物联网技术在智能电网中的应用

　　引言

　　近年来，随着坚强智能电网概念的提出，许多与智能电网相融合的新技术也不断被提出，其中一个很典型的例子,就是面向智能电网（SmartGrid）的物联网（InternetofThings）技术的问世。智能电网与物联网的融合作为一种具有极高战略意义的新型产业技术，被世界各国高度重视，我国也对其极其重视，将物联网、智能电网列为国家战略，并全面部署了众多重大科技项目、示范工程的建设。

　　物联网技术在智能电网中的应用是网络技术发展到一定程度的必然产物，该技术的应用，能有效地对电力系统基础设施资源进行整合，进而提高电力系统通信水平，改善当前电力系统基础设施的利用率。

　　1 物联网

　　1.1 概念

　　1999年，麻省理工学院的Auto-ID实验室最早提出“物联网”的概念，它的定义较为简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。

　　最初提出的“物联网”理念是指，通过装置在各类物体上的电子标签，传感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。这种将物体联接起来的网络被称为“物联网”。

　　1.2 特征

　　物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息通信。故而物联网的基本特征可概括以下三点：
　　（1）可感知。通过射频识别（RFID）、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术对物体进行实时信息收集和获取。
　　（2）可互联。先将物体接入信息网络，再借助各种通信网络（如因特网等），可靠地进行信息实时通信和共享。
　　（3）智能化。通过各种智能计算技术，对获取的海量数据信息进行分析和处理，从而实现智能化决策和控制。

　　根据物联网的上述基本特征及其信息流程，可以得到如图1的功能模型示意图。
　　（1）信息获取。包括信息感知和信息识别，信息感知是指对事物状态信息的敏感和知觉；信息识别则是指把所感受到的事物状态信息表示出来。
　　（2）信息传输。包括信息发送、传输和接收等环节，最终完成把获取的数据信息从空间（或时间）上的一点传送到另一点的任务，即通常所说的通信过程。

图1物联网功能模型示意图

　　（3）信息处理。指对信息的加工过程，其目的是获取事物的状态信息，实现对事物的认知，并利用当前状态信息产生新的信息，即所谓的制定决策的过程。

　　（4）信息施效。指信息发挥最终效用的过程，有很多实现形式，其中最重要的就是调节相关对象事物的状态信息，从而使对象达到预期的状态。

　　2 面向智能电网的物联网需求

　　智能电网中一个很重要的部分，就是处于网络末端的传感器，其原理及作用与物联网的感知层是一致的，它是智能电网中具有广泛的应用空间，是实现智能化不可或缺的关键部分。它应用在电网建设、电网安全生产管理、运行维护、信息采集、安全监控、计量及用户交互等各个方面，可以全面提高智能电网各环节的信息感知深度、广度以及密度，提高电力系统的智能化程度，促进以及“信息流、业务流、电力流的高度融合”的实现。物联网的相应技术广泛应用于电力系统的发、输、变、配、用环节，带来巨大的经济效益和社会效益。如图2。

图2物联网在智能电网中的应用

　　发电机组监控、厂区监控、污染物及气体排放监控、能耗监控、抽水蓄能监控、风电厂监控、功率预测、光伏发电站监控、生物质发电、储能监控、电源接入等方面都需要物联网技术的支持。在输电线路监控、杆塔防护、智能变电站、配电自动化、状态监测、作业与设备管理等方面也对物联网技术有着广泛的应用需求。甚至在智能表计及高级量测、智能用电、多网融合、电动汽车及充电、能效监测与管理、电力需求侧管理等也成为智能电网中物联网技术应用的主要方面。

　　随着智能电网的建设步伐的不断加快，人们对于智能化用电的需求不断提升。智能家电、智能小区等逐步走入人们的日常生活，这就使得智能电网与物联网相结合的迫切性加剧，因此将物联网技术应用于智能电网中，是智能电网构建过程中的必然。

　　3 物联网在智能电网中应用的基本架构

　　为了满足物联网的异构需求，物联网需要一个开放的、分层的、可扩展的网络架构。面向智能电网的物联网大致分为感知层、网络层和应用层三个层次，如图3。

　　3.1 感知层

　　感知层是物联网实现“物物相联，人物互动”的基础，通常分为感知控制子层和通信延伸子层。其中，感知控制子层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理及自动控制；通信延伸子层通过通信终端模块或其延伸网络将物理实体联接到其上面两层。

