基于物联网技术的智能电力配网系统设计与优化

崔 艳

（新沂市阳光热电有限公司，江苏 徐州 221400）

0 引 言

随着社会的发展和电力需求的不断增加，电力系统的管理和运行面临的挑战也越来越多。在这种背景下，应用物联网技术提高电力配网的智能化水平成为一种切实可行的方法。物联网技术具有感知、通信和数据处理等特性，为电力配网系统的监测、管理和优化提供了新的手段和思路。

1 物联网技术在电力配网中的应用

1.1 感知与监测技术

在电力配网中，传感器利用物联网技术的感知与监测功能，可以实现对电力设备和线路的实时监测。传感器网络通过在关键设备和关键位置上安装传感器，可以对电力系统各个环节进行数据采集。传感器可以采集电压、电流、温度以及湿度等多个参数，以全面感知电力设备的运行状态。

在电力设备层面，通过布置电流传感器和电压传感器，系统能够实时获取设备的电参数信息，包括电流强度和电压水平等，及时掌握设备的运行状况并预防潜在故障。例如，应用温湿度传感器可以有效监测设备周围的环境条件，为设备的安全运行提供实时环境数据。

在电力线路层面，通过在关键节点部署传感器，系统能够实现对电力传输线路的动态监测。传感器能够实时测量电力线路上的电流、电压等参数，并捕捉线路的实时状态，如监测电流的变化情况[1]。通过这种方式，可以及时发现线路过载、短路等问题并提前采取处理措施，以确保电力系统的安全稳定运行。

1.2 通信技术

在电力配网系统中，通信技术的重要性日益突显，而物联网通信技术的运用是实现智能化管理的关键。5G 技术为电力配网系统提供了高速、低延迟、大连接的通信支持。

5G 技术具有高速度和低延迟的特性，是实现电力设备之间实时数据传输的理想选择。在电力配网中，利用5G 技术，各个传感器节点能够迅速、高效地将实时监测到的电力信息传输至控制中心，从而实现对电力系统的快速响应和实时监测。超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）也在物联网通信中发挥着重要作用。作为一种轻量级的通信协议，HTTP 在电力配网系统中能够以简单、可靠的方式实现数据传输[2]。其采用请求-响应模式的通信方式，方便各个设备发送和接收数据，从而实现对电力配网系统的有效管理和控制。

1.3 数据处理与存储

在电力配网系统中，利用物联网技术进行数据处理与存储是确保通信实时性和可靠性的关键。通过有效处理并存储感知到的大量电力数据，以确保系统运行和管理的稳定性和安全性。

数据处理方面，物联网技术通过引入先进的数据处理算法，如实时数据压缩、去重和聚合等，有效减少了数据传输中的冗余信息，提高了数据传输效率。同时，采用实时数据处理技术，系统能够在数据生成的同时进行快速的实时分析，为电力设备状态监测和故障诊断提供实时支持。

数据存储方面，物联网技术采用灵活且可扩展的存储架构。基于分布式数据库和云存储技术，系统能够将感知到的数据存储在可靠的云端服务器上，确保数据的安全性和可靠性。这种存储方式还具有高度的可扩展性，可以根据系统需求调整存储容量，以适应不断增长的数据量。

2 智能电力配网系统设计

2.1 系统架构设计

在智能电力配网系统的设计中，系统架构直接影响着系统的性能、稳定性和可扩展性。文章设计的系统架构设计主要分为应用层、平台层、传输层以及感知层4 个关键层次，通过这些层次之间的协同工作，实现对电力配网的智能化监控与管理。基于物联网的智能电力配网系统架构如图1 所示。

图1 基于物联网的智能电力配网系统架构

第一，应用层。用于实现电网可视化监控平台、变电站智能管控和智能热点监控等应用。该层注重用户体验和功能性，确保系统对用户友好，并具备高度智能化的监控和管控功能。

第二，平台层。用于完成操作系统、软件开发、设备管理平台以及连接管理平台等任务。其中，操作系统是系统运行的基础，软件开发能够实现系统功能的升级与扩展等目标，设备管理平台负责对接各类设备，而连接管理平台则用于确保各层次之间的沟通顺畅。

第三，传输层。传输层是整个系统的基础，主要由通信标准/协议、边缘计算网关、物联网通信设备组成。其中，通信标准/协议能够确保系统内外信息的高效传递，边缘计算网关实现对数据的快速处理和响应，物联网通信设备用于确保各类设备之间的连接。

第四，感知层。其由传感器、芯片、通信模组以及感知类智能设备/装置等组成[3]。通过各类传感器获取电力配网的实时数据，并将获取的数据传递到系统的上层进行进一步的分析和处理。

通过合理设计系统架构，实现对电力配网的全面感知、智能监控与管控。各层次之间的协同工作可以提高系统的稳定性和安全性，为未来的系统升级和扩展提供了良好的技术基础。

2.2 设备智能化改造

在设计智能电力配网系统时，设备智能化改造是关键环节。通过物联网技术对传统电力设备进行智能化升级，以提高自动化水平。该过程涵盖传感器的应用、设备的数据采集、远程监测以及自动化控制等内容。通过在传统电力设备上部署各类传感器，可以实现对电流、电压、温度等关键参数的实时监测，并利用物联网通信技术将采集到的数据传输至云端，为后续数据分析和控制提供基础。

