基于物联网技术的智能电网系统分析

刘 丙 午， 周 鸿

（北京物资学院，北京市 101149）

一、引言

智能电网[1]、[2]是将信息技术、通信技术、计算机技术与原有输配电基础设施高度集成而形成的新型电网，具有提高能源效率、减少对环境的影响、提高供电安全性与可靠性、减少输电网电能损耗等很多优点。智能电网的关键技术[3]涉及诸多领域，其中物联网技术就是其核心技术之一，是其实现智能化的基础，贯穿发电、输电、变电、配电、用电、调度六大应用环节。智能电网的智能体现在可观测性、可控制性、分布式智能、高级分析、自适应性、自愈性等方面，其各方面的实现都有赖于物联网技术。

物联网[4]（Internet of Things）指借助装置在各类物体上的电子标签（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）和二维码等设备，通过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，既可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体之间的沟通和对话，同时进行数据与信息的交换和通信，以实现对物品的识别、定位、跟踪、监控、管理等一系列智能化活动的网络。

物联网的应用领域从面向企业的智能交通、物流调度追踪、基站监控等扩展到了面向公众的智能电网、个人医疗、智能家居等，遍及各行各业，但目前还处于起步阶段，尚未大规模普及。物联网产业覆盖了传感感知、传输通道、运算处理、行业应用等领域，其中涉及射频识别、传感器、无线网络传输、高性能计算、智能控制等技术。在智能电网行业中，无处不在利用物联网技术、网络和设备来实现电网的智能化，它们之间早已实现了相互融合与渗透。物联网的产业化发展将大力推动智能电网的发展，智能电网行业现已被公认为物联网产业化发展落到实际应用最能取得成功的优先行业之一。

二、物联网的技术体系架构

物联网是一个开放的体系结构，[5]、[6]需要多种技术的支撑，主要包括射频识别技术、中间件技术、物流管理技术、通信技术等各个方面。其关键技术主要涉及三个方面：一是感知技术，指利用射频识别技术、二维码、全球定位系统、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕获、测量技术手段，随时随地对物体进行信息采集与获取；二是信息传递技术，指利用各种电信网络与互联网的深度融合，实现物品信息的实时、准确传递；三是智能处理技术，指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门数据与信息进行分析处理，对物品实施智能化控制。

结合前面对物联网关键技术的分析，在物联网的总体技术体系架构中，应保证物联网的规模性、流动性、安全性三个方面。现阶段由于物联网在我国的应用还比较零散，没有形成规模化、体系化的发展态势，因此为突破应用规模化的障碍，推动物联网产业由启动期向成长期转变，应在产业链技术、应用形成系统的认识层面建立一套开放、扩展性强的物联网体系架构。面向智能电网应用的物联网主要可分为感知层、网络层和应用服务层。感知层主要通过传感器、射频识别等技术手段，实现对相关信息的采集；网络层依托电力信息通信网，实现感知层各类电力信息的传输；应用服务层主要采用智能计算、模糊识别等技术实现电网信息的综合分析与处理，实现智能化的决策、控制与服务。物联网的总体技术架构如图1所示。

数据采集层主要由二维码标签和识读器、射频识别标签和读写器、摄像头、传感器、全球定位系统以及传感器网关、传感器网络等设备和技术组成。这一层由各种类型的采集和控制模块组成，主要功能是完成物联网应用的信息感知、数据采集与设施控制，是物联网的重要基础。依靠物联网建立的数量庞大的终端传感器等采集设备，运维管理人员可以从发、输、配电侧到用电侧的各类设备上采集所需的数据信息。

信息交换层首先要基于物联网的网络和通信技术，如移动通信网、互联网等，是各种通信网络与互联网融合形成的网络，包括信息中心、物联网管理中心、专家系统、云计算平台等负责对海量信息进行智能处理的部分。因此，网络层不仅要具备网络运营能力，还要具有提升信息运营效率的能力，它是推动物联网成为普遍服务的基础设施。数据采集层的数据通过物联网信息交换层及其上层的互联网技术进行传递和交换，为发、输、配电侧应用到用电侧应用提供数据支持，使电网更加坚固和智能。

应用层是将物联网技术、行业专业领域技术充分结合，以实现广泛智能化应用的解决方案集合。通过应用层，物联网最终实现信息技术、行业专业技术的深度融合。应用层位于最上层，也是物联网应用的最终目的。它由各种服务器组成，其主要功能包括对采集数据的汇集、转换、分析，以及用户层呈现的适配和事件触发等。基于物联网，有着为数众多的智能电网的应用，包括数字化运营调控方面的用电信息采集、电能优化分配自动化等，精益化资产管理方面的设备状态监测、设备运行预警等，企业资源管理方面的供应商管理库存（VMI）感知、智能化信息运维监控等。

