jiān)視的電網(wǎng)，將人工干預(yù)減少到最低程度。二是可接入性?？山邮苋魏文茉矗?，太陽(yáng)能，風(fēng)能）并將其轉(zhuǎn)化為最終用戶的使用（供熱，照明，熱水），將對(duì)環(huán)境的累計(jì)影響減到最小。三是可靠性。可以感知系統(tǒng)的某一部分過負(fù)荷，可控制潮流改變走向以減少過負(fù)荷并防止?jié)撛诘耐＿\(yùn)的發(fā)生。四是盈利性。使得電力消費(fèi)者和電力公司之間的實(shí)時(shí)通信成為可能，可以基于環(huán)境和價(jià)格的優(yōu)惠優(yōu)化消費(fèi)者對(duì)電能使用。

4.2 功能

一是能針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，采集并傳輸價(jià)格和電網(wǎng)狀態(tài)信息，將電網(wǎng)從中央控制轉(zhuǎn)換為集體網(wǎng)絡(luò)控制。二是通過采取自我恢復(fù)措施，處理緊急狀況下的各種問題，盡量滿足能源市場(chǎng)和電廠的需求。三是具有智能的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠提供及時(shí)、安全的信息流，有效提供數(shù)字化經(jīng)濟(jì)下的電力供應(yīng)。

5 智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的差別

5.1 智能電網(wǎng)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

一是將信息網(wǎng)絡(luò)融入傳統(tǒng)電網(wǎng)。二是將電力的信息網(wǎng)絡(luò)延伸到每個(gè)小的電力供應(yīng)商。三是將電力的信息網(wǎng)絡(luò)延伸到每家每戶[3]。

5.2 智能電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

一是通過信息網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)了解各家用電情況，有利于電力調(diào)配。二是通過信息網(wǎng)絡(luò)，新興綠色發(fā)電可以并網(wǎng)。三是通過信息網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)調(diào)配電力，保證電力網(wǎng)安全。

6 智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

6.1 發(fā)電領(lǐng)域

主要包括常規(guī)大電源基地（大煤電、大水電、大核電）、清潔能源（風(fēng)電、光發(fā)電站）和大容量?jī)?chǔ)能應(yīng)用等電源的接入和協(xié)調(diào)運(yùn)行技術(shù)。

6.2 輸電領(lǐng)域

主要包括特高壓和柔性交直流輸電技術(shù)、輸電線路智能化巡檢、檢修和運(yùn)行維護(hù)技術(shù)和輸電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及維護(hù)管理技術(shù)等。

6.3 調(diào)度領(lǐng)域

主要包括在線安全穩(wěn)定分析評(píng)估和輔助決策技術(shù)、運(yùn)行控制自動(dòng)化技術(shù)、電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)全景化及可視化技術(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、大電網(wǎng)控制技術(shù)、安全防御技術(shù)以及運(yùn)行管理技術(shù)等。

6.4 變電領(lǐng)域

主要包括變電站信息采集、智能傳感、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)診斷、自適應(yīng)/自優(yōu)化保護(hù)、廣域保護(hù)、協(xié)調(diào)控制和站內(nèi)智能一次設(shè)備等技術(shù)等。

6.5 配電領(lǐng)域

主要包括配電網(wǎng)自愈、智能預(yù)警、輔助決策、安全控制、設(shè)備管理、智能終端、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、能量管理以及儲(chǔ)能等技術(shù)[2]。

6.6 用電領(lǐng)域

主要包括智能測(cè)量技術(shù)、智能采集技術(shù)、信息通信技術(shù)、智能分析與決策技術(shù)、雙向智能交互技術(shù)以及智能用能服務(wù)技術(shù)等。

7 物聯(lián)技術(shù)的配電網(wǎng)智能化研究

7.1 智能傳感測(cè)量技術(shù)研究

研究滿足智能電網(wǎng)要求的智能傳感器設(shè)計(jì)及功能模塊一體化技術(shù)、智能傳感器完整系統(tǒng)（芯片能）和微處理器芯片技術(shù)等。首先，建立智能傳感器的通用模塊模型，搭建功能復(fù)用模塊，合理劃分各模塊功能，建立智能傳感測(cè)量采集系統(tǒng)，具備補(bǔ)償校正和數(shù)據(jù)處理以及通信功能，達(dá)到人機(jī)界面劃分和任務(wù)調(diào)度的要求，設(shè)計(jì)出一系列通用的IP 核，滿足IP 功能復(fù)用。其次，運(yùn)用宏模塊功能，將若干宏模塊用在芯片上構(gòu)建成復(fù)雜系統(tǒng)，制定各模塊之間的接口協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和處理打下基礎(chǔ)，最后，將通用需要的IP 核搭建整合為構(gòu)成完整的智能傳感器系統(tǒng)。

