物联网技术在智能电网中的应用

陈天超

（兰州职业技术学院，甘肃 兰州 730070）

电力网格（power grid）是指向家庭用户、公共用户以及工厂用户传输电力的电力网络。为了满足电力网络在未来的使用，在电力网络设计中，高可靠性与安全性方面需要提供很大的自由度。智能电网必须能够提高现有电力网格的能力，具有先进的传感触发器和高度安全的网络基础设施，以提高电网的效能、性能和可靠性，同时还能广泛支持新的服务。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，目前被越来越多的国家所重视，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。

智能电网是智能物件网络的主要应用领域之一。智能电网对智能物件网络最主要期望和要求是：传感器（例如，测量电流、电压、相位或者无功功率）以及制动器（例如断路器等）。智能物件网络的功能是有效地检测及控制电力网格，通过智能电表来感知电力消费量，有效地实现能量管理。智能电网与物联网的相互渗透、深度融合和广泛应用，有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，进一步实现节能减排，提升电力网络的信息化、自动化、互动化水平，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

物联网是指通过传感器技术、射频技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电等各种需要的信息，通过各种可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理[1]。

“物联网”概念的正式确定是在2005年 。2005年国际电信联盟（ITU）在突尼斯举行了信息社会世界峰会（WSIS），在大会上发布了ITU Internet reports 2005—the Internet of things，该报告介绍了物联网的概念、特征、相关技术、面临的挑战与未来的市场机遇。

国际电信联盟在报告中指出，我们正处于一个新的通信时代的边缘，信息与通信技术（ICT）的目标不能仅仅满足人与人之间的沟通，应该发展到了实现人与物、物与物之间的连接，无处不在的物联网互联网通信时代即将到来。物联网会使人类在通信与信息技术的海洋里获得一种新的沟通方式，可以把任何时间、任何地点、连接任何人的方法，扩展到连接任何物品，物联网的核心就是万物的连接。

1.2 特征

从通信对象和过程来看，物与物、人与物之间的信息交互是物联网的核心。物联网的基本特征可概括为整体感知、可靠传输和智能处理[2]。

整体感知。可以利用射频识别、二维码、智能传感器等感知设备感知获取物体的各类信息。

可靠传输。通过对互联网、无线网络的融合，将物体的信息实时、准确的传送，以便信息的交流、分享。

智能处理。使用各种智能技术，对感知和传送到的数据、信息进行分析处理，实现监测与控制的智能化。

2.面向智能电网的物联网需求

智能电网主要是通过终端传感器在客户之间、客户与电网公司之间形成即时连接和信息互动，实现数据实时、高速、双向传输，从而整体提升电网的综合利用效率。要实现智能电网的电力流、信息流、业务流高度一体化，前提条件在于信息的无损采集、流畅传输、有序应用，智能电网信息运转的有效载体是各个层级的通信支撑体系。通过充分利用智能电网海量、多元信息的潜在价值，可服务于智能电网生产流程的精细化管理和标准化建设，提升电网调度的智能化和科学决策水平，努力提高电力系统运行的安全性、经济性[3]。

发电机机组的监控、厂区的监控、污染物及气体排放的监控、能耗的监控、抽水蓄能的监控等多方面都需要物联网技术的支持。在输电线路的监控、塔杆的防护、智能变电站、配电自动化、作业与设备的管理等方面也存在对物联网技术广泛的应用需求。至于智能电表及高级测量、智能用电、多网的融合、电动汽车及充电、能效监测与管理、电力需求管理等则逐步成为了智能电网中物联网技术应用的主要领域。

近年来，智能电网的建设步伐在明显加快，用户对于智能化用电的需求也在不断提升。智能家电、智能小区等逐步进入千家万户的日常生活，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，是构建智能电网的必然性选择。

3.物联网在智能电网中应用的基本架构

由于物联网存在异构需求，所以物联网需要有一个可扩展的、分层的、开放的基本网络架构。目前大多数学者将物联网的基本架构分为三层，即感知层、传输层和应用层[4]。

3.1 感知层

实现物体信息的采集、自动化识别和智能控制的功能主要在感知层。该层涉及的主要技术有EPC技术、RFID技术、智能传感技术等。感知层包括传感器、RFID、EPC等数据采集设备，也包括对数据的传送。感知层是物联网发展的关键环节和基础部分。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，实现对物质的环境状态、行为态势等静态或动态的信息进行大规模、分布式的信息采集和获取。通信延伸子层所用技术比较广泛，处于安全性和可靠性考虑，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，除了利用光纤传递信息外，无线传感技术也可以在部分范围内应用。对于采集到的用电信息数据，可以使用的通信技术主要涉及到窄带电力线通信、宽带电力线通信、短距离无线通信及公网通信等。

