物聯(lián)網(wǎng)技術在智能電網(wǎng)中的應用

　　引言

　　近年來，隨著堅強智能電網(wǎng)概念的提出，許多與智能電網(wǎng)相融合的新技術也不斷被提出，其中一個很典型的例子,就是面向智能電網(wǎng)（SmartGrid）的物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）技術的問世。智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合作為一種具有極高戰(zhàn)略意義的新型產業(yè)技術，被世界各國高度重視，我國也對其極其重視，將物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)列為國家戰(zhàn)略，并全面部署了眾多重大科技項目、示范工程的建設。

　　物聯(lián)網(wǎng)技術在智能電網(wǎng)中的應用是網(wǎng)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(tǒng)基礎設施資源進行整合，進而提高電力系統(tǒng)通信水平，改善當前電力系統(tǒng)基礎設施的利用率。

　　1 物聯(lián)網(wǎng)

　　1.1 概念

　　1999年，麻省理工學院的Auto-ID實驗室最早提出“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，它的定義較為簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。

　　最初提出的“物聯(lián)網(wǎng)”理念是指，通過裝置在各類物體上的電子標簽，傳感器、二維碼等經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡相連，從而給物體賦予智能，可以實現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實現(xiàn)物體與物體互相間的溝通和對話。這種將物體聯(lián)接起來的網(wǎng)絡被稱為“物聯(lián)網(wǎng)”。

　　1.2 特征

　　物聯(lián)網(wǎng)的核心是物與物以及人與物之間的信息通信。故而物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括以下三點：
　?。?）可感知。通過射頻識別（RFID）、二維碼、傳感器等感知、捕獲、測量技術對物體進行實時信息收集和獲取。
　?。?）可互聯(lián)。先將物體接入信息網(wǎng)絡，再借助各種通信網(wǎng)絡（如因特網(wǎng)等），可靠地進行信息實時通信和共享。
　?。?）智能化。通過各種智能計算技術，對獲取的海量數(shù)據(jù)信息進行分析和處理，從而實現(xiàn)智能化決策和控制。

　　根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的上述基本特征及其信息流程，可以得到如圖1的功能模型示意圖。
　?。?）信息獲取。包括信息感知和信息識別，信息感知是指對事物狀態(tài)信息的敏感和知覺；信息識別則是指把所感受到的事物狀態(tài)信息表示出來。
　?。?）信息傳輸。包括信息發(fā)送、傳輸和接收等環(huán)節(jié)，最終完成把獲取的數(shù)據(jù)信息從空間（或時間）上的一點傳送到另一點的任務，即通常所說的通信過程。

圖1物聯(lián)網(wǎng)功能模型示意圖

　?。?）信息處理。指對信息的加工過程，其目的是獲取事物的狀態(tài)信息，實現(xiàn)對事物的認知，并利用當前狀態(tài)信息產生新的信息，即所謂的制定決策的過程。

　　（4）信息施效。指信息發(fā)揮最終效用的過程，有很多實現(xiàn)形式，其中最重要的就是調節(jié)相關對象事物的狀態(tài)信息，從而使對象達到預期的狀態(tài)。

　　2 面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)需求

　　智能電網(wǎng)中一個很重要的部分，就是處于網(wǎng)絡末端的傳感器，其原理及作用與物聯(lián)網(wǎng)的感知層是一致的，它是智能電網(wǎng)中具有廣泛的應用空間，是實現(xiàn)智能化不可或缺的關鍵部分。它應用在電網(wǎng)建設、電網(wǎng)安全生產管理、運行維護、信息采集、安全監(jiān)控、計量及用戶交互等各個方面，可以全面提高智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的信息感知深度、廣度以及密度，提高電力系統(tǒng)的智能化程度，促進以及“信息流、業(yè)務流、電力流的高度融合”的實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)的相應技術廣泛應用于電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用環(huán)節(jié)，帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。如圖2。