7.2 嵌入式自主處理技術(shù)研究

在智能電網(wǎng)中，嵌入式自主處理技術(shù)研究有較高的地位，嵌入式智能設(shè)備Agent 技術(shù)的測(cè)試方法，對(duì)智能設(shè)備在測(cè)試過程中進(jìn)行模擬和控制，模擬和控制對(duì)象是被測(cè)試、測(cè)試者和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以起到對(duì)屏蔽嵌入式智能設(shè)備的復(fù)雜性進(jìn)行屏蔽，使測(cè)試效率和腳本的可重用性得到提高，從而使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)和電器設(shè)備的測(cè)試生命周期得到進(jìn)一步拓展和支持。

7.3 智能電網(wǎng)專用芯片技術(shù)研究

智能電網(wǎng)專用芯片是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的公共基礎(chǔ)技術(shù)。開展嵌入式CPU 核及SoC 設(shè)計(jì)方法學(xué)，系統(tǒng)芯片及EDA 工具算法研究；電路單元模塊的定制設(shè)計(jì)技術(shù)研究，高速電力算法IP 庫(kù)開發(fā)、通用接口IP 庫(kù)開發(fā)及高速片上總線技術(shù)研究；VLSI 可測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)；電力專用ASIC/SoC 檢測(cè)和評(píng)估技術(shù)等研究；設(shè)計(jì)低成本的具備采集計(jì)量功能的通信控制芯片，應(yīng)用于智能配電或用電終端設(shè)備的研制。

7.4 智能輸電技術(shù)研究領(lǐng)域

輸電線路智能監(jiān)測(cè)終端設(shè)備研究與開發(fā)，建立輸電線路智能化綜合監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)，綜合實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、故障診斷和定位、在線預(yù)警和輔助決策，使輸電設(shè)備在運(yùn)行和維護(hù)以及生產(chǎn)管理水平得到全面提升，研究開發(fā)成本降低，全面高可靠性和集成度、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境、遵守標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約的導(dǎo)線狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)裝置和桿塔智能監(jiān)測(cè)裝置。在導(dǎo)線上安裝導(dǎo)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)導(dǎo)線的溫度、弧垂、風(fēng)偏、舞動(dòng)、振動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)的組合或集成，桿塔監(jiān)測(cè)裝置安裝在桿塔上，實(shí)現(xiàn)對(duì)微氣象、導(dǎo)線覆冰、絕緣狀態(tài)、桿塔傾斜、桿塔振動(dòng)、張力、閃絡(luò)的組合或集成監(jiān)測(cè)[3]。

7.5 智能變電技術(shù)研究領(lǐng)域

變電設(shè)備智能化監(jiān)測(cè)、診斷與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究，研制安全、可靠、抗干擾能力強(qiáng)的適合于電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的智能傳感器；提交智能化的變電設(shè)備監(jiān)測(cè)、診斷與狀態(tài)評(píng)估統(tǒng)一平臺(tái)和管理系統(tǒng)。分析變電站中變壓器、斷路器、高抗、HGIS、GIS 等主要設(shè)備需監(jiān)測(cè)的有效關(guān)鍵參量；基于關(guān)鍵參量的類型，研究適用于電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的智能型傳感器技術(shù)；在智能傳感器的基礎(chǔ)上綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)通訊方式、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架和工作原理，提出變電主要設(shè)備智能監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方案；圍繞各類設(shè)備的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，研究監(jiān)測(cè)參量及其變化與被測(cè)設(shè)備絕緣老化的關(guān)系，利用出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)研究并開發(fā)具有自學(xué)習(xí)功能的變電主要設(shè)備智能診斷專家系統(tǒng)；基于診斷結(jié)果建立基于風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)模型和檢修策略模型，研究設(shè)備的剩余壽命估算方法；融合監(jiān)測(cè)、診斷和狀態(tài)評(píng)估三個(gè)環(huán)節(jié)，建立智能化的變電設(shè)備監(jiān)測(cè)、診斷與狀態(tài)評(píng)估統(tǒng)一平臺(tái)和管理系統(tǒng)。

