物聯網在智能電網中的應用與實踐

鄧立　姜志航　李莉

摘? 要：智能電網是在傳統電網基礎上，通過信息技術手段實現電力的進一步智能化調控。該文在總結智能電網的國內外發展現狀，詳細總結了該體系結構涉及到的各方面技術的發展現狀，同時指出了未來可能帶來突破的研究方向。以智能電網通信技術的特點為基礎展開了面向智能電網的物聯網架構的應用研究，無線傳感器網絡是整個智能電網的基礎，闡述以傳感器為基礎對整個面向智能電網的物聯網系統應用與實踐。

關鍵詞：智能電網? 物聯網? 無線傳感器

中圖分類號：TM76 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（a）-0040-03

Abstract： The smart grid is based on the traditional power grid， through the information technology means to achieve further intelligent regulation of power. This paper summarizes the development status of smart grid at home and abroad， summarizes the development status of various technologies involved in the architecture， and points out the research direction that may bring breakthroughs in the future. Based on the characteristics of smart grid communication technology， the application research of the IoT architecture for smart grid is carried out. The wireless sensor network is the foundation of the whole smart grid. The application and practice of the whole IOT system for smart grid based on sensors is expounded.

Key Words： Smart Grid; Internet of Things; Wireless Sensor

當前我們國家正在大力發展物聯網技術并提倡將物聯網技術廣泛應用于我國的各個領域，所以如何將智能電網的概念和物聯網結合起來并進行相應的綜合設計是目前所面臨的一個非常重要的問題。在國家電網，2018年信通公司提出來要做SG-eIoT（electric Internet of Things），就是把電力的輸電、變電、配電、用電、經營五大業務結合在電力互聯網，把終端、網絡、平臺、運維、安全五大體系融合進去。

1? 面向智能電網的物聯網應用方案

1.1 物聯網傳感器解決方案

為了實時感知電網運行狀態，需要在各種電力設備上部署大量傳感器，進行相關的信息和數據采集并上報給控制中心。智能電網傳感器節點收集的數據包括多種類別，涵蓋電流、電壓、溫度、壓力、濕度等各類數據。主要包括如下幾個方面傳感器。

（1）激光測距傳感器用于測量輸配電線路周邊樹木等危險物是否處于輸配電線路的安全距離范圍內，同時也可用于線路弧垂等輔助測量。

（2）導線溫度傳感器是用于輸電線路導線在線測溫的裝置。

（3）測溫終端采用微功耗技術，使用8AH/3.6V的自消耗低、壽命長、耐高溫的鋰亞電池供電方式，能夠使溫度采集終端單元工作在5年以上。鋰亞電池與微功耗技術相結合，很好地解決了測溫終端單元取電的問題。

（4）智能防盜螺栓是一款基于無線傳感網絡技術的多功能設備防盜傳感模塊，可以代替普通機械螺栓，用于配電設備的防盜預警。

（5）電壓變化測量傳感器用于測量低壓配電線路的電能質量信號，也可用于低壓電力設備的防盜預警輔助設備，整機對接入的配網電信號進行電能質量檢測，同時該信號也作為外部電源，實現對整機的供電。

1.2 物聯網網絡解決方案

電力傳感器網絡場景復雜，涉及通信技術種類多、協議復雜，給數據處理、數據共享與協同帶來較大難度。為在電力環境下滿足如上電網感知的需求，電力傳感器網絡所服務的對象及數據傳輸具有以下3個獨特的需求。

（1）傳輸數據量大。傳感器節點需周期性發送設備的用電或其他狀態信息。由于傳感器節點數量多，網絡內所需傳輸的數據量很大。

（2）實時性要求高。對于電網運行與控制信息，需要實時傳輸至電力控制中心，對電網運行態勢進行分析，以便迅速對存在故障的線路采取實時調控措施。

傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量管理模塊組成。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換，處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據，無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據，能量管理模塊對傳感器節點運行所需的能量進行管理。通過無線專網的建設，可以最大程度地提升通信實時性和安全性。電力無線專網具有接入便捷靈活，安全性高，自主可控的特點，是充分利用公司全面覆蓋的光纖通信網絡以及變電站等物業資源，自己建設無線通信基站，打造的一個以服務精準負荷控制、配電自動化等控制業務為核心的無線通信網絡。總體而言，電力無線專網可以分為業務承載網、核心網、回傳網、基站（鐵塔）及終端5個部分。電力無線專網實現數據、語音、圖像、視頻等業務的泛在接入和可靠承載，滿足電力系統發輸配變用環節的業務通信需求。

業務承載網是電力各類業務系統與無線專網間的“橋梁”。核心網是電力無線專網的“大腦”，負責資源控制、數據轉發、用戶管理等工作。回傳網是利用公司豐富光纖通信傳輸通道資源，建設的基站與大腦間的“信息回傳通道”。基站就是無線“信號塔”，覆蓋一定的地理空間，為終端提供無線接入通道。通信終端與業務終端互聯，是業務數據進入電力無線專網的“入口”，滿足各類電力業務的接入需求。