图3面向智能电网的物联网架构

　　具体而言，感知控制子层主要通过各种新型MEMS传感器、基于嵌入式系统的智能传感器、智能采集设备等技术手段，实现对物质属性、环境状态、行为态势等静态或动态的信息进行大规模、分布式的信息获取。通信延伸子层所用技术比较广泛，对于电网的监控数据基本采用光纤通信方式，而对于输电线路在线监测、电气设备状态监测，除利用光纤传递信息外，也一定程度上应用了无线传感技术。在用电信息数据采集和智能用电方面，所用到的通信技术主要涉及到窄带电力线通信、宽带电力线通信、短距离无线通信、光纤复合低压电缆及无源光通信、公网通信等。

　　3.2 网络层

　　网络层以电力光纤网为主，以电力线载波通信网、无线宽带网为辅，从感知层设备采集数据的转发，负责物联网与智能电网专用通信网络之间的接入，主要用来实现信息的传递、路由和控制，分为接入网和核心网，以保证物联网与电网专用通信网络的互联互通。

　　在智能电网应用中，考虑到对数据安全性、传输可靠性及实时性的严格要求，物联网的信息传递、汇聚与控制主要借助于电力通信网实现，在条件不具备或某些特殊条件下也可依托于公众电信网。其中，核心网主要由电力骨干光纤网组成，并辅以电力线载波通信网、数字微波网。而接入网则以电力光纤接入网、电力线载波、无线数字通信系统为主要的手段，从而电力宽带通信网为物联网技术的应用提供了一个高速的双向宽带通的信网络平台。

　　3.3 应用层

　　应用层主要由应用基础设施和各种应用两大部分组成。其中，应用基础设施为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，并在此为基础上实现物联网的各种应用。面向智能电网物联网的应用涉及智能电网生产和管理中的各个环节，通过运用智能计算、模式识别等技术来实现电网相关数据信息的整合分析处理，进而实现智能化的决策、控制和服务，最终电网各应用环节的智能化水平得以提升。

　　4 物联网在智能电网中的应用模型

　　2010年，世界博览会在上海成功举办，世博园区各场馆都应用了物联网技术，尤其是国家电网馆，在向人们展示智能电网美好蓝图的同时，通过各种仿真模拟，让人们体验到了物联网技术与智能电网完美结合后的智能与便捷。

　　4.1 电力设备状态监测

　　利用物联网技术在常规机组内部安置一定数量的传感监测点，于是可以实时了解机组运行情况，这包括它的各种技术指标与参数，从而提高常规机组状态监测水平。例如，通过在水电站坝体安装传感器网络，可以随时监测坝体变化情况，以规避水库运行可能存在的风险。同样地，物联网技术也可以对风能、太阳能等新能源发电进行在线监测、控制以及功率预测等。利用物联网技术，可以大幅提高一次设备的感知能力，使其能与二次设备很好地结合，从而实现联合处理、数据传输、综合判断等功能，极大地提高电网的技术水平和智能化程度。

　　此外，输电线路状态在线监测是物联网的重要应用，它也可以提高对输电线路运行状况的感知能力，包括气象条件、覆冰、导地线微风振动、导线温度与弧垂、输电线路风偏、杆塔倾斜等内容的监测。输电线路状态在线监测系统示意如图4。

图4电网线路在线监测物联网结构示意图

　　根据物联网对电力设备的环境状态信息、机械状态信息、运行状态信息进行的实时监测和预警诊断，提前做好相应的故障预判、设备检修等工作，从而提高了设备检修、自动诊断和安全运行水平。

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　　4.2 电力生产管理

　　因电力生产的管理较为复杂，管理电力现场作业难度相当大，从而伴有误操作、误进入等安全隐患存在。通过物联网技术进行身份识别、电子工作票管理、环境信息监测、远程监控等，方便地实现了调度指挥中心与现场作业人员的实时互动。图5为基于物联网的电力现场作业监管系统。