三、智能电网系统总体功能分析

图1 物联网技术体系架构

智能电网的物联网应用功能需求[7]主要体现在发、输、变、配、用等电力生产运行的各个环节，如在输电环节，在输电线路监控、杆塔防护、智能变电站等方面有着广泛的应用功能需求。智能电网的功能需求大致如表1所示。本文在分析智能电网系统功能时，主要从用户侧的智能用电、电网电力设备监测、电网公司智能化运营监测平台三个角度入手。

1．智能用电系统的基础应用功能需求

在智能用电方面，[8]用电信息采集（AMI）基础设施平台包含主站、通信信道、采集终端、电表及辅助设备四大组成部分，在智能电表等终端设备与电网公司之间提供一种自动双向流通的系统架构。该系统支持实时采集、计量、分析用户用电情况，并通过通信层允许数据上传和下发。在用电信息采集平台的功能需求中，主要包括传输层和应用层两个部分。其中，传输层主要是从电力公司各单位到用户家中智能电表的数据双向传输，确保数据传输的正确性、及时性、可靠性等功能需求；应用层主要关注对全网范围内计量数据的采集、监控和控制，电网公司通过对计量数据的分析，可以及时了解分析售出电能的使用情况，同时又可确保电网可靠、安全的输配电方案，实现远程智能抄表计量计费、远程电路通断控制、线路损耗监测管理、盗电监测、高频数据采集与分布。

在能源接入需求方面，智能电网应该能够让可再生能源发电等新类型电力入网，比如分布式发电的入网。供电源彼此独立且相对不好预测，要求配电网从被动式单向网络演进为从多个方向主动管理电流的系统。借助物联网技术在智能电网中的应用，可通过信息共享及时预测分布式电源功率的变化，从而确保分布式电源的出力保持在控制范围之内，满足智能电网调度系统的需要。

在输配电调度需求方面，需要通过物联网技术掌握遍布电网的传感器，及时感知电网内部运行情况，将全局系统电能损耗情况反馈给调度系统，并辅助调度人员对系统运行方式进行调度，在保证安全的前提下优化网络运行。

在智能用电家居需求方面，要求实现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、电动汽车充放电等功能，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为节能减排提供技术保障。这方面可通过在电网设施中设置传感器与射频识别装置，实时感知当前电网内的能源供给状态。同时，可以通过在各种家用电器中内嵌智能采集模块和通信模块，实现家用电器的智能化与网络化。通过在家庭中安装门磁报警、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，实现家庭安全防护；通过应用无线、电力线载波技术，实现水、电、气表自动抄收；通过光纤复合低压电缆、电力线载波以及智能交互终端，实现用户与电网的交互。

表1 智能电网各环节的业务功能需求

2．电力设备状态监测是实现智能电网的关键需求

在输变电设备状态监测[9]方面，智能电网对输变电设备运维与管控提出了新要求，以状态可视化、管控虚拟化、平台集约化、信息互动化为目标，实现设备运行状态可观测、生产全过程可监控、风险可预警的智能化信息系统。功能需求包括如下方面：电网系统级的全景实时状态监测、电网设备全寿命周期状态检修、基于态势的最优化灵活运行方式、及时可靠的运行预警、实时在线仿真与辅助决策支持、电网装备持续改进等。输电线路状态在线监测是物联网重要的应用之一，利用物联网技术可以提高对输电线路运行状况的感知能力，可监测的内容主要包括：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、铁塔倾斜、污秽度等。设备监测不仅包含电网装备的状态信息，如设备健康状态、设备运行曲线等，还包含电网运行的实时信息，如机组工况、电网工况等。

电力设备状态监测还包括常规机组内部监测、水电站坝体监测、风能和太阳能等新能源发电设备监测等。提高一次设备的感知能力，并很好地结合二次设备，提高电网的技术水平与智能化程度。

在变电设备巡检方面，主要指借助电力设备、杆塔上安装的射频识别标签，记录该设备的数据信息，包括编号、建成日期、日常维护、修理过程及次数，此外还可记录杆塔相关地理位置和经纬度坐标，以便构建基于地理信息系统的电力网分布图。在电力巡检管理方面，通过射频识别、全球定位系统、地理信息系统及无线通信网，监控设备运行环境，掌握运行状态信息，通过识别标签辅助设备定位，实现人员的到位监督，指导巡检人员按照标准化与规范化的工作流程，进行辅助状态检修与标准化作业等。

