物聯網技術在配電網絡中的應用研究

王吉友++李鑫++范繼偉++付維峰++王蒙

摘 要：配用電監測管理系統中，對物理設備數據的采集方案已經比較成熟，但在設備之間數據利用環節與網絡層傳輸環節還存在諸多不足。利用物聯網技術在各種電氣設備之間實現信息獲取、傳遞、存儲、融合、使用，將會為變電站管理、配用電設備監測、狀態檢修提供高效、便捷、高速的數據支撐，從而有利于電力管理水平和服務水平的提高。

關鍵詞：配電設備 物聯網 中壓電力線載波

中圖分類號：TP205 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0063-02

我國物聯網應用總體上還處于發展初期，在許多領域上積極開展了物聯網的應用探索與試點，但在應用水平上與發達國家仍有一定差距。目前已開展了一系列的試點和示范項目，在電網、交通、物流、智能家居、節能環保、工業自動控制、醫療衛生、精細農牧業、金融服務業、公共安全等領域取得了初步進展。在電網領域上，2009年國家電網公布了智能電網發展計劃、智能變電站、配網自動化、智能用電、智能調度、風光儲等示范工程先后啟動。

1 物聯網技術在電力行業的應用現狀

目前，物聯網中的射頻識別、無線傳感器網絡、全球定位技術等技術在電力系統生產、管理等各個環節都有所應用，協助實現有效的電網感知，提高了電力規范化管理能力。在發電環節，物聯網技術已應用于環境監測、設備狀態監測、水情監測等場景；在輸電環節，物聯網技術已應用于線路狀態監測、線路環境監測、雷電定位、智能巡檢等場景；在變電環節，物聯網技術已應用于變電環境監測、設備狀態監測、變電站安全防護等場景；在配電環節，物聯網技術已應用于線路狀態監測、設備狀態監測、線路故障定位及報警等場景；在用電環節，物聯網技術已應用于用電信息采集、智能家居/小區、智能樓宇/園區等場景。

2 應用技術

2.1 物聯網感知層技術

物聯網感知層一般包括數據采集和數據短距離傳輸兩部分，其關鍵技術主要包括：無線傳感器網絡技術（WSN）、RFID技術、二維碼技術、藍牙（Blueteeth）技術等。

2.1.1 自組織組網技術

在物聯網感知層中應用到了自組織組網技術，自組織組網技術的起源可追溯到1968年的ALOHA網絡和1973年美國國防部高級研究計劃署（DARPA）資助研究的“無線分組數據網（PRNET）”。主要的特點是網絡拓撲結構動態變化，分布式控制方式，自組織性，多跳通信，節點的處理能力和能源受限，信道質量較差。在物聯網中主要是應用在一些企業中，它通過自組織組網技術，組織、創建了公司內部的網絡，在與外界進行信息交換，特別是在物聯網的應用中需要了解這樣的組網技術，以便于其公司信息的采集。

2.1.2 無線傳感器網絡技術

（1）無線溫度傳感器：實現溫度、溫升和相間溫差的高可靠實時在線監測，實現設備運行溫度的自動管理，為設備的安全運行提供數據支持。

（2）無線水浸傳感器：實時在線監測傳感器安裝位置（場所）是否浸（積）水，并實時地將水浸信息通過數據傳輸基站上傳到控制主機，以達到監控告警的目的。

（3）無線桿塔傾斜傳感器：可以在線監測桿塔傾斜狀態，當傾斜角度達到閥值時，向監控主機發送告警信號。

（4）無線故障電流傳感器：主要實現現場的電流取樣及分析，判斷出當前的電流是否為故障電流，并采集周邊其他無線傳感器發送的數據，通過無線傳感網把電流、諧波等數據傳輸出去。后臺軟件結合GIS進行故障點的定位，從而通知檢修人員到現場進行故障排除。

（5）無線門磁傳感器：安裝在柜門上，與永磁鐵或電磁線圈等器件配合使用，能夠實時在線監測柜門的開、關狀態以及開關次數。不影響柜門的正常使用。

（6）無線溫濕度傳感器：實時、準確地測量環境溫度和環境相對濕度。可以實現現場環境遠程數據采集和監測。

（7）配變綜測骨干節點：采用無線組網協議來實現節點之間的通信，同時具有線路電流、電壓、諧波等線路參數的在線測量功能，支持有線485通信和以太網通信，同時內部集成標準101和104通信協議。

2.1.3 RFID技術

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID是一種簡單的無線系統，只有兩個基本器件，該系統用于控制、檢測和跟蹤物體。