圖2物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應用

　　發(fā)電機組監(jiān)控、廠區(qū)監(jiān)控、污染物及氣體排放監(jiān)控、能耗監(jiān)控、抽水蓄能監(jiān)控、風電廠監(jiān)控、功率預測、光伏發(fā)電站監(jiān)控、生物質發(fā)電、儲能監(jiān)控、電源接入等方面都需要物聯(lián)網(wǎng)技術的支持。在輸電線路監(jiān)控、桿塔防護、智能變電站、配電自動化、狀態(tài)監(jiān)測、作業(yè)與設備管理等方面也對物聯(lián)網(wǎng)技術有著廣泛的應用需求。甚至在智能表計及高級量測、智能用電、多網(wǎng)融合、電動汽車及充電、能效監(jiān)測與管理、電力需求側管理等也成為智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)技術應用的主要方面。

　　隨著智能電網(wǎng)的建設步伐的不斷加快，人們對于智能化用電的需求不斷提升。智能家電、智能小區(qū)等逐步走入人們的日常生活，這就使得智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)相結合的迫切性加劇，因此將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于智能電網(wǎng)中，是智能電網(wǎng)構建過程中的必然。

　　3 物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中應用的基本架構

　　為了滿足物聯(lián)網(wǎng)的異構需求，物聯(lián)網(wǎng)需要一個開放的、分層的、可擴展的網(wǎng)絡架構。面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)大致分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層三個層次，如圖3。

　　3.1 感知層

　　感知層是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“物物相聯(lián)，人物互動”的基礎，通常分為感知控制子層和通信延伸子層。其中，感知控制子層實現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理及自動控制；通信延伸子層通過通信終端模塊或其延伸網(wǎng)絡將物理實體聯(lián)接到其上面兩層。

圖3面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構

　　具體而言，感知控制子層主要通過各種新型MEMS傳感器、基于嵌入式系統(tǒng)的智能傳感器、智能采集設備等技術手段，實現(xiàn)對物質屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢等靜態(tài)或動態(tài)的信息進行大規(guī)模、分布式的信息獲取。通信延伸子層所用技術比較廣泛，對于電網(wǎng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)基本采用光纖通信方式，而對于輸電線路在線監(jiān)測、電氣設備狀態(tài)監(jiān)測，除利用光纖傳遞信息外，也一定程度上應用了無線傳感技術。在用電信息數(shù)據(jù)采集和智能用電方面，所用到的通信技術主要涉及到窄帶電力線通信、寬帶電力線通信、短距離無線通信、光纖復合低壓電纜及無源光通信、公網(wǎng)通信等。

　　3.2 網(wǎng)絡層

　　網(wǎng)絡層以電力光纖網(wǎng)為主，以電力線載波通信網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)為輔，從感知層設備采集數(shù)據(jù)的轉發(fā)，負責物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)專用通信網(wǎng)絡之間的接入，主要用來實現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，以保證物聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)專用通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。

　　在智能電網(wǎng)應用中，考慮到對數(shù)據(jù)安全性、傳輸可靠性及實時性的嚴格要求，物聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞、匯聚與控制主要借助于電力通信網(wǎng)實現(xiàn)，在條件不具備或某些特殊條件下也可依托于公眾電信網(wǎng)。其中，核心網(wǎng)主要由電力骨干光纖網(wǎng)組成，并輔以電力線載波通信網(wǎng)、數(shù)字微波網(wǎng)。而接入網(wǎng)則以電力光纖接入網(wǎng)、電力線載波、無線數(shù)字通信系統(tǒng)為主要的手段，從而電力寬帶通信網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)技術的應用提供了一個高速的雙向寬帶通的信網(wǎng)絡平臺。

　　3.3 應用層

　　應用層主要由應用基礎設施和各種應用兩大部分組成。其中，應用基礎設施為物聯(lián)網(wǎng)應用提供信息處理、計算等通用基礎服務設施、能力及資源調用接口，并在此為基礎上實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的各種應用。面向智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的應用涉及智能電網(wǎng)生產和管理中的各個環(huán)節(jié)，通過運用智能計算、模式識別等技術來實現(xiàn)電網(wǎng)相關數(shù)據(jù)信息的整合分析處理，進而實現(xiàn)智能化的決策、控制和服務，最終電網(wǎng)各應用環(huán)節(jié)的智能化水平得以提升。