1.3 物聯網安全解決方案

電力物聯網在整體構架上劃分架構整體上可劃分為“云、管、邊、端”。“端”就是咱們說的感知層，由環境感知、電氣測量、用能采集這三大塊組成。“管”就是網絡層，本地通信網和遠程通信網這兩大塊。“邊”介于網絡層和應用層中間，主要是進行邊緣計算，以容器方式提供邊緣智能服務（實時業務、數據優化等）。“云”指的是應用層，laas、pass、sass結合運維管理提供服務。黑客能夠涉及到的突破口就是“邊”“云”，也就是應用層突破，入侵方向一定是通過應用進入IOT平臺，如果IOT平臺淪陷，會導致相關設備全部淪陷，這就意味著，在電力泛在物聯網的設計里面。現在IoT的協議非常多，主要涉及藍牙、Zigbee、Z-Wave、6LowPAN、線程、WiFi、GSM/3G/4G蜂窩、NFC、Sigfox、HTTP、MQTT、CoAP、DDS、AMQP、XMPP、JMS。我們通過協議，我們會發現一個頭疼的問題，即我們現在涉及到的物聯網的協議標準不統一，應用范圍和使用場景限定了必須要使用多種感知手段繼續測試，而且基礎層的大量感知設備因為內存，計算能力有限，本身很難做到安全防御，根據這些內容，我們把可能遭受的攻擊方式分為了以下3種。

（1）物理接觸：OBD、NFC、USB等方式。

（2）近場控制：藍牙、WiFi、射頻、信息模塊等方式。

（3）遠程控制：云服務系統、運營商網絡、3G/4G等方式。

我們在考慮安全防御的時候，需要按照層級防護進行聯防控制，先從物理層開始，物理接觸涉及到的最核心的問題兩個：第一，惡意攻擊者接觸到設備不能進行認證;第二，認證之后沒有授權，無法進行操作。

物理層次的一些建議，但是其實很多設備的物理接觸是不需要的，或者我們可以設計對應的插拔式接觸產品，綁定該產品的硬件編碼，做唯一認證，其他人操作均需要廠家認證，這種方式相對麻煩，但是安全和便捷總是互相沖突的。

（1）近場控制。近場指的是在指定范圍內，可以通過某種手段去連接到與IoT設備同一網絡環境下，對IoT設備進行攻擊，我們常見的WiFi、藍牙、射頻等，IoT設備與其他設備不同，現在市面上大量IoT設備都是只需要配置網絡網關，本身認證方式采取硬編碼方式，一旦入侵，只要對內網端口和地址進行掃描，嗅探數據包，一打一個準。有關近場安全，現階段安全的做法就是加密與隱藏信號。

（2）遠程控制。遠程控制就是那些我們大量直接裸漏的暴露在公網上的IoT設備，單單只靠IoT設備本身很難進行防御。也就是其實我們在做防御的時候，只需要把其當成一個直接開放在公網上的脆弱的業務系統即可，也就是對身份認證、會話管理、訪問授權、數據驗證、配置管理、業務安全、漏洞安全7個方面進行安全防御即可，就能避免其中大部分安全問題，這就回歸了常規的安全，這里就不多說。

2? 結語

該文中電力物聯網相關核心技術的研究與示范系統建設將電力通信網網絡不斷向電網生產現場及用戶延伸。一方面，泛在感知的電力物聯網實現了更多節點的覆蓋，能夠全面提升電網生產、電網服務、電網管理的全面感知、數據采集及服務互動能力;另一方面，電力物聯網的建設及大量用于物聯網采集的傳感器、終端、系統的研制為數據采集提供了便捷的手段，極大地降低了電力物聯網感知各類數據的成本，為智能電網大數據采集與大數據規模開發和應用奠定了技術、裝置和網絡基礎。隨著電力物聯網規模的不斷發展和采集數據規模的累積和增加，后續工作將進一步開發和研究基于電力物聯網采集數據的跨專業融合、深度共享與精準用戶服務技術，能夠為電網的生產、經營、管理提供更科學、高效、智能的輔助決策支撐。

參考文獻

[1] 劉鵬.云計算技術原理[J].中國云計算，2009（6）：17.

[2] 李孟超，王允平，李獻偉，等.智能變電站及技術特點分析[J].電力系統保護與控制，2010，38（18）：59-62，79.

[3] 佚名.邊緣計算產業聯盟正式成立[J].中國電子商情：基礎電子，2016（12）：16.

[4] 張建敏，謝偉良，楊峰義，等.移動邊緣計算技術及其本地分流方案[J].電信科學，2016，32（7）：132-139.