3.智能化运营监控平台建设

智能电网的关键[10]是实现电力网络与通信网络的无缝衔接，通过物联网技术，实现机房、主机、存储设备之间的物联网，通过感知温度、湿度等的变化，实现机房自动化管理，支持容灾切换与应急响应，建立智能化的运维监控体系，从而保障信息化基础设施的优化配置与高效运行。智能化运营监控平台主要包括以下几个方面：

（1）信息化运营监控子平台。在发、输、变、配、用等电力生产运行的各个环节，构建智能变电站与智能电网调度技术，支持系统利用传感器对数据进行采集和传输，对电厂生产设备进行监控。如发电厂基础建设、分布式电厂监控、厂区污染物监控及气体排放监控、能耗监控、煤料监控、抽水蓄能监控、风电厂监控、功率预测、储能监控等，通过电厂生产监控系统，协助电厂从定时的人工监控转变为全时的自动监控。在现场作业人员的调动指挥方面，应进行身份识别、电子工作票管理、环境信息监测、远程监控。在电力巡检管理方面，利用射频识别技术、全球定位系统、地理信息系统及无线通信网，对设备运行环境及运行状态进行信息化监测。

（2）智能化精益资产管理。在生产运维方面，有设备巡检、设备防盗、异常监测等需求，可通过基于物联网的传感器技术，对生产运行过程中的各个环节加以监控。对电子资产进行身份管理、资产状态监测、资产全寿命周期管理，自动识别目标对象并获取数据，可为实现电力资产全寿命周期管理、提高运转效率、提升管理水平提供技术支撑，实现电网电力资源的统一调配。

（3）智能电网的安全监控。比如，在安全监控与继电保护方面，实时感知各种电力设备的受力，在接近临界状态的情况下实时报警；实时感知电网内部的运行状况，如电压、电流的变化，预测故障的发生，通过网络重构，将故障遏制在萌芽状态，并实时将信息反馈给调度中心，实现智能电网自愈功能，能够自动配置启动方案，进行网络重构，保证电网安全运行。

四、基于物联网的智能电网关键技术

智能电网[11]是综合应用通信、高级传感器、分布式计算技术等，提高输配电网络安全性、可靠性与效率的手段，涵盖发电、调度、输变电、配电、用户等各个环节。物联网技术与智能电网业务的对应关系如表2所示。基于物联网的智能电网技术主要涉及参数量测、智能电网通信、云计算、智能调度和信息安全、分布式能源接入等。

1．参数量测技术

参数量测技术是智能电网基本的组成部分。先进的参数量测技术获得数据并转换成数据信息，供智能电网各个方面使用。参数量测技术主要应用了物联网的感知技术，如电子标签用于对采集的信息进行标准化标识，数据采集和设备控制通过射频识别读写器、二维码识读器等实现。在数据采集和处理阶段，主要是采用各类传感器技术、射频识别技术以及二维码等信息采集技术，对物品进行数据采集，之后接收上层传递过来的控制信号，产生响应，进而完成相应的动作，对信息进行处理。它们评估电网设备健康状况和电网完整性，进行表计读取、电费评估、防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户沟通。

2．智能电网通信技术

建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。适用于智能电网的通信技术应具备双向性、实时性、可靠性等特征。基于物联网有多种技术可供选择，它们主要可分为有线和无线技术两大类。其中，有线技术包括数字用户线路（DSL）、无源光纤网络（PON）等；无线技术包括码分多址移动通信技术（CDMA）、通用分组无线服务技术（GPRS）、无线局域网络（WLAN）等，这些技术均已相对成熟。在物联网的实现过程中，无线传感网技术格外重要，无线传感网是由大量多种类传感器节点（集传感、采集、处理、收发、网络于一体）组成自治的无线网络，它能实时、动态获得物理世界的传感信息，并将相关信息与通信主干网融合，可全方位提高智能电网各环节的信息感知深度。

表2 物联网技术在智能电网建设中的应用

3．云计算技术

电网具有规模大、模型复杂、多级、多层次等显著特点。特别是随着太阳能、风能、水能等可再生能源逐渐接入电网以及分布式能源技术的不断发展，电网的规模将更大，复杂性将更高，分布将更广。云计算[12]是分布式计算、并行计算和网格计算的发展，是虚拟化、效用计算、面向服务的体系结构（SOA）等概念混合演进的计算方法，主要用于智能电网异构资源的集成与管理、海量电网数据的分布式存储与管理、快速的电力系统并行计算与分析等。