　　4 物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應用模型

　　2010年，世界博覽會在上海成功舉辦，世博園區(qū)各場館都應用了物聯(lián)網(wǎng)技術，尤其是國家電網(wǎng)館，在向人們展示智能電網(wǎng)美好藍圖的同時，通過各種仿真模擬，讓人們體驗到了物聯(lián)網(wǎng)技術與智能電網(wǎng)完美結合后的智能與便捷。

　　4.1 電力設備狀態(tài)監(jiān)測

　　利用物聯(lián)網(wǎng)技術在常規(guī)機組內部安置一定數(shù)量的傳感監(jiān)測點，于是可以實時了解機組運行情況，這包括它的各種技術指標與參數(shù)，從而提高常規(guī)機組狀態(tài)監(jiān)測水平。例如，通過在水電站壩體安裝傳感器網(wǎng)絡，可以隨時監(jiān)測壩體變化情況，以規(guī)避水庫運行可能存在的風險。同樣地，物聯(lián)網(wǎng)技術也可以對風能、太陽能等新能源發(fā)電進行在線監(jiān)測、控制以及功率預測等。利用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以大幅提高一次設備的感知能力，使其能與二次設備很好地結合，從而實現(xiàn)聯(lián)合處理、數(shù)據(jù)傳輸、綜合判斷等功能，極大地提高電網(wǎng)的技術水平和智能化程度。

　　此外，輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測是物聯(lián)網(wǎng)的重要應用，它也可以提高對輸電線路運行狀況的感知能力，包括氣象條件、覆冰、導地線微風振動、導線溫度與弧垂、輸電線路風偏、桿塔傾斜等內容的監(jiān)測。輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)示意如圖4。

圖4電網(wǎng)線路在線監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)結構示意圖

　　根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)對電力設備的環(huán)境狀態(tài)信息、機械狀態(tài)信息、運行狀態(tài)信息進行的實時監(jiān)測和預警診斷，提前做好相應的故障預判、設備檢修等工作，從而提高了設備檢修、自動診斷和安全運行水平。

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　　4.2 電力生產管理

　　因電力生產的管理較為復雜，管理電力現(xiàn)場作業(yè)難度相當大，從而伴有誤操作、誤進入等安全隱患存在。通過物聯(lián)網(wǎng)技術進行身份識別、電子工作票管理、環(huán)境信息監(jiān)測、遠程監(jiān)控等，方便地實現(xiàn)了調度指揮中心與現(xiàn)場作業(yè)人員的實時互動。圖5為基于物聯(lián)網(wǎng)的電力現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)。

圖5基于物聯(lián)網(wǎng)的電力現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)

　　而在電力巡檢管理上，利用射頻識別（RFID）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)以及無線通信網(wǎng)，對設備的運行環(huán)境及其運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并根據(jù)識別標簽輔助設備定位，實現(xiàn)了人員的到崗監(jiān)督，從而監(jiān)督工作人員參照標準化和規(guī)范化的工作流程，進行輔助狀態(tài)檢修和標準化作業(yè)。在塔基下、桿塔上及輸電線路上安裝地埋振動傳感器、壁掛振動傳感器、傾斜傳感器、距離傳感器、防拆螺栓等設備，并結合輸電線路狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對重要桿塔較好的實時監(jiān)測和防護。如圖6為桿塔防護系統(tǒng)。

圖6桿塔防護系統(tǒng)

　　4.3 電力資產全壽命周期管理

　　在電力設備中應用射頻識別和標識編碼系統(tǒng)，對資產進行身份管理、狀態(tài)監(jiān)測、全壽命周期管理，自動識別目標對象并獲取數(shù)據(jù)，從而在技術上為實現(xiàn)電力資產全壽命周期管理、提高運轉效率、提升管理水平提供了更好的支撐。