3.2 传输层

该层主要作用是把感知层获取的信息准确无误的传输给应用层，使应用层对海量信息进行分析、管理，并做出最终决策。传输层将感知层获取的各种信息以电力光纤网为主要通信设备，以电力线载波通信网、无线宽带网为辅助通信设备，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，主要实现信息的传递、路由和控制，该层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通互联。在智能电网应用中，考虑到对数据的安全性、传输的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，使用公众电信网进行通信是在条件不具备或某些特殊条件下才考虑。其中，核心网主要由电力骨干光纤网组成，电力线载波通信网、数字微波网作为辅助手段。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到稳步的提升

4.物联网技术在智能电网中应用案例

物联网以其在实体属性信息（位置、状态、行为、特征等）的获取、分析、处理、控制与反馈中的强大能力，必将对智能电网的发展产生巨大的积极推动作用。在可以预见的未来，物联网在智能电网应用过程中，依托关键技术的成熟与发展，必将开发出多种特色服务。

案例1 变电站状态检修

在变电站中使用传感器等智能物件，可以根据设备的健康状况主动判断设备是否需要维修。通过对设备的监控，公用设施可以在故障发生之前进行维护。这样一来，不但节省了设备成本，而且还间接地减少了由于网络中断而带来的损失。

变电站状态检修包括定期将健康报告通过智能物件发送到中央控制系统，如果有异常情况发生时会触发报警系统。在变电站状态检修中所使用智能物件数量是应该是比较可观的。

通过对传感器所报告的各种数值进行分析，可以用来检测异常情况。比如说，公共工程可以根据负载和其它参数来决定系统的预期温度，当超过这个预期阀值时，就要触发维护指令，可以避免造成变压器等重要设备出现故障而带来高昂费用的损失。变电站状态检修系统不仅可以延长高价值设备的寿命并在有些情况下提高它们的有效性，也可以避免由于电力网络中断所造成的灾难性损失，还可以减少预防性维护费用并有很多方法来提高工作成效[5]。

案例2 线路动态评分

随着分布式发电的出现，发电量经常会超过电网的输电能力。输电线路的输送容量是有限的。电压不能无限制上升，过高的电流会导致电阻持续加热、熔化。如果电力线负载增加那么导体的温度也随之增加，热膨胀效应就会导致线路下垂。电网输电容量是指，电网在最坏天气中，进行静态评级所得出的输电容量。但是，静态评级并不会考虑实时条件，即便在天气情况允许提高输电容量，在静态评级系统中也不会提高输电容量。

动态评级使用温度等实时参数。人们已经发现在强风下，导体的热容量会在一段时间内有所提高，从而导致风力发电效率提高。

动态评级使用的技术多种多样。动态评级以气候条件为基础，可以应用气温、太阳能集热器与风速来建立方程式，将气候监测设备安装在合适的位置，恰当的反馈当地电线上的气候参数。其它动态评级技术可以在线路上使用一定量的传感器，实时将导体温度转化为等量的风速，用来与一系列其它参数一起来计算出线路的动态评级。还有一种动态评级技术用于监测线路下垂度/张度的实时数据，并将它们转化为等量的风速。

研究显示，在某些情况下，动态评级系统会使用输电容量增益会在10%～20%之间变动，有时甚至高达30%[5]。

5.结束语

物联网技术应用在智能电网建设中，可以使智能电网信息化、自动化，是智能电网建设的必然选择。有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源是物联网技术在智能电网建设中发展方向，将会提高电力系统信息化水平、安全运行水平，为用户提供可靠的供电服务，并可以降低线路的损耗、提高电能的传输效率和使用效率。随着物联网技术的发展，物联网技术必将与智能电网有着更多的渗透与融合，会进一步提升未来电网的经济效益和社会效益。

[1]张鸿涛，徐连明，等.物联网关键技术及系统应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]饶威，丁坚勇，李锐.物联网技术在智能电网中的应用[J].华中电力，2011，（2）.

[3]李祥珍，刘建明.面向智能电网的物联网技术及其应用[J].电信网技术，2010，（8）.

[4]沈苏彬，范曲立，宗平，等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报，2009，（6）.

[5][美]Jean-Philippe Vasseur [瑞典]Adam Dunkels.基于IP的物联网架构、技术与应用[M].田辉，等，译.北京：人民邮电出版社，2011.