2.2 物聯網網絡層技術

2.2.1 中壓電力線載波

中壓電力線通信是指綜合運用多種調制解調技術、信道編碼技術、網絡通信技術、模擬前端技術以及耦合結合技術，實現以中壓配電網為傳輸介質的通信。

國內外相關企業一直致力于中壓配電線路的載波通信領域研究，在載波調制和組網技術研究方面進行不斷的探索，在傳輸速率、可靠性方面已取得了較大進展。

BPLC依托電力線，可部署在變電站、環網柜直至用戶建筑內，構成可靠的配用電網信息的傳輸網絡，傳輸距離超過500 m。提供配電信息等寬帶接入，同時兼顧原有設備低速業務（RS-232/ RS-485）數據的接入。

2.2.2 線通信技術

無線通信技術可根據使用者類型分為無線公網和無線專網。對于無線專網來說，需要自身架設整套通信網絡，包括基站、終端和網管等，而無線公網僅僅租用運營商的現有網絡通道，由運營商負責運維即可。

相比較光網來說，架設無線鏈路則無需架線挖溝，線路開通速度快；無線擴頻能隨時架設，隨時增加鏈路，安裝、擴容方便；無線通信覆蓋范圍大，幾乎不受地理環境限制。缺點是采用邏輯隔離，相比有線網絡的物理隔離，安全性較差；無線傳輸速率最高不超過幾百兆每秒，相比光網絡傳輸速率較低。

2.2.3 xPON無源光網絡

以太網無源光網絡是一種特殊光纖以太網組網模式，采用點到多點（P2MP）結構的單纖雙向光接入網絡，是常采用IEEE802.3以太網幀來承載業務的PON系統。PON技術經歷了APON、BPON、EPON、GPON等階段。其中的EPON技術已經比較成熟，產品已開始規模商業應用。

3 實現方案

傳感器采集配電設備的運行環境數據和運行狀態數據，然后通過自身的無線通信模塊傳輸到就近的短距離無線傳輸骨干節點，通過多個骨干節點組成的自組織網絡傳輸到數據傳輸基站，然后通過配電自動化系統配套光通信ONU將配網設備狀態信息接入變電站，在變電站經數據匯聚控制器進入電力安全III區送至主站數據采集服務器。傳感器和骨干節點的傳輸頻率采用2.4 GHz，傳感器網路采用了WSN（無線自組織網絡）。骨干節點之間可以直接通信，采用MESH網絡。

現場作業終端采集的RFID設備標識信息，采用GPRS無線公網通信方式，通過安全接入平臺，訪問系統主站，獲取設備臺賬信息、監測信息和運行信息；并可將現場收集的設備狀態信息、設備評價信息及時傳回主站系統。

其中感知層實現各環節數據統一感知與表達，建立統一信息模型，規范感知層的數據接入，是對SG-ERP架構的補充和完善。網絡層將不同的通信技術屏蔽，按照規范化的統一通信規約實現對數據的傳送，則豐富了SG-ERP架構。應用層完全遵循SG-ERP的體系架構，將多種數據信息統一管理并向外提供統一數據服務，支撐各類業務應用，基于統一應用平臺，開發各類電力物聯網應用服務，供其他業務系統調用。

感知層主要利用各種傳感識別設備實現信息的采集、識別和匯集。其重點是實現統一的信息模型，具體包括對統一標識、統一語義、統一數據表達格式等方面。

網絡層主要負責由感知層獲取信息的傳輸和承載。網絡層旨在多種融合通信技術的引入，豐富通信方式。應用中傳感器與匯聚節點間多通過微功率無線通信等技術互聯，解決信息采集覆蓋及靈活性問題，匯聚節點與接入網關之間通過光網絡、PLC、無線寬帶等技術互聯，解決信息遠距離傳輸及可靠性問題。

應用層基于國網SG-ERP架構，研究電力物聯網的統一數據模型，實現發布統一的數據服務并封裝系統功能，為現有業務系統提供各類的統一應用服務，也可以為其他業務系統提供更高等級的服務功能。

4 結語

通過物聯網技術的在智能電網建設中的應用，將會在電網建設、安全生產管理、運行維護、信息采集、安全監控、計量應用、用戶交互等方面發揮巨大作用，可以全方位地提高智能電網各個環節信息感知的深度和廣度，為實現電力系統的智能化以及“信息流、業務流、電力流的高度融合”提供基礎數據支持。通過針對物聯網WSN（無線傳感器網絡）組網技術的研究，能夠實現智能電網通訊網絡的快速和智能組網，從而增強智能電網狀態監測和數據傳輸的安全性、可靠性，可以方便快捷地增加網絡節點和監控測點，加快智能電網建設的步伐。

參考文獻

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