基于物联网技术的智能电网

胡荻++龚鸣敏

摘 要：继物联网的概念提出后，智能电网的概念一经提出便受到了社会各界的重视。由于传统供电模式的弊端日益凸显，世界各国对于新型供电技术的需求不断在增强，智能电网的构想也因此迅速在全世界蔓延开。本文在简单介绍物联网技术的基础上，讨论了传统供电网络存在的问题与不足、智能电网的优势和相关技术。

关键词：物联网；智能电网；智能电表；数据采集

中图分类号：TP39 文献标识码：A

1 引言

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。

基于物联网技术的智能电网是以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。

2 传统供电模式存在的问题

在传统上，电力供应方和需求方的界限十分明显。电厂发出的电力经由变电站和输电线进入用户家中；用户花钱购电，而用电量由电表来直观显示。这种传统电力模型已经有了近百年的历史，其弊病也慢慢显露出来，主要有以下几点。

2.1 电力分配无法灵活调整

传统的供电模式中，发电厂所扮演的角色往往仅仅是提供电力而已，只能对电网进行稳定的电力输入。然而根据实际地域与时间段的不同，用电需求也存在着极大的差异，这需要供电方根据实际情况对输出电量的多少进行灵活的调控。但是传统的供电模式中，发电厂基本无法做到这一点，这也导致了用电高峰时期发电长所承受的巨大负荷。

2.2 数据采集系统不完善

传统供电模式中，发电厂对于数据的采集很少，而用户使用的电表只是作为电能计量仪器使用，功能相对而言比较单一，而且其稳定性、精度、灵敏度方面都比较难控制。

2.3 环境污染

大部分传统发电厂都使用燃烧化石燃料的形式，化石燃料的大量燃烧会产生许多的有害气体，并且会加剧温室效应。现今，温室效应在世界范围内的影响不断加大，随之而来的环境破坏已经成为世界各国都无法忽视的问题。传统供电模式中燃烧化石燃料的行为急需改变。

3 智能电网的优势

3.1智能电表实现电力灵活分配

3.1.1双向电能传输和计量

具备双向电能传输和计量的功能的智能电表作为电网的入户接口，一方面能将电网通过智能电表将安全、高质的电能输送到用户的用电设备上；而随着新能源的广泛应用，许多分布式新能源，如风能、太阳能等，已经在用户端得到了充分的使用，这种微型分布式能源也可以通过智能电表反馈到电网中，与电网实现并网。

借助智能电表内部MCU强大的计算能力支持，智能电表还可以进行可靠的电能管理，比如分时管理、用户用电情况分类管理、最大负荷控制等等。通过这些管理为一些高耗能的设备从用电高峰时段转到非用电高峰时段提供优惠折扣，实现错峰避峰用电，提高电网的运行效率，也为用户节省开支。

3.1.2 双向通信

双向通信包括两个方面，一个是智能电表与用户交互终端的双向通信，另一个是智能电表与配电网之间的双向通信。作为用户终端与电网的衔接单位，智能电表可以对用户使用终端的用电情况进行管理，而用户终端可以将实时的将用电情况反馈给智能电表；而配电网这边，智能电表可以通过通信网络将用电信息发给配电网，配电网又可以通过通信网络对智能电表进行实时调控。

目前智能电表与用户终端的通信主要通过如ZigBee、WiFi等无线通信方式，还有一些专用总线，如M-Bus以及电力线调制解调方式来实现，用户终端则通过能源网关与智能电表进行互联；而智能电表与远端的配电网之间的通讯方式也有多种形式，如电力线路的载波通讯（PLC）、无线网络通讯（WiMax、OFDM等）、通信网络通讯等。

3.1.3 负荷开关的控制

借助远程通信功能，用户在异地可以通过互联网或者移动通信网络对家里的各种智能负荷，如空调、洗衣机、冰箱、照明等实现远端开关控制，同时通过智能电表的远端通信功能还可以实现异地监控和报警。

3.2 智能变电站和实现多方面数据采集

3.2.1 信息一体化的集成和应用

智能变电站的一体化平台可以方便地访问到更多的数据，因此在全景数据平台的基础上，可以实现更为智能化的各种高级应用功能，包括：一体化五防、顺序控制、源端维护、一体化故障信息子站、故障信息综合分析决策、智能报警等。