设备智能化改造的关键是实现设备之间的互联互通。利用物联网通信协议，设备间能够实现信息的共享和交流，从而形成一个协同工作的智能系统；通过数据处理与存储技术，系统能够记录并分析设备状态，为故障预测和维护提供支持。此外，智能电力设备可通过物联网技术实现远程控制，方便运维人员对设备进行调整和操作，以提高电力系统的响应速度和灵活性。

2.3 智能监测与诊断

在设计智能电力配网系统时，智能监测与诊断是一项关键的技术。通过应用物联网，实现对电力设备状态的实时监测和故障诊断。在关键节点布置传感器，使系统可以实时采集电流、电压、温度等数据，并通过物联网通信协议传送至云端进行处理。在云端利用大数据技术分析这些数据，并建立设备状态模型，实现对电力设备运行状态的实时监测[4]。

智能监测系统具备强大的诊断能力。通过分析历史数据，系统能够识别并预测潜在的故障，提前进行预防性维护。基于物联网的智能监测与诊断方法不仅能监测设备本身的健康状况，还能感知潜在的异常情况，如电流过载、温度升高等，并及时发出警报。这种实时的监测和诊断系统能够有效缩短电力设备的停机时间，提高电力系统的可用性和稳定性。

3 电力配网系统优化

3.1 负载均衡优化

电力配网系统的负载均衡优化是基于大量实时负载数据的智能决策过程。系统利用感知与监测技术实时采集各节点的电流、电压等电力参数，并将数据传输至云端；利用数据处理与存储技术，在云端建立全面的电力负载数据库。这些数据是系统精准把控电力负载状态的基础。

在实现负载均衡优化时，系统利用先进的算法，如动态规划或遗传算法等，深度分析负载数据。综合考虑各节点负载水平、实时电力需求和设备状态等因素，使系统能够智能地调整电力负载的分布。优化算法会基于历史数据和实时需求，动态地调整电力负载，使整个系统在不同负载条件下都能保持相对均衡[5]。例如，系统可以利用负载预测算法，提前调整各节点的电力分配，以适应未来某一时段的高峰负载。这种预测性的负载均衡优化能够有效降低系统的负载波动，提高系统运行的稳定性。通过实时监测并反馈数据，系统能够快速响应负载变化，以确保电力供应的连续性和可靠性。

3.2 能源管理优化

电力配网系统的能源管理优化是基于物联网技术的智能决策和监控过程。通过利用感知与监测技术，系统能实时获取各节点的能源产生与消耗数据，包括可再生能源、传统能源等。通信技术能够确保这些数据迅速、稳定地传输至中心管理系统。中心系统采用先进的数据处理与存储技术，建立了全面的能源管理数据库，以实现对电力配网系统的全面管理和优化。

在能源管理优化中，系统运用智能算法对能源数据进行深度分析，并综合考虑不同能源的产生周期、系统负载需求、环境等因素，使系统制定出合理的能源调度方案。电力配网系统能源监测结果如表1所示。

表1 电力配网系统能源监测结果 单位：kW·h

以2023 年9 月1 日为例，系统当天监测到的太阳能发电量为150 kW·h，风能发电量为120 kW·h，传统能源消耗为300 kW·h。系统可以在太阳能发电量充足时增加太阳能的利用比例，减少对传统能源的使用，以实现绿色、可持续的能源供应。这种智能的能源管理策略有助于提高能源利用效率，减少对传统能源的依赖，从而达到优化电力配网系统运行的目的。

3.3 安全性与可靠性优化

电力配网系统的安全性与可靠性优化是确保系统稳定运行和防范各类安全威胁的关键。通过应用物联网技术，系统可以实现全面的监测与管理。

在安全性方面，物联网技术通过实时监测配电设备和通信网络的状态，能及时发现潜在的安全隐患。例如，系统可通过感知技术检测异常温度、电流过载或短路等异常情况，并在事故发生前采取预防和解决措施。此外，可以利用高级加密算法和安全协议，确保通信数据的机密性和完整性，防范网络攻击和数据泄露。

在可靠性方面，系统可以利用物联网感知设备的实时状态监测功能，实现对电力设备的远程监控和故障诊断。当系统检测到设备异常时，能够及时发出警报并采取相应的应急措施，以提高系统的可靠性和响应速度。同时，引入智能自愈技术，使系统在检测到故障时能够迅速切换到备用设备，确保电力配网的连续稳定供电。

4 结 论

物联网技术的广泛应用为电力行业带来了巨大变革，在设计与优化智能电力配网系统中发挥着重要作用。通过应用感知与监测技术、通信技术、数据处理与存储技术等，成功构建了一个全面智能化的电力配网系统。文章设计的智能电力配网系统为电力行业提供了全新的解决方案，能够提高系统的智能化水平、运行效率、安全性及可靠性，为未来电力配网的发展奠定了坚实的基础。