物聯網在智能電網中的應用

杜 威，潘 苗

(1.江蘇省宏源電力建設監理有限公司，江蘇南京210009；2.南京工業大學電氣工程與自動化學院，江蘇南京210008)

目前電網存在著一些突出的問題。不能快速調節電源不足，不能滿足大規模接入電網要求；線路巡視檢測、評估診斷與輔助決策的技術手段和模型不夠完善；網架結構相對薄弱；配、用電網缺乏可靠、經濟、實用化的通信方式，對公眾用戶支持能力不足。解決這些問題，需要依靠智能電網的建設。它們將在智能設備和優選的運算法則的幫助下實現電力系統的功能。利用物聯網產品電子代碼 （EPC）、射頻識別技術（RFID）、微納傳感技術、全球定位技術等，實現對智能電網中電氣設備、輸電線路、輔助設施、工作人員的識別、監測與管理，其技術特點是能在多種場合下滿足智能化電網各重要環節上信息獲取的實時性、準確性、全面性的需求。依托于物聯網透徹的信息感知、可靠的數據傳輸、健全的網絡架構及海量信息的智能管理和多級數據的高效處理等技術，實現電網及電氣設備運行參數的在線監測，對設備狀態的預測、預防、調控，基于可靠監控信息建立輸電線路的輔助決策和配電環節的智能決策，加強與用戶間的雙向互動，以及新的增值服務等?；谝陨蟽烖c本文分析了物聯網在智能電網中的應用。

1物聯網含義及關鍵技術

物聯網是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力或執行能力的各種信息傳感設備，通過網絡設施實現信息傳輸、協同和處理，從而實現廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯。其中末端網包括各種實現與物互聯的技術，例如傳感器網絡、RFID、二維碼、短距離無線通信技術、移動通信模塊等。物聯網是繼電信網和互聯網實現人與人通信之后，著重連接物理世界的應用及相關產業。物聯網應用的關鍵環節有4個。（1）標識：身份標識（RFID、二維條碼等）、位置標識（GPS 等）；（2）感知：面向生產、生活等各種應用的傳感器；（3）互聯：廣泛的物物相聯，低成本、低功耗、小型化；（4）應用：由感知延伸出來的各種信息處理及應用[1，2]。

2智能電網的概念及特征

我國用電面臨的形勢是用戶側分布式電源發展態勢迅猛、儲能設備大范圍應用、電力資源優化配置成為全社會共識、社會對供電服務的需求日趨多樣化、分布式電源對計量提出新要求、電力銷售市場迎來較大發展機遇。綜上所述，在新形勢下，必須采取新方法、新思路、新技術對出現的新問題、新情況加以解決。迎接挑戰、滿足用戶需求、突破用電發展瓶頸、提升效率，大力建設我國堅強智能電網。通過利用數字技術提高電力系統的可靠性、安全性和效率，利用信息技術實現對電力系統運行、維護和規劃方案的動態優化，對各類資源和服務進行整合重組。其范疇不僅涵蓋配電和用電，還包括輸電、運行、調度等方面[3]。智能電網的特征主要有8個方面。

2.1自愈電網

“自愈”指的是把電網中有問題的元件從系統中隔離出來，并且在很少或不用人為干預的情況下，可以使系統迅速恢復到正常運行狀態，從而幾乎不中斷對用戶的供電服務。從本質上講，自愈就是智能電網的免疫系統。這是智能電網最重要的特征。當出現故障或發生其他問題時，在電網設備中先進的傳感器確定故障并和附近的設備進行通信，以切除故障元件或將用戶迅速地切換到另外可靠的電源上，同時傳感器還有檢測故障前兆的能力，在故障實際發生前，將設備狀況告知系統，系統就會及時地提出預警信息。

2.2激勵和包容用戶

從智能電網的角度來看，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系，確保系統的可靠性；從用戶的角度來看，電力消費是一種經濟的選擇，通過參與電網的運行和管理，修正其使用和購買電力的方式，從而獲得實實在在的好處。在智能電網中，與用戶建立雙向實時的通信系統是實現鼓勵和促進用戶積極參與電力系統運行和管理的基礎。實時通知用戶其電力消費的成本、實時電價、電網目前的狀況、計劃停電信息，同時用戶也可以根據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