图5基于物联网的电力现场作业监管系统

　　而在电力巡检管理上，利用射频识别（RFID）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统以及无线通信网，对设备的运行环境及其运行状态进行监控，并根据识别标签辅助设备定位，实现了人员的到岗监督，从而监督工作人员参照标准化和规范化的工作流程，进行辅助状态检修和标准化作业。在塔基下、杆塔上及输电线路上安装地埋振动传感器、壁挂振动传感器、倾斜传感器、距离传感器、防拆螺栓等设备，并结合输电线路状态的在线监测系统，实现对重要杆塔较好的实时监测和防护。如图6为杆塔防护系统。

图6杆塔防护系统

　　4.3 电力资产全寿命周期管理

　　在电力设备中应用射频识别和标识编码系统，对资产进行身份管理、状态监测、全寿命周期管理，自动识别目标对象并获取数据，从而在技术上为实现电力资产全寿命周期管理、提高运转效率、提升管理水平提供了更好的支撑。

　　4.4 智能用电

　　物联网技术有利于智能用电双向交互服务、用电信息采集、家居智能化、家庭能效管理、分布式电源接入以及电动汽车充放电的实现，同时也是实现用户与电网的双向互动、提高供电可靠性与用电效率以及节能减排的技术保障。

　　在电动汽车、电池、充电设施中安装传感器和射频识别装置，实时感知电动汽车运行状态、电池使用状态、充电设施状态以及当前网内能源供给状态，实现电动汽车及充电设施的综合监测与分析，并保证电动汽车运行在稳定、经济、高效运行。

　　物联网技术也方便于家居智能化的实现。借助于在各种家用电器中内嵌的智能采集模块和通信模块，可以实现家用电器的智能化和网络化，完成对家用电器运行状态的监测、分析以及控制；借助于在家中安装门窗磁报警、红外报警、可燃气体泄漏监测、有害气体监测等传感器，可以实现家庭安全防护；借助于应用无线、电力线载波技术，可以实现水、电、气表自动抄收；借助于光纤复合低压电缆、电力线载波以及智能交互终端，可以实现用户与电网的交互，以及相关的通信服务、视频点播和娱乐信息等服务。如图7为物联网在智能家居中的应用。

图7物联网在智能家居中的应用

　　5 物联网技术面临的挑战

　　虽然物联网技术与智能电网技术的结合有着众多的优点，得到各界的大力宣传与研究，但由于其研究还处于起步阶段，各方面研究还并不深入，因而它也面临着众多的挑战。

　　（1）标准化体系的缺失。物联网技术在我国的发展还刚刚起步，即使在全世界范围内，也没有形成一个统一的标准体系。标准的缺失将大大限制相关技术的正常发展和产品规模化应用的步伐。因此，标准化体系的建立，已然成为物联网产业发展的首要先决条件，也是制约物联网产业发展的最大瓶颈。

　　（2）拥有自主知识产权的核心技术亟待突破。拥有自主知识产权的核心技术是物联网产业得以可持续发展的根本驱动力，如果没有掌握关键的核心技术，产业就不具备有核心竞争力，因而在未来的国际竞争中也会处处受制于人。因此，迅速建立起国家级和区域物联网研究中心，研究并掌握拥有自主知识产权的核心技术，是物联网产业发展的关键。

　　（3）国家安全和个人隐私保护需要得到保障。由于电力是关系国际民生的基础性行业，是国民经济的基础，因此维持电力安全是所有事业的根本前提，而从目前物联网技术的发展水平来讲，其中的一系列安全问题还没有得到解决，也没有形成较为成熟的物联网安全解决方案。所以从某种程度上讲，物联网的安全性是物联网发展的一个很大阻碍，加强对物联网安全性的研究，也关乎物联网技术应用的成败。

　　6 结语

　　在智能电网建设中应用物联网技术，体现了智能电网信息化、自动化、互动化的特征，是智能电网发展的必然选择。物联网技术和智能电网的相互融合以及广泛应用，能通信基础设施资源和电力系统基础设施资源进行有效整合，大幅提高电力系统信息化水平、安全运行水平、可靠供电及优质服务水平，降低线损、提高电能传输效率和使用效率。随着它的进一步发展，物联网技术必将与智能电网有着更多的渗透与融合，也必将给未来电网带来更大的经济效益和社会效益。