电网企业智慧物联体系建设及应用研究

刘淑磊 魏志丰 高秉强 郭春兰

摘 要 经过十余年发展，电网企业物联网应用已具有一定基础，但与“全息感知、泛在连接、开放共享、融合创新”的提升目标相比，仍存在一些不足，如存在感知深度广度不足、感知层资源共享不足、业务即时性不足、标准化智能化不足等问题，多家互联网企业如阿里、百度、腾讯等企业开展了对智慧物联体系的研究，但缺乏物联网技术在电网企业的落地整体设计方案。本文借鉴国网山东省电力公司智慧物联体系建设实践经验，从关键技术、应用模式、典型场景等方面对物联网技术展开论述，为电网企业物联网应用设计实施路径，保障技术架构的科学性和合理性，为电力行业智慧物联体系的建设及应用提供理论基础。

关键词 智慧物联体系;物联网;传感技术;智能电网

引言

微软总裁比尔·盖茨最先提出关于物联网理念，由于当时互联网的发展仍然处在迅猛发展阶段，而物联网的相关技术还没有完全成熟，此次物联网理念的提出并没有受到战略层面上的重视。2005年ITU在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上正式确定了“物联网”的概念。2019年9月，国家电网公司发布《智慧物联体系2019年建设方案》，指出智慧物联体系是推动“两网融合”发展，实现电力系统万物互联、人机交互的关键。

1关键问题

智慧物联体系重点建设物联管理平台和边缘物联代理，对下实现各业务采集终端、传感器、智能终端的数据统一采集、处处使用，对上向企业中台、业务系统提供标准化数据与服务。总体技术架构如图1所示。

传感器技术：随着电力物联网的建设发展，电源侧、电网侧、用户侧和供应链业务需求增长旺盛，感知对象主体及其属性信息的感知需求更加多元化、全景化。为促进能源流、业务流、数据流深度融合，需要横向扩展感知对象主体范围广度，实现各业务领域感知对象全面覆盖;纵向扩展对象属性信息感知深度，在丰富电气量采集内容基础上，加强对感知对象运行状态、环境因素等非电气量的感知能力，提高感知的全面性、完整性[1]。

业务终端研发：以某省级电网公司为例，2019年在运接入终端主要用于营销、运检以及其他专业现场作业业务，其中智能电表约4600万只、充电桩约9400台、营业厅视频终端约1600套、采集终端约375万台、P柜约8.5万套、智能配变终端约2100套等设备。随着电力物联网的建设发展，接入设备数量将急剧增加，亟需加大业务终端接入能力建设。在丰富业务终端功能的基础上，加强对感知对象运行状态、环境因素等非电气量的感知能力，提高信息感知的全面性、完整性，實现对各类信息的实时感知和获取，全方面反映感知对象实时状态。研究设备端安全防护技术，从数据采集环节开始，确保数据安全接入和安全传输。

边缘物联代理：采集终端种类复杂，调控、营销、运检等专业各类终端配置标准不统一，使用的传输协议各不相同，采集数据独立传输至各专业不同的业务平台，未能实现数据的统一采集、跨专业共享。公司目前在运的采集终端大多只具备数据采集的能力，无法对数据进行本地化处理，数据传输至数据中心相关业务平台后才能存储、分析。随着电力物联网建设的逐渐深入，终端设备的采集数据量将呈几何级别增长，将原始数据归集至省公司数据中心进行存储分析的传统架构，对网络层、平台层造成极大的数据传输和处理压力。

通信网络结构：感知层终端在近场通信应用方面多采用串口、以太网以及载波等方式，面对物联网大面积建设的趋势，各类终端面临着采集监测覆盖不足、终端设备在线率较低、实时性不强、安全接入无保障等问题，不能满足采集监测全覆盖的要求，且业务终端接入方式多、不统一，对感知层的网络接入方式需要重新规划。应结合电网监控需求，智能电网传感层网络建设应具有低移动性、时间控制性、小数据传输性、告警优先性、可交互性、低功耗性等特点，需完成各类型感知设备和终端与边缘物联代理间通信协议标准化设计和本地网络组网设计，明确不同场景下的通信方式、协议;考虑存量和新建两种场景，确定适配各专业、各场景统一的通信协议规范，并制定相应的应用层规约[2]。

2建设模式

智慧物联体系包括物联管理平台、边缘物联代理、各类型终端标准化接入及其保障体系、合作伙伴等内容。

物联管理平台：部署在云端，重点对公司各专业、各类型边缘物联代理和智能终端进行在线管理和远程运维，对各类型采集终端进行统一管理，主要包括设备管理、连接管理、应用商店、模型管理、数据处理等功能。在数据处理方面，平台按照统一物联信息模型，汇聚各类型采集感知数据，进行模型转换和数据预处理，并分发至企业中台或相关专业系统，不长期存储采集感知数据。在开放服务方面，平台向上对中台和各类型应用提供接口服务，实现平台功能调用以及边缘物联代理、智能终端和各类采集控制设备的远程操作。

边缘物联代理：主要包括终端统一接入、多APP应用、边缘计算、区域自治等功能。在研发部署方面，国网公司统一制定技术标准和功能规范，各专业、各单位按需组织设计研发、安装部署和运行维护。在物理形态方面，主要包括边端分离型、边端融合型、边缘节点型。在开放生态方面，公司统一制定边缘物联代理技术标准、功能规范和边缘计算框架、接口规范，屏蔽软硬件产品差异，各专业、各单位和外部单位基于统一框架开发的边缘侧APP可在全公司范围内共享共用。在终端接入方面，边缘物联代理主动适配公司内外部各类型感知设备的通信方式和协议规约，按照统一物联信息模型对各类采集感知数据进行解析转换，确保在感知层实现数据资源共享共用[3]。