　　4.4 智能用電

　　物聯(lián)網(wǎng)技術有利于智能用電雙向交互服務、用電信息采集、家居智能化、家庭能效管理、分布式電源接入以及電動汽車充放電的實現(xiàn)，同時也是實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的雙向互動、提高供電可靠性與用電效率以及節(jié)能減排的技術保障。

　　在電動汽車、電池、充電設施中安裝傳感器和射頻識別裝置，實時感知電動汽車運行狀態(tài)、電池使用狀態(tài)、充電設施狀態(tài)以及當前網(wǎng)內能源供給狀態(tài)，實現(xiàn)電動汽車及充電設施的綜合監(jiān)測與分析，并保證電動汽車運行在穩(wěn)定、經(jīng)濟、高效運行。

　　物聯(lián)網(wǎng)技術也方便于家居智能化的實現(xiàn)。借助于在各種家用電器中內嵌的智能采集模塊和通信模塊，可以實現(xiàn)家用電器的智能化和網(wǎng)絡化，完成對家用電器運行狀態(tài)的監(jiān)測、分析以及控制；借助于在家中安裝門窗磁報警、紅外報警、可燃氣體泄漏監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測等傳感器，可以實現(xiàn)家庭安全防護；借助于應用無線、電力線載波技術，可以實現(xiàn)水、電、氣表自動抄收；借助于光纖復合低壓電纜、電力線載波以及智能交互終端，可以實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的交互，以及相關的通信服務、視頻點播和娛樂信息等服務。如圖7為物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應用。

圖7物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應用

　　5 物聯(lián)網(wǎng)技術面臨的挑戰(zhàn)

　　雖然物聯(lián)網(wǎng)技術與智能電網(wǎng)技術的結合有著眾多的優(yōu)點，得到各界的大力宣傳與研究，但由于其研究還處于起步階段，各方面研究還并不深入，因而它也面臨著眾多的挑戰(zhàn)。

　?。?）標準化體系的缺失。物聯(lián)網(wǎng)技術在我國的發(fā)展還剛剛起步，即使在全世界范圍內，也沒有形成一個統(tǒng)一的標準體系。標準的缺失將大大限制相關技術的正常發(fā)展和產品規(guī)?；瘧玫牟椒ァＲ虼?，標準化體系的建立，已然成為物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展的首要先決條件，也是制約物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。

　?。?）擁有自主知識產權的核心技術亟待突破。擁有自主知識產權的核心技術是物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)得以可持續(xù)發(fā)展的根本驅動力，如果沒有掌握關鍵的核心技術，產業(yè)就不具備有核心競爭力，因而在未來的國際競爭中也會處處受制于人。因此，迅速建立起國家級和區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)研究中心，研究并掌握擁有自主知識產權的核心技術，是物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展的關鍵。

　?。?）國家安全和個人隱私保護需要得到保障。由于電力是關系國際民生的基礎性行業(yè)，是國民經(jīng)濟的基礎，因此維持電力安全是所有事業(yè)的根本前提，而從目前物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展水平來講，其中的一系列安全問題還沒有得到解決，也沒有形成較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案。所以從某種程度上講，物聯(lián)網(wǎng)的安全性是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個很大阻礙，加強對物聯(lián)網(wǎng)安全性的研究，也關乎物聯(lián)網(wǎng)技術應用的成敗。

　　6 結語

　　在智能電網(wǎng)建設中應用物聯(lián)網(wǎng)技術，體現(xiàn)了智能電網(wǎng)信息化、自動化、互動化的特征，是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然選擇。物聯(lián)網(wǎng)技術和智能電網(wǎng)的相互融合以及廣泛應用，能通信基礎設施資源和電力系統(tǒng)基礎設施資源進行有效整合，大幅提高電力系統(tǒng)信息化水平、安全運行水平、可靠供電及優(yōu)質服務水平，降低線損、提高電能傳輸效率和使用效率。隨著它的進一步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術必將與智能電網(wǎng)有著更多的滲透與融合，也必將給未來電網(wǎng)帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。