4．智能电网调度和信息安全技术

智能调度是智能电网建设中重要的环节，而智能电网调度决策支持系统是智能调度研究与建设的核心，是提升调度系统资源优化配置能力、智能化决策能力、灵活高效调控能力的技术基础。在智能调度技术中，还包含信息系统平台技术，智能电网中的信息系统平台主要包括采集与处理、分析、集成、显示、信息安全等电网全方位监测体系。电网公司信息管理平台应覆盖财务、营销、安全生产、协同办公、物资、项目管理等所有环节的业务管理和应用。

智能电网的信息安全主要涉及智能电网应用的物联网接入网关技术、物联网异构系统通信协议转换及传感节点安全接入技术、物联网信息安全接入平台总体技术架构等方面。

5．分布式能源接入技术

分布式能源包括小水电、风力发电、太阳能电源、微型透平、燃料电池和储能装置（如飞轮、超级电容器、钠硫蓄电池）等，智能电网的核心在于构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化网络系统。它可对电网与用户用电信息进行实时监控和采集，以最经济、最安全的输配电方式将电能输送给终端用户，实现电能的最优配置与利用，提高电网运营的可靠性与能源利用的效率。

五、基于物联网的智能电网体系结构

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，该平台的体系结构包含四个层次，即电网设备感知层、网络通信层、数据融合层、应用平台层。物联网的信息支撑体系[13]通过对电网基础信息分层分级的集成与整合，达到信息的纵向贯通与横向集成，为智能电网提供可靠的信息支撑。其体系结构如图2所示，具体可分为以下几个部分：

第一，电网设备感知层。电网设备感知层包括电网各类需要信息传输与交换的元件和设备，电网设备感知层包括二维码标签和识读器、射频识别标签和读写器、摄像头、各种传感器、传感器网络，无线传感器网络（WSN）感知层的主要作用是感知和识别物体，采集并捕获信息。对配电网和用户网而言，其物联网建设的关键点在于数据采集与数据采集过程中的智能化监控，负责整个系统的电能信息采集、用电管理以及数据管理和数据应用。

第二，网络通信层。网络通信层以电力光纤网为主，辅以电力线载波通信网、无线宽带网，实现感知层各类电力系统信息在广域或局部范围内的信息传输。数据采集远程通信网络可采用多种无线、有线数据传输网络，可以是专用或公共的无线、有线通信网络以及电力线载波通信网络。采集终端之间的通信为本地通信网络，可采用电力线载波、微功率无线、RS485总线以及其他有线网络。

第三，数据融合层。利用云计算等各种数据融合技术，对海量数据的交换与融合进行管理，提供数据存储以及跨分区、跨系统的整合、集成、访问功能。对电网未来海量的各种数据等进行大量的压缩、存储、加工、共享，通过建立模型、数据挖掘、在线分析等信息技术实现数据的知识管理与智能决策。其主要技术涉及数据建模、数据存储、数据仓库、数据挖掘、网络分布处理、虚拟化、云计算等。

第四，智能电网应用层。应用层主要采用智能计算、模式识别、信息系统等技术实现电网运营的综合分析与监测处理，实现智能化的决策、控制和服务，从而提升电网各应用环节的智能化水平。智能电网应用层使物联网技术与智能电网的需求相结合，实现电网智能化应用的解决方案。智能电力物联网一体化管理平台的具体实现在一层当中，主要包括电网监测预警系统、电网设备监测系统、供需平衡控制等各种运营监测系统。具体参见图2中的智能电网应用层。

六、结束语

图2 基于物联网的智能电网体系结构图

本文从物联网的信息采集、信息交换、应用等几个层面入手，具体分析了物联网的关键技术及技术体系架构，对用户侧的智能用电、电力系统侧的设备监测、智能化运营监控等方面进行了详细的需求分析，结合物联网技术，对参数量测技术、通信技术、云计算技术、智能电网调度和信息安全技术、分布式能源接入技术等进行了详细分析与研究，提出了包括电网设备感知层、网络通信层、数据融合层、应用平台层四个层次的智能电网应用技术体系架构。物联网作为智能电网末梢信息感知层和通信层的基础环节，在电力系统中具有广阔的应用前景，物联网已经渗透到了电力输送的各个环节，在电网建设、生产管理、运行维护、信息采集、安全监控、计量应用、用户交互等方面有着十分广泛的应用，未来物联网技术应与智能电网进行更多的渗透与融合，给未来电网带来更大的经济效益和社会效益。

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