通过信息一体化平台和高级应用功能，智能变电站实现了信息平台的全景数据接入及标准访问接口，对于处于安全区的一次设备在线监测系统、辅控系统，采用串口方式接入，实现了不同安全分区系统网络的物理隔离，进而实现安全分区，保证了信息的安全，简化了运行操作，提高了运行效率，消除了信息孤岛。

3.2.2 设备状态监测信息的集成

同时，智能变电站能够通过各种状态信息判断二次设备的运行健康水平，对离线信息、在线信息、原始资料状态量、运行情况状态量、检修试验情况状态量等进行设备健康状态的权重分析，应用减法原则、专家系统、模糊计算等控制计算方法，得出合理的状态评价结论。

3.3 多种环保供电方式与柔性输电技术

智能电网中使用了大量的环保供电方式，如太阳能发电、风能发电、潮汐发电等等，这些供电方式有效的减少了对环境的污染，也从各方面提高了对闲置能源的利用率。

智能电网通过柔性输电技术保证智能电网能够接受不同等级、不同容量的发电和储能系统的接入。太阳能、风能发电等不稳定的可重用能源连接到电网时，可以立即投入使用，并且不会因供电能力的差异而受到影响。

4 智能电网运作的主要环节及相关技术

4.1分布式电源

4.1.1 分布式电源概述

分布式电源装置是指功率为数千瓦至50MW小型模块式的、与环境兼容的独立电源（包括光伏、风电、水电）。这些电源由电力部门、电力用户或第3方所有，用以满足电力系统和用户特定的要求。

现阶段我国的能源方式仍以集中供能系统为主，分布式能源的发展并不能取代传统的能源供应方式，将是集中供能系统的有益补充。因此，在我国可再生能源发电模式将是集中发电远距离输电与分布式发电相结合的方式。截至2012年底，我国已并网投产的分布式电源1.56万个，装机容量3436万kW，其中分布式水电2376万kW，世界第一；余热、余压、余气资源综合利用和生物质发电近年来增长迅速，装机871万kW，分布式光伏是未来发展的重点，前景非常可观。

4.1.2 分布式发电接入对电网的影响。

为了规范分布式电源的准入条件，减小大规模分布式电源接入后对电网造成的冲击，国家电网公司规定了分布式电源接入电网应遵循的基本原则：

（1）并网点的确定原则为电源并入电网后能有效输送电力并且能确保电网的安全稳定运行。

（2）当公共连接点处并入一个以上的电源时，应总体考虑它们的影响。分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%。

（3）分布式电源并网点的短路电流与分布式电源额定电流之比不宜低于10。

（4）分布式电源接入电压等级宜按照：200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网；200kW以上分布式电源接入10kV（6kV）及以上电压等级电网。经过技术经济比较，分布式电源采用低一电压等级接入优于高一电压等级接入时，可采用低一电压等级接入。

4.2 智能输电

4.2.1 柔性交流输电技术（FACTS）

柔性交流输电技术是新能源、清洁能源的大规模接入电网系统的关键技术之一，综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。

FACTS概念：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。静止无功补偿器，静止同步补偿器，晶闸管投切串联电容器，静止同步串联补偿器统一潮流控制器就是基于FACTS装置家族的成员。

4.2.2 高压直流输电技术

在现代直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。在输电线路的送端，交流系统的交流电经换流站内的换流变压器送到整流器，将高压交流电变为高压直流电后送入直流输电线路。直流电通过输电线路送到受端换流站内的逆变器，将高压直流电又变为高压交流电，再经过换流变压器将电能输送到交流系统。在直流输电系统中，通过控制换流器，可以使其工作于整流或逆变状态。

轻型直流输电系统采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。此外，可关断器件组成的换流器，还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电，未来还可用于城市配电系统，接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性问题。

我国高压直流输电技术在远距离输电中得到广泛应用，今后我国还将在大水电基地和大煤电基地的超远距离、大容量送出工程中继续大力发展和建设特高压直流输电工程。特高压输电具有电压等级高、输送距离远、输送容量大、可实现非同步联网等特点。