智能電網的安全策略包含威懾、預防、檢測、反應，以盡量減少和減輕對電網的影響。面對重大威脅信息，不管是物理攻擊還是網絡攻擊，智能電網都能通過加強電力企業與政府之間的溝通，在電網規劃中強調安全風險，加強網絡安全，提高智能電網抵御風險能力。

2.4提供滿足21世紀用戶需求的電能質量

智能電網將減輕來自輸電和配電系統中的電能質量事件。通過先進的監控電網基本元件，快速診斷并準確地提出解決任何電能質量事件的方案。此外，智能電網的設計還要考慮減少由于閃電、開關涌流、線路故障和諧波源引起的電能質量的擾動，同時應用超導材料、儲能以及改善電能質量的電力電子技術的最新研究成果來解決電能質量的問題。另外，智能電網將采取技術和管理手段，使電網免受由用戶的電子負載所造成的電能質量的影響，將通過監測和執行相關的標準，限制用戶負荷產生的諧波電流注入電網。除此之外，智能電網將采用適當的濾波器，以防止諧波污染送入電網，惡化電網的電能質量。

2.5容許各種不同類型發電和儲能系統接入

智能電網將安全、無縫地容許各種不同類型的發電和儲能系統接入系統，簡化聯網的過程，類似于"即插即用"，這一特征對電網提出了嚴峻的挑戰。改進的互聯標準將使各種各樣的發電和儲能系統容易接入。各種不同容量的發電和儲能在所有的電壓等級上都可以互聯，包括分布式電源如光伏發電、風電、先進的電池系統、即插式混合動力汽車和燃料電池。加強輸電系統的建設，使這些大型電廠仍然能夠遠距離輸送電力。同時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量，特別是對應對戰爭和恐怖襲擊具有重要的意義。

2.6促使電力市場蓬勃發展

智能電網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，擴大市場，匯集更多的買家和賣家。用戶通過實時報價感受到價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的開發，新型潔凈的能源產品也將給市場提供更多選擇機會。

2.7運行更加高效

智能電網優化調整其電網資產的管理和運行，以實現用最低的成本提供所期望的功能。這并不意味著資產將被連續不斷地用到極限，而是有效地管理需要什么資產以及何時需要，每個資產將和其他資產進行很好整合，以最大限度發揮其功能，同時降低成本。

2.8高速通信在線監測

智能電網通過高速通信網絡實現對運行設備的在線狀態監測，以獲取設備的運行狀態，在最恰當的時間給出需要維修設備的信號，實現設備的狀態檢修，同時使設備運行在最佳狀態。系統的控制裝置可以被調整到降低損耗和消除阻塞的狀態。通過對系統控制裝置的調整，選擇最小成本的能源輸送系統，可以提高運行的效率。最佳的容量、最佳的狀態和最佳的運行將大大降低電網運行的費用。

3物聯網技術在智能電網中的應用

智能電網利就是用信息技術和新能源技術對傳統電網進行改造，物聯網在智能電網中的結構構架如圖1 所示[4，5]。

圖1物聯網在智能電網中的結構構架

面向智能電網的物聯網的網絡層次分別為：感知層、網絡層、應用層。其中感知層通過部署在一定區域范圍內的各種智能型的傳感器檢測各種環境參數信息，然后通過無線傳感網絡或者其他專用網絡發送到網絡層；網絡層實現了物聯網與智能網中專用網絡的連接，其中網絡層中的網關對所收到的信息進行數據處理和融合，可以向應用層傳送感知層采集的信息，也同時向感知層發送應用層的客戶端需要采集的任務，保證了數據傳輸的及時性和有效性；應用層主要包括應用基礎設施和各種應用。其中應用基礎設施為物聯網應用提供信息處理、計算等通用基礎服務設施、能力及資源調用接口，并在此基礎上實現物聯網的各種應用。物聯網具體應用于智能電網的過程有3個方面。

3.1智能輸電

應用環境環境因素包括戶外環境、戰性問題、關鍵問題。

3.1.1戶外環境

戶外環境：氣象因素(溫度、雨雪)變化會引起通信質量的變化、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戰性問題

