配電物聯網在電力系統中的應用研究

摘要：現代智能電網建設的深入推進，配電物聯網逐漸成為電力系統中的一項關鍵技術。基于配電物聯網，電力系統不但可以實時監測和分析電網狀態，預測潛在故障，還能根據用戶需求和電網實際情況動態調整電力分配策略，促進可再生能源的接入和優化調度，因此，現代電力系統中配電物聯網的應用已成為重要研究內容。從配電物聯網技術定義和架構出發，分析其在電力系統中的相關應用，進而反思其實際應用中面臨的挑戰。

關鍵詞：電力系統"配電物聯網"技術架構"遠程通信網

Application"Research"of"Distribution"Internet"of"Things"in"Power"System

MA"Liang

State"Grid"Fangxian"Power"Supply"Company，"Shiyan，"Hubei"Province，"442100nbsp;China

Abstract："With"the"deepening"of"modern"smart"grid"construction，"distribution"Internet"of"Things（IoTs）"has"gradually"become"a"key"technology"in"the"power"system."Based"on"the"distribution"IoTs，"the"power"system"can"not"only"monitor"and"analyze"the"status"of"the"power"grid"in"real"time，"predict"potential"faults，"but"also"dynamically"adjust"the"power"distribution"strategy"according"to"the"needs"of"users"and"the"actual"situation"of"the"power"grid，"and"promote"the"access"and"optimal"scheduling"of"renewable"energy."Therefore，"the"application"of"the"distribution"IoTs"in"modern"power"systems"has"become"an"important"research"content."Based"on"the"definition"and"architecture"of"distribution"IoTs"technology，"this"paper"analyzes"its"application"in"power"system，"and"then"reflects"on"the"challenges"faced"in"its"practical"application.

Key"Words："Power"system;"Distribution"Internet"of"Things;"Technical"framework;"Remote"communication""network

傳統配電系統長期飽受信息不對稱、數據采集成本高昂、效率低下等難題的困擾，這些瓶頸問題嚴重制約了電力系統的整體運行效能與可靠性。隨著科技的飛速發展，配電物聯網技術的引入為配電系統的智能化管理和優化運行提供了全新的解決方案。配電物聯網不僅能夠顯著提升電力系統的運行效率、降低能源消耗，還被廣泛應用于電能計量、用戶用電行為監測與管理、智能配電等多個關鍵領域，展現出了巨大的應用潛力。基于此，本研究意在深入探討配電物聯網技術在配電系統中的應用現狀與發展趨勢，分析其在解決傳統配電系統問題方面的優勢與局限，希望能夠揭示當前研究的熱點與存在的相關挑戰。同時，本研究將從理論與實踐出發，全面闡述配電物聯網技術的應用內容和技術，以期為推動配電系統的智能化進程貢獻綿薄之力。

1"配電物聯網技術概述

1.1"配電物聯網的定義

配電物聯網（Distribution"Internet"of"Things，"DIoT）是將物聯網技術應用于電力系統中的配電環節，旨在實現電力設備間的智能連接與高效管理[1]。其通過集成先進的傳感器技術、通信技術和數據分析算法，構建了一個覆蓋整個配電網絡的智能化系統，使電力系統的運行狀態可以被實時監測、分析和優化。

DIoT的核心組成部分包括智能終端設備（如智能電表、環境監測器等）、數據傳輸網絡（如無線通信網絡、光纖網絡等）與后端的數據處理中心。在實際工作和運行中，DIoT首先借助部署于電網各節點的智能終端設備來收集電力設備的運行數據和環境信息，再經由安全、可靠的通信網絡傳輸至數據中心。數據中心則利用大數據分析和人工智能算法對收集的信息進行深度處理，這樣不僅可以實時監控電網狀態、預測潛在故障，還能根據用戶需求和電網實際情況動態調整電力分配策略，提高能源使用效率。此外，DIoT還支持雙向通信機制，既可以從設備向數據中心發送數據，也能從數據中心向設備發送控制指令，從而實現真正的互動性和智能化管理[2]。

1.2"配電物聯網的技術架構

DIoT在技術架構層面可以看作是一個多層次、高度集成的系統，其結合先進的傳感、通信、計算和數據分析技術，能夠實現配電網絡的全面感知、靈活控制和智能管理[3]。具體而言，DIoT技術架構主要分為感知層、網絡層、平臺層和服務層4個層級。