4.3 智能变电站的数字化

电力设备智能状态监测系统是保证电力设备正常工作，有效开展状态检修，并预估设备的损耗以建立全寿命周期管理体系，电力设备智能状态监测系统是实现智能变电站的基础。因此以设备的状态监测为基础的状态检修成为实现智能变电站并最终建立智能电网的核心技术之一，该技术近年来获得越来越多的重视。电力设备智能状态监测不仅是设备状态检修模式的基础，也是智能变电站综合自动化正在实施的电气运行模式的需要。无论是智能变电站还是无人值守变电站在其监控系统中都需要增加一个在线监测及故障诊断专家系统，用以作为辅助决策手段，进而提高监控能力。要想实现真正的无人值守，必须加入电气设备在线监测和故障诊断的内容，这样变电站综合自动化才更加完善和更有效。所以在测量、控制、保护和远动等综合自动化的基础上，融合电力设备状态监测系统必将推动变电站综合自动化向前发展。

电力设备智能状态监测不仅可以掌握电力设备当前的运行情况，还可以根据其专家系统利用其运行状态数据库对电力设备进行综合诊断，为设备检修提供辅助决策。为了解决电力设备故障诊断中所遇到的主要技术难题，需要突破常规方法进行故障诊断的局限，结合神经网络理论、灰色轨迹理论、数据库技术、模糊理论模型等各种算法，对电力设备实行故障诊断。利用各种数学模型从实现原理上进行比较分析，研究出多种改进的学习算法，实现变电站内电力设备故障诊断络模型。

4.3.1 电力设备智能状态监测系统组成

电力设备的状态监测是指通过传感器、计算机、通信网络等技术，及时获取设备的各种特征参量并结合一定算法的专家系统软件进行分析处理，对设备的可靠性做出判断，对设备的剩余寿命作出预测，从而及早发现潜在的故障，提高供电可靠性。电力设备状态监测大大降低维修周期内的设备故障率，为设备状态检修提供技术依据，并及时发现设备缺陷和异常征兆，确保设备安全运行，从而提高供电可靠性。由于变电站内电力设备种类繁多、结构各异，状态监测的类型也千差万别，但是，不论什么类型的监测系统，都需要经过3个步骤：采集设备数据信号；对数据进行传输；分析处理数据及诊断。

4.3.2 电力设备智能状态监测系统设计

由于状态监测系统是一个跨部门、跨系统的大型综合管理信息系统，如无锡供电公司西泾智能变电站状态监测系统涉及到的部门有生产技术部、调控中心、安监部、监控中心等各主要生产部门；涉及到的系统有PMIS，SCADA，EMS等；涉及到的装置有变压器综合管理平台、GIS局放监测装置、断路器监测装置、避雷器检测装置等。所以在设计状态监测系统的功能模块时，除考虑自身的相对独立性和开放性以外，还得重点考虑与其他已有系统模块的集成。

4.3.3 电力设备智能状态监测专家系统

专家系统（ExpertSystems）是人工智能中的一个重要分支，是关于问题求解的一种智能软件。它是一种在相关领域中具有专家水平能力的智能程序系统。它能利用领域内专家多年积累的经验与知识，模拟人类专家的思维过程，求解需要专家才能解决的困难问题。专家系统通过知识进行推理，在问题所在的领域内推导出满意的答案，即“专家系统=知识+推理”，这区别于常规计算机程序“程序=数据结构+算法”的一般模式，以达到“智能监测、智能判断、智能管理、智能验证”的目的。变电站故障诊断专家系统主要是根据电气设备如断路器、变压器、避雷器和容性互感器等一次设备进行开发和研究。

变电设备专家诊断系统作为状态监测的核心技术和最终目标，需要依托监测技术和计算机技术，目前仍处于研究发展阶段。

4.3.4 智能变电站综合告警系统

智能状态监测系统按照站内信息高度集成共享的原则，一次设备状态监测平台的信息量，除了常规的四遥信息外，还融入了大量设备的状态信息、动态PMU信息等。信息的高度融合与共享，对现有的变电站监测系统，如果按照传统的报警信息分类和组织模式，当变电站发生事故时，监控报警信息窗中将充斥着成百上千的提示、预告信息及事故信息，出现滚屏刷屏现象，监控值班员眼花缭乱，无所适从，很难抓住重点，很容易遗漏重要告警信号，延误处理使变电站运行值班人员无法在短时间内准确判断事故原因，不利于事故的及时处理。智能变电站基于IEC61850技术实现了变电站全景数据的高度整合，但如何实现基于变电站告警信息的综合分析和变电站运行异常处理专家系统，为变电站值班人员进行事故处理提供辅助决策，是提高变电站运行和管理水平以及智能化程度的重要标志之一。