戰性問題：鏈式拓撲結構。

3.1.3 關鍵問題

關鍵節點或鏈路失效影響網絡通信；距網關近的節點通信量大，容易發生碰撞和擁塞；太陽能電池供電，需要節能。

根據物聯網關鍵技術確定研究方案：（1）基于動態功率控制的多徑路由方法：每個傳感器節點到網關至少有兩條通信路徑；（2）使用動態功率控制，修復受損的鏈路或越失效的節點；（3）基于事件驅動的多優先級擁塞控制機制：根據消息的緊急程度設定優先級，緊急事件發送優先于周期性數據。事件發生時，擁塞點發反向抑制報文抑制擁塞。（4）基于細粒度補償的多跳時間同步，細化誤差補償周期[6]。

智能輸電傳感網系統結構如圖2所示。

圖2智能輸電傳感網系統結構

3.2智能變電站設備在線監測

智能變電站監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、變壓器套管介質損耗等；斷路器、六氟化硫氣體監測、絕緣、斷路器觸頭動作速度和行程等；避雷器、漏電流檢測。當出現以下惡劣的變電站環境時，如遮擋屏蔽環境、高振動、高濕度、極限溫度在-40～+85℃、高電磁噪聲、電動機、變頻器、對講機、開關電火花，要面對的挑戰性問題是保證網絡傳輸的可靠性[7]。物聯網在這個監測過程中的過程體現如圖3所示。

圖3智能變電站傳感網系統結構

目前在江蘇區域內實現智能化變電站在線監測，首推無錫220 kV西涇智能變電站。作為國家電網首座220 kV智能變電站，西涇變利用物聯網技巧，由385個水浸、煙感、溫濕感等傳感器，55個高清攝像頭以及2臺紅外熱成像儀及聲光報警等措施樹立的傳感測控收集在線監測站內的一切。西涇變在國內綜合利用智能傳感、收集通信、實時監測、專家體系等技巧，將傳統意義上的裝備“活化”，使其具備智能，進而實現自我感知、判別和智能化決議計劃，主動完成次序把持、一次裝備在線監測、幫助體系智能聯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用效力及壽命。

3.3智能配電和用電一體化應用

智能配電和用電一體化監測對象為配電網電能質量的實時監測、臺區變考核、防竊電大用戶遠程負荷控制、實時遠程拉合閘控制和網絡預付費、用電信息遠程發布應用、居民用戶用電實時、精確計量，用電事件上報、告警、居民家電設備用電的精細管理與計量[8]。在這個環節中應對的挑戰性問題是單節點的成本很低，在資源受限的傳感網中實現IPV6（輕載IPV6）8位處理器、4～8 K RAM；內外網隔離條件下實現與社會用戶的感知與互動。物聯網應用在智能配、用電中的系統結構如圖4所示。

4物聯網在智能電網中面臨的關鍵技術

圖4智能配用電傳感網系統結構

將物聯網技術應用在智能電網中既是機遇又是挑戰。因我國對于物聯網研究的應用還處于初級階段，且面臨很多關鍵技術的問題。

（1）遠程監測應用系統的開發。開發應用在智能輸電、在線監測、配電及用電等方面的物聯網客戶端遠程監測軟件體系。智能電網的遠程監測技術與系統集成相結合，智能的實現配網優化的運行，有助于提高供電的靠性性，提升電網系統的管理與服務水平。

（2）物聯網體系的標準性。共性基礎標準規范、產業化標準規范和智能電網應用規范是物聯網在智能電網中所要標定的內容。但目前無論是在國內還是在國際上，物聯網標準都還處于研究制定階段。因此，要推進物聯網的快速發展與應用方面，必須加快相關標準的研究和制定。

（3）建立安全的系統體系。物聯網中的網關實現了各種通信協議的轉換和信息轉發的功能，但是在信息傳輸的過程中可能隨時面臨黑客、病毒的襲擊等外界因素的干擾。所以，信息的安全和傳輸穩定也是物聯網應用于智能電網中要急于解決的問題。

5結束語

要實現物聯網技術在智能電網應用中的重大突破，必須要打造出電力物聯網芯片設計、應用系統開發、標準規范體系、信息安全、軟件及測試平臺等完整的產業鏈，這些技術的實現是推動物聯網在智能電網中發展的動力。物聯網應用于智能電網將有效整合通信基礎設施資源和電力系統基礎設施資源，提高電力系統信息化水平，改善現有電力系統基礎設施的利用效率，實現低碳經濟和綠色增長。

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