（1）感知層是DIoT的基礎，主要由各種類型的智能傳感器和執行器組成，如智能電表、溫度濕度傳感器、斷路器狀態監測器等。這些設備負責收集電網運行中的電流、電壓、功率因數、環境參數等各種數據，并將其轉換成數字信號，從而更好地保證數據采集的準確性和可靠性。

（2）網絡層負責將感知層收集的數據傳輸到更高層次的處理單元。其可以運用多種通信技術來進行連接和實現，如有線（如光纖、電力線載波）和無線（如LoRa、NB-IoT、Wi-Fi）通信方式。網絡層的設計需要保證數據傳輸的安全性、穩定性和低延遲，以支持實時監控和快速響應的需求。

平臺層是DIoT的核心，主要負責數據存儲、處理和分析的功能。現代云計算、邊緣計算等技術可以更為高效地管理和分析海量數據，再借助機器學習和人工智能算法挖掘數據價值，從而提供故障預警、負荷預測、能效優化等高級服務。平臺層還需要具備強大的數據安全保障能力，以防止敏感信息泄露或被惡意攻擊。

服務層直接面向最終用戶，其涉及電力公司、企業和個人消費者，并能夠提供電信息查詢、電費賬單管理、智能家居控制、電動汽車充電站導航等多樣化的應用和服務。服務層的設計注重用戶體驗，力求簡單、直觀，同時也要保持足夠的靈活性，以適應不斷變化的市場需求和技術進步。

2"配電物聯網在電力系統中的應用

2.1"云化主站的應用

在電力系統中，DIoT的云化主站集成了中壓配電網的運行數據和智能配變終端通過邊緣計算得到的數據。云化主站通過構建“云端協同”體系，能夠實施臺區分層分布式感知，如全景感知中低壓電網的信息、動態辨識電網拓撲結構、進行大數據統計分析、快速處理故障、自動識別戶變模型以及主動預測分布式電源和負荷等多個方面。

具體而言，云化主站能夠實時采集和處理來自配電變壓器樁頭測溫傳感器、低壓總開關、低壓智能斷路器、環境監測裝置、無功補償裝置等設備的數據。云化主站還支持查詢低壓設備和線路的異常信息，并借助國家電網的地理信息系統，以圖形化方式展示低壓故障點的拓撲結構。此外，云化主站能夠以多叉樹的形式展示低壓分支箱所帶低壓設備的臺區分布，從而便于運維人員快速定位問題。

2.2"遠程通信網的應用

DIoT的遠程通信網是電力系統中連接云平臺與邊緣節點的橋梁，其確保了數據的高可靠、低時延傳輸。遠程通信網的通信方式有多種，如光纖、電力無線專網、無線公網等，實踐中，綜合運用這些通信方式可以實現云與邊緣節點之間的高效互聯[4]。其中，光纖通信因其大帶寬、低延遲和高穩定性，特別適用于大量數據的高速傳輸，常用于主干網絡的建設；電力無線專網利用電力系統的專用頻段，提供了一種安全、可靠的通信手段，適用于需要較高安全性的場景；無線公網（如4G/5G）因其廣泛覆蓋和靈活接入的特點而成為補充和擴展遠程通信網絡的有效方式，特別是在偏遠地區或臨時性任務中發揮重要作用。

在實際應用中，遠程通信網還肩負邊緣節點智能配變終端中容器及APP的遠程管理任務，如升級、卸載、監測維護等。為確保數據傳輸的安全性，配電物聯網利用安全接入通道，并依靠配電變壓器監測終端中的加密芯片，實現單芯片雙通道協調防護，以有效防止數據泄露和篡改，確保系統的整體安全。

在本地通信層面，DIoT通過低功耗、靈活高效的通信方式，實現感知節點與邊緣節點間的數據互通。例如：配電變壓器樁頭測溫傳感器通過微功率無線技術與智能配變終端通信，低壓總開關、低壓智能斷路器、環境監測裝置及無功補償裝置則采用RS485方式與智能配變終端進行數據交換；在低壓線路側，分支箱低壓監測單元和低壓故障指示器利用電力線寬帶載波、LoRa或無線通信與智能配變終端連接，距離較近時，亦可選用RS485通信；至于用戶側，低壓換相開關、末端低壓監測單元及即插即用通信單元則通過電力線寬帶載波、LoRa或無線通信與智能配變終端通信，智能電表則基于電力線寬帶載波與集中器進行數據交互。