智能状态监测系统融合了报警信息综合展示、变电站异常信号分析与处理辅助决策系统，构建对变电站运行设备状态的监视功能，并将变电站所有故障信号进行分类管理，建立多重故障推理模型，从而实现事故异常的辅助决策。

4.4 智能配电

4.4.1 配电自动化

配电自动化是智能电网的重要基础之一，需要通过配电自动化系统采集尽可能多的配电信息，并向下延伸到低压用电信息的汇集。配电网络的构成有电缆和架空线路两种方式，电缆网络多采用具有远方操作功能的环网开关，对一次设备和通信系统的要求高。架空网络以线路上的重合器、分段器和负荷开关为主，其中架空线路多使用双电源手拉手供电是最基本的形式。配电线路通常都是由电缆—架空线路两种配电网络混合而成，对线路上主干线分段的数量取决于对供电可靠性要求的选择。线路分段越多，故障停电的范围越小，但同时实现自动化的方案也越复杂。

配网综合自动化系统主要由主站系统、配变子站监控系统、通信系统、配电网现场监控单元（FTU/TTU等）组成。

4.4.2 用电信息采集

智能用电包括两大部分，第一部分是为满足智能电网对用电的信息的掌控而建设的用电信息采集系统（简称集抄），第二部分是未来三/四网合一的基础PFTTH，即依电力复合光纤入户而建的电力光纤宽带互动网络。

配电自动化对通信系统的要求，取决于配电网的规模和要求实现的具体希望水平，总体比较各种通信方式的优劣应综合考虑如下几点：

（1）通信的可靠性

（2）通信技术的先进性

（3）可行性和使用维护的方便性

（4）配电通信的实时性

（5）通信系统的可扩充性。

通过分析对比我们不难看出，配电自动化使用的多种通信方式的特点：

（1）架空明线或电缆。其特点是建设简单，线路衰耗大，频带窄，容易受到干扰，电力系统自动化中只能做近距离传输信道。

（2）配电载波。从目前的技术水平上看，典型的配电载波机的传输率可达到150-300bit/s，可满足双向通信的要求，对远方抄表和监测线路数据比较经济。但对于停电区数据如何用配电载波上传仍然是一个技术难题，有待进一步研究。配电载波系统数据传输速率较低，容易受到干扰，由于反射使得配电载波在馈线的某些部分存在盲点，其优点是技术相对简单。

（3）现场总线和RS-485。现场总线（FIELDBUS）是近二十年发展起来的新技术，它是连接智能化的现场设备和自动化系统的双向传输、多分支结构的通信网络，它适合于FTU和附近区域工作站的通信，以及变电站内部各个智能模块之间的内部通信，现场总线可分为CANBUS（ControllerAreaNetwork）、LONWORKS（LocalOperatingNetworks）和PROFIBUS （processFieldBus）等，对于一些实时性要求不高的场合，可以利用RS-485代替现场总线进行数据信号的传输。

（4）无线通信。无线通信方式有：AM、FM、PM、GPRS等也可以应用到配电系统自动化的数据传输，但相对来讲，在数据通信速率、保密性上存在不足，目前主要做为有线通信的补充。

（5）光纤通信。光纤通信与其他通信比较有以下优点：光纤传输频带宽、通信容量大，传输损耗小，光电隔离，不受电磁干扰，组网方便、灵活。在配电自动化中，可以利用已建成的变电站到主控中心的光纤网络进行数据传输，可以无源光网络（EPON）或光纤自愈环网（工业交换机）来进行传输，这在许多地区都有成功的经验，是未来配网自动化数据通信发展方向。

5 总结

目前中国的雾霾等环境问题日益严重，智能电网能够促进可再生能源的发展，努力使风能、太阳能成为我国的主要绿色能源具有很大的战略意义。智能电网也能够促进发展绿色交通。电力驱动的汽车作为我国新能源汽车技术的重点，快速且节约的充电方式同样十分重要，而智能电网的柔性输电特性以及对于大范围的资源与信息的真题优化调配能够极大的满足这种需求。随着智能电网和物联网技术的进一步发展，物联网技术必将进一步渗透到智能电网的发展和建设中。

参考文献：

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[5] 何光宇，孙英云.智能电网基础[M].北京：中国电力出版社，2010.

（本文审稿 陈 兵）