7.6 智能配電技術(shù)研究領(lǐng)域

配電網(wǎng)智能終端設(shè)備的研究與開發(fā)，研制智能配電終端的樣機(jī)，制定智能配電終端的技術(shù)規(guī)范，分析智能配電網(wǎng)條件下智能配電終端的功能需求，研究設(shè)計(jì)滿足分布式電源接入情況下，完成配電網(wǎng)智能配電終端設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)、故障信息交互、在線和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等綜合功能。研究智能配電終端設(shè)備在各種應(yīng)用條件下的通信技術(shù)，研究遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能配電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)，并研發(fā)遵循該標(biāo)準(zhǔn)的智能配電終端樣機(jī)。

7.7 智能用電技術(shù)研究領(lǐng)域

智能表計(jì)與用電終端的研究與開發(fā)，提出低成本、安全可靠、多功能、模塊化的智能表計(jì)和用電終端技術(shù)方案，研制智能表計(jì)與用電終端，實(shí)現(xiàn)多電價(jià)機(jī)制支持、自動(dòng)抄表與現(xiàn)場(chǎng)控制、信息雙向互動(dòng)等功能。研究智能電網(wǎng)條件下客戶用電新需求，研究需求側(cè)管理、增值服務(wù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量、監(jiān)測(cè)設(shè)備的影響；研究與配電網(wǎng)智能終端相配合的智能用電綜合監(jiān)控終端；研究低成本、多功能、模塊化的計(jì)量終端關(guān)鍵技術(shù)；研究分布式電源接入、諧波、電動(dòng)汽車充電站等復(fù)雜電磁條件下對(duì)電能計(jì)量的影響；研究用電數(shù)據(jù)加密技術(shù)；研究用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安全認(rèn)證技術(shù)、信息安全傳輸技術(shù)等；研究智能用電終端信息交互技術(shù)及信息展現(xiàn)技術(shù)[4]，智能用電系統(tǒng)信息流程如圖1所示。

8 物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

8.1 輸電線路在線監(jiān)測(cè)

一是線路上部署溫/濕度傳感器、拉力傳感器、三維加速度傳感器（MEMS 陀螺）、環(huán)境溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感。

二是高壓桿塔上布設(shè)傾斜傳感器、Sink 節(jié)點(diǎn) （含無線通信模塊）構(gòu)成一個(gè)傳感器簇，無線傳感在線監(jiān)測(cè)如圖2所示。

圖2 無線傳感在線監(jiān)測(cè)

三是實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)、導(dǎo)線風(fēng)偏、導(dǎo)線微氣象變化、導(dǎo)線微風(fēng)震動(dòng)、導(dǎo)線溫度和覆冰以及視頻等在線監(jiān)測(cè)。

8.2 電力設(shè)施全方位防護(hù)及保電支撐

可以有效抵御人為破壞和不可抗力產(chǎn)生的自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響；全面提升電網(wǎng)設(shè) 備、線路、桿塔和其他資產(chǎn)的智能化作業(yè)水平、巡檢水平以及電網(wǎng)的感知能力，確保電網(wǎng)在安全和高效狀態(tài)下運(yùn)行以及節(jié)約成本和優(yōu)化調(diào)度方面得到可靠的支撐，如圖3所示。

圖3 全方位防護(hù)及支撐

8.3 輸電、變電、配電智能巡檢

巡檢人員的定位功能、設(shè)備信息的感知功能、狀態(tài)檢修提供輔助手段、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)功能。

8.4 電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)操作防誤與事件記錄，現(xiàn)場(chǎng)防誤入間隔，防止觸電，安全作業(yè)、文明施工，同時(shí)能起到設(shè)備的安全保障作用，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

9 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)智能配電技術(shù)正處在高速發(fā)展時(shí)期，新技術(shù)、新功能將實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、可靠的管理，促進(jìn)配網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用與時(shí)代同步，物聯(lián)網(wǎng)與配電網(wǎng)的結(jié)合，將促進(jìn)運(yùn)維系統(tǒng)的更新，使得設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)的信息采集更加全面，保證了配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。