采集（控制）终端：部署在采集监控对象本体或附近，是对设备或客户的状态量、电气量和环境量等进行采集量测的装置，根据需要具有简单的数据处理、控制和通信功能，一般不配置边缘计算能力，主要包括电源侧、电网侧、用户侧和供应链等终端。主要建立生态体系，由合作伙伴按照电网公司相关规范提供符合智慧物联体系架构的产品。

3典型场景

3.1 输电典型场景

高压隧道电缆物联网采用各类传感器对高压电缆本体、中间接头、电缆隧道的环境量、物理量、状态量、电气量、行为量进行实时采集，并将数据实时上传至具备边缘计算功能的汇聚节点或者接入节点，汇聚节点或者接入节点将监测数据通过网络层上传至平台层和应用层，并全面融合运检专业多源数据，实现电缆设备状态及隧道环境的深度感知、风险预警和全景展示，主动触发多参量和多设备间的联合分析并推送预警信息，完成各业务系统、个人移动终端、APP、智能巡检机器人的信息共享，有效提升高压电缆状态感知的及时性、主动性和准确性，为缺陷、隐患的及时发现、处置提供保障[4]。

3.2 变电典型场景

在换流站感知层，按照对外统一物联，对内分层管理的原则，分为接入层和汇聚层，接入层主要是物聯代理终端，实现变电站设备的物联网接入，汇聚层负责对传感终端采集信息的汇聚，通过汇聚节点上送给物联代理终端。对于换流阀、换流站变压器、交直流滤波器、变压器/电抗器、断路器/GIS、高压套管、消防系统、电力电缆等主辅设备安装各类感知装置、配置巡检机器人，实现对主辅设备运行状态的全面感知、异常设备预警，并支撑多形态机器人巡视、故障智能预警与决策等上层应用[5]。

3.3 配电典型场景

中压侧：为实现开关柜内环境、开关状态等感知，需安装包括智能环境传感器、智能开关等感知设备，通过RS485通信方式接入智能终端，采集环境量、电压、电流、开关状态等数据。配变侧：为实现配变侧环境量、电气量等感知，加装变压器感知设备、智能终端、智能环境传感器等感知设备，通过RS485等多种通信方式接入智能终端，采集环境量、变压器油温、桩头温度、电压、电流等数据。低压侧：为实现低压侧环境、电气量、开关状态等感知，安装包括智能环境传感器、低压智能开关等感知设备，通过RS485等多种通信方式接入智能终端，采集环境量、电压、电流、开关状态、开关温度、无功补偿监测等数据[6]。

3.4 新业务典型场景

构建物理设备、空间环境、用能系统的模型，基于状态感知、边缘计算和云边协同控制等手段，采取动态寻优的控制策略，实现就地实时控制和云边协同控制，降低楼宇能耗水平;对接电网供应能力和电力市场价格信号，建立需求侧响应和市场交易业务模型，参与电力需求侧响应和市场交易等新业务，优化能源负荷的调度，实现楼宇（集群）负荷与电网的友好互动，保障电网安全稳定运行[7]。

4研究结论

通过上文研究，电网智慧物联体系建设是一个复杂系统的工程，需要在传统工业物联网的基础上解决部分电网企业特性问题，如开发边缘物联代理设备，建立统一信息模型，做好电网安全防护问题，在建设模式上，为适应电网企业多层级网络式的管理模式，结合电网企业存量设备数量巨大这一特性，需采用多种形式的物联方式实现边云协同，在典型场景上，重点解决跨专业数据统一采集、共用共享的问题。

参考文献

[1] 陈杨.基于SOA的物联网智慧服务系统的设计与实现[D].南京：南京邮电大学，2016.

[2] 朱洪波，杨龙祥.物联网技术体系创新与智慧服务产业发展[J].信息通信技术，2013（5）：4-5.

[3] 张毅，唐红.物联网综述[J].数字通信，2010，37（4）：24-27.

[4] 刘延吉.物联网技术研究综述[J].价值工程，2013，32（22）：226-227.

[5] 杨庚，许建，陈伟，等.物联网安全特征与关键技术[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2010，30（4）：20-29.

[6] 何杰.输变电设备物联网关键技术研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[7] 黄剑.物联网关键技术与应用分析[J].智库时代，2019（4）：209，211.

作者简介

刘淑磊（1986-），男，山东人;毕业院校：浙江大学，专业：电力工程及其自动化，学历：硕士，现就职单位：国网山东省电力公司济南供电公司，研究方向：电力系统物联网。

魏志丰（1981-），男，北京人;毕业院校：北方工业大学，专业：会计学，学历：硕士，现就职单位：北京国网信通埃森哲信息技术有限公司，研究方向：电力信息化规划研究。

高秉强（1989-），男，宁夏人;毕业院校：西安电子科技大学，专业：通信工程，学历：本科，现就职单位：北京国网信通埃森哲信息技术有限公司，研究方向：信息化规划咨询。

郭春兰（1990-），女，天津人;毕业院校：首都经济贸易大学，专业：国民经济学，学历：硕士，现就职单位：北京国网信通埃森哲信息技术有限公司，研究方向：企业架构、物联网研究。