智能电网用户侧物联网建设的研究

潘明明，郝为民，于东方

(1.中国电力科学研究院 北京100192；2.中国科学院半导体研究所 北京100083)

1 引言

国家电网向智能化电力物联网的演变，给面向未来的新一代智能电网的运营管理带来全新发展机遇的同时也带来了诸多挑战。为了应对挑战，我们必须在先进网络覆盖电力通信网的基础上，加快建设实现电网各环节基础设施系统的智能化，如试点城市的用户终端智能电表，加载各类传感器元器件的部署和配备推广，为以用电计量等的智能化应用为代表的开展带来可能和实现。随着未来电网智能化的建设和部署，也给越来越丰富的基于全网的智能一体化应用带来可能。2008年，美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)已经成为了全美第一个智能电网城市，每户家庭都安装了智能电表，人们可以很直观地了解当时的电价，从而把一些事情，比如洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时间段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源。同时，变电站可以收集到每家每户的用电情况。一旦有问题出现，可以重新配备电力。

2 研究内容

目前，电网的管理支撑系统还只是离散的孤立状态，各类电力业务的标准规范试验认证评估等还在研究中，针对发电侧、输电侧、配电侧及用户侧业务还缺乏统一管理，缺少对用户侧尤其是面向石油、化工、钢厂等超大型用电户实现电力能耗监测、其他耗能监测（用水、用气等耗能）、能耗监测与经济统计融合的智能电网应用方面的创新研究，而这将成为智能电网发展的金字塔模式，在稀有的同时也显得越来越迫切。提升电力企业面向用户侧服务的运营能力，同时着力解决电力公司在智能化应用管理方面的若干挑战。

面向个性化应用创新需求，实现电力公司对大客户、家庭客户等差异化服务。摆脱大众化、粗线条的客户体系，建设电力物联网更为个性化、小众化的客户服务体系。

建立事件型触发分析需求，通过建立客户活动、体验等相关的业务模型，与可以感知、测量、捕获信息的电力物联网系统，随时随地传递信息的移动互联系统协同工作，建立基于事件驱动实现感知、体验、分析的即时互动。

满足电力公司对用户侧用电实时性监控管理的需求，为捕捉客户需求的实时动态变化，需要实现动态策略管理满足实时/准实时的事件型触发分析需求，同时分析结果数据要能便捷、标准化及实时地对外提供或转化为协同控制要求，实现实时营销和服务。

转变智能电网应用系统只作为后台系统的角色，使之逐渐上升为主要的生产系统，打破原数据仓库的模式，使智能电网应用系统逐渐成为电力企业运营管理的“智库”和“中枢”，使电力运营商核心竞争力的作用越来越显著。

3 智能电网用户侧物联网建设的架构研究

建设智能电力物联网一体化管理平台是实现完整智能电网运营管理体系的最终目标，而用户侧物联网平台则是智能电力物联网运营管理系统中的重要组成部分，主要分为以下几个部分。

3.1 智能电网用户侧物联网的感知层建设

对于配电网和用户网而言，其各自物联网建设的关键点都在于数据采集和数据采集过程中的安全监控，即物联网感知层建设。因为10 kV以上的配电设备未来都将加装各种先进的传感器，作为物联网感知层的触角，传感器将是各种物联网中首先要研究的“门槛级要素”，没有先进、稳定的传感器作支撑的物联网必然是“空中楼阁”，而以光纤和光波导芯片为首的无源传感器将是未来电力传感器研究与应用的主要发展方向之一。目前，针对电力应用的“光纤光栅火灾或温湿度监测传感器”、“光波导型变压器安全监测传感器”、“无源智能变电站安全监控传感器”等具有国际领先技术水平的无源传感器已经进入工程试用阶段，相信未来几年将大规模装备到各级电力设施。而大型电力客户，如钢厂、化工厂等用电设备未来也将加装这些传感器，这些传感器及管理系统会与电力干线输电网传输传感监控系统、安全传感系统整合，形成电力物联网一体化管理平台。

3.2 智能电网用户侧物联网的网络层建设

在实现面向智能电网的实时数据采集时，需要注意的是数据采集的方式是多样的，如数据可以通过载波、光纤、无线、GPRS等通信方式进行采集和传输。而目前用户侧数据采集则很大程度上还依靠人力，只有解决好用户侧物联网网络层建设才能充分地发挥用户侧物联网感知层的先进性与有效性，而解决网络层建设也相对容易些，可以充分利用当今电力日益强大的EPON无源光纤网络中丰富的光纤通信资源，同时因地制宜,结合Wi-Fi、3G等无线传输网络从而彻底解决用户侧物联网信息通信的孤点及孤岛等问题。智能电网用户侧物联网的组网结构如图1所示。

3.3 智能电网用户侧物联网的管理层/决策辅助层建设

智能电网用户侧物联网的管理层既要求数据曲线、历史曲线、峰值告警等内容又要求用户侧到配电侧有自动发现的拓扑结构和信息双向处理功能。要能提供事件处理决策功能，即引入计算机式的辅助专家处理库，对于各环节的问题有自动决策生成功能。同时，在智能决策基础上引入先进的控制技术，进行分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。

先进控制技术的分析和诊断功能基于引进预设的辅助专家知识库系统，在专家系统允许的范围内，采取自动的控制行动。响应时间将在秒级水平上，实现了自愈能力的智能电网的可靠性将获得极大地提高。

同时系统平台设计和建设应具备与上一级管理层如配电网、输变电网管理平台的自动化对接基础，或是局部实现用户侧物联网部分监测功能。这必将推动这些研究成果在智能电网全网生产、工程监测、安全检测以及ICT的深化和整合应用。智能电网用户侧物联网的系统架构如图2所示。

4 结束语

本文面向未来智能电网的总体建设规划及可预见的来自于技术和可行性架构方面的挑战，以智能电网中基础的建设单元——“智能电网用户侧物联网”的研究为切入点，以“窥一斑而知全豹”的概念解析智能电网与电力物联网的架构设想及全网解决方案，因此“智能电网用户侧物联网的研究”对智能电网的建设具有积极的技术导引和架构导引意义。