2.3"分布式智能代理的應用

基于邊緣計算與站端協同的方式，分布式智能代理可以幫助電力系統實現更高效、智能的數據處理與決策支持。邊緣計算利用端側設備的分布式計算能力，在數據產生的源頭附近進行即時處理，并將處理結果上傳至主站。這種處理方式使大約80%的數據計算工作得以在端側完成，從而有效減輕了主站的計算負擔，同時也顯著降低了數據傳輸的延遲[5]。

分布式智能代理是構建在物聯網操作系統之上的框架，其涉及安全、互聯和業務功能3大框架，能夠實現終端設備的智能化。在遵循物聯網規約和信息模型的基礎上，終端設備能夠快速接入網絡，實現即插即用和遠程管理，從而簡化設備的部署和維護流程。此外，借鑒智能手機App的設計理念，采用功能軟件定義和虛擬容器技術，分布式智能代理還支持App化應用軟件的部署，以滿足低壓配網日益增長的管理需求。

智能配變終端作為分布式智能代理的核心，運用邊緣計算技術與配電主站實時進行數據交換，同時全面采集和控制下層數據。它能對采集的數據進行初步處理和分析，提供配電臺區的智能分析、在線監測和決策控制功能。此外，智能配變終端還支持與配電主站的云端計算進行共享和數據交互，實現了分布式邊緣計算。當端側的邊緣計算結果具有一定的局限性時，可以通過站端協同將數據發送到云端進行進一步處理，確保決策的全面性和準確性。

2.4"狀態感知和執行控制主體終端單元的應用

配電物聯網的狀態感知與執行控制核心終端采用硬件平臺化、軟件App化的設計理念，全面采集電力系統低壓臺區信息，并具備本地化分析決策能力。數據終端單元（Data"Terminal"Unit，DTU）被分散安裝在環網柜內，實現了一、二次設備的深度融合，提升了設備的標準化和智能感知水平。DTU的間隔單元負責電氣和線損測量及故障判斷，其公共單元則收集和處理環網柜各單元數據，與其他單元協同，實現雙向信息流的即插即用、智能感知、故障定位、設備監測和研判分析等功能。借助邊緣計算技術，終端單元能初步處理和分析數據，減輕主站負擔，提升系統響應速度和可靠性，滿足電力系統智能運維業務的發展需求。

3"電力系統中配電物聯網應用面臨的挑戰

盡管DIoT為電力系統運行和管理帶來諸多便利，但在實際應用過程中仍面臨一些挑戰。

首先，電網信息孤島現象嚴重。雖然地理信息系統、生產管理系統、信息管理系統、資產管理系統等都具備很強的實用性和豐富的信息資源，但由于存在安全防護要求、架構接口協議缺乏統一標準等問題，這些系統之間的信息相對孤立，難以實現數據的高效集成和互聯互通。

其次，配電物聯網的生態系統尚不夠完善和強大。為了構建DIoT，需要在配電網乃至居民住宅區域投資建設大量的感知設備。但電網企業在考慮安全問題、社會輿論影響、運維成本、建設成本、投入產出比等因素時，可能會對配電物聯網的投資持謹慎態度。此外，由于電力設備的特殊性，短期內可能無法允許其他企業參與其投資建設，這進一步阻礙了配電傳感設備在集成化、低成本、高性能和高可靠性方面的發展。

因此，如何在確保安全的前提下降低建設和運維成本、提升設備的性能和可靠性成為未來構建配電物聯網“萬物互聯、全面感知”生態系統的重要研究內容之一。

4"結語

配電物聯網作為智能電網的重要組成部分，基于先進的傳感、通信和數據分析技術，實現了電力系統的全面感知、靈活控制和智能管理。盡管DIoT在提高電力系統運行效率、增強可靠性和促進可再生能源接入等方面展現出巨大潛力，但仍面臨電網信息孤島、生態系統不完善等挑戰。因此，未來還需通過技術創新、標準制定和政策支持來進一步加強各系統的數據集成與互聯互通，優化設備性能，降低成本，如此才能充分發揮DIoT優勢，構建更加智能、高效、安全和可持續的電力系統。

參考文獻

[1]"程天宇，李龍，林志強.基于泛在電力物聯網的智能安全監測系統設計[J].制造業自動化，2022，44（9）：202-206.

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[3]"馬勝國，魏本海，劉國川，等.泛在電力物聯網在智能配電系統的應用實踐[J].電子測試，2022，36（7）：132-134.

[4]"張華.基于物聯網的電力通信系統傳輸數據感知分配研究[J].電力信息與通信技術，2021，19（10）：52-57.

[5]"王月陽."基于泛在電力物聯網的配電系統關鍵技術研究[J].光源與照明，2023（9）：168-170.