ITU-T Y.4221《基于物联网的电力基础设施监测系统要求》国际标准分析研究

摘 要： ITU-T Y.4221《基于物联网的电力基础设施监测系统要求》国际标准于2024年7月由ITU-T SG20正式发布，该项国际标准为维护电力基础设施监测系统提供指南。本文重点介绍了ITU-T Y.4221国际标准的总体框架，阐释了关键术语和定义，并对重点技术内容进行了研究分析，旨在使我国组织更好地理解ITU-T Y.4221国际标准的核心思想与技术要旨，从而有助于相关组织依据ITU-T Y.4221国际标准所提供的指南方法在其电力基础设施监测系统的设计和开发活动中有效引入物联网技术，从而在电力基础设施运行过程中更好地提高系统的可靠性和安全性，实现更加高效、智能的电力系统管理。

关键词：电力基础设施，物联网，基于物联网的电力基础设施监测系统

1 国际标准制定的背景和意义

智慧电网是智慧城市的重要组成部分，电网的安全稳定运行与人类的生产生活息息相关。尽管全球大多数国家的电网调度能力越来越强，但电力基础设施自身故障（发热、水灾、火灾、老化等）或外部原因（雷击、地震、覆冰、外力破坏等）等导致的停电事故仍时有发生。例如：2019年阿根廷、巴拉圭、乌拉圭大停电，2019年7月美国曼哈顿大停电，2008年湖南省大停电，其他小规模停电事故不胜枚举。

因此，监测电力基础设施的健康状况至关重要。在ITU-T Y.4221《基于物联网的电力基础设施监测系统要求》中，电力基础设施指的是从发电机到电网的各种关键电力设备，电力基础设施按其功能可分为发电基础设施、变电基础设施、输电基础设施和配电基础设施。电力基础设施结构复杂且数量众多，需要不同的专业人员进行日常维护。一般来说，电力基础设施的日常维护是通过专业人员的定期检查来实现的，如果在检查中发现任何损坏或异常，应立即进行诊断测试和应急措施，以确保电力基础设施的健康，从而确保整个电力系统的安全稳定运行。然而，该维护工作需要高度的经验积累和专业知识，需要配置和培训大量专业人才。

为解决电力基础设施状态监测问题，国内外电力企业均开始逐步建设和使用基于物联网的电力基础设施监测系统，实现对电力基础设施健康状态的实时监测。利用物联网技术，将发电基础设施、变电基础设施、输电基础设施、配电基础设施的健康数据纵向打通，形成电力基础设施健康状态的智慧感知。通过精准获取电力基础设施的温度、湿度、形变、绝缘、火灾、安全等健康状态重要数据，实现电力基础设施的数字化管理，为运维人员实时提供可靠信息，提高设备诊断的效率和准确性，使现场运维人员能够快速制定有针对性的维修或更换计划。同时，可利用数据进行大数据分析，对电力基础设施的健康状态进行分析和预测，为运维人员提供辅助决策。

但由于电网安全的特殊性，该系统对信息通信技术（ICT）有特殊要求，因此需要明确基于物联网的电力基础设施监测系统的参考模型、通用要求、传感设备要求、网关设备要求、IoT管理平台要求、数据平台、网络要求、安全要求等。

正是基于上述考虑，GB/T 40287-2021规定了电力物联网的参考体系架构，明确了物理实体域、感知控制域、服务提供域、用户域、运维管控域和资源交换域6个域及其相互关系，为构建统一且互操作性强的电力物联网提供了标准化指导[3]。为了进一步规范基于物联网的电力基础设施监测系统的设计、开发和应用，国际电信联盟物联网与智慧城市和社区研究组（ITU-T SG20）于2020年11月正式立项、2024年7月正式发布了ITU-TY.4221《Requirements of IoT-based electric powerinfrastructure monitoring systems》国际标准。该项国际标准是为了规范基于物联网的电力基础设施监测系统的设计、开发和应用，促进其健康发展。该标准规定了基于物联网的电力基础设施监测系统的参考模型、设备要求、数据传输、安全管理等方面的要求，为相关组织和人员提供了指导，有助于提高电力基础设施的维护水平，保障电力系统的安全稳定运行。

2 关键术语和定义

ITU-T Y.4221国际标准共界定了20条术语和定义，包括：8条“与电力系统及其运行有关的术语”、12条“与信息通信技术及其应用有关的术语”。这些术语和定义的来源文件包括：IEC60050-601、60050-605、IEC 60050-826、ITU-TY.4000、ITU-T Y.4113。

其中，“电力系统electric power system”是指为发电、输电和配电目的而提供的所有装置和设施。“电力设备electric equipment”是指用于产生、转换、输送、分配或利用电能等目的的物品，例如：电机、变压器、开关设备和控制设备、测量仪器、保护装置、线路系统、用电设备。“物联网Internet of Things（IoT）”是指信息社会的一种全球基础设施，基于现有的和正在出现的、可互操作的信息通信技术，实现（物理和虚拟）之物的相互连接，以提供先进的服务。“IoT区域网络IoT areanetwork”是指通过本地连接而实现互连的IoT设备和网关组成的网络。

3 核心技术内容

ITU-T Y.4221国际标准共包括7章和1个用例附录。除了第1章范围、第2章参考文件、第3章术语和定义、第4章缩写词和首字母缩略语、第5章惯例之外，第6～7章阐述了基于物联网的电力基础设施监测系统（IoT-EPIMS）的概念、组成部分和要求，为构建和维护电力基础设施提供了全面的指导。

其中，第6章概述了基于物联网的电力基础设施监测系统（IoT-EPIMS）的概念、特征和参考模型，为构建和维护电力基础设施提供了框架。第7章详细规定了IoT-EPIMS各组成部分的具体要求，包括传感设备、IoT区域网络、网关设备、广域网、IoT管理平台、数据平台和安全等，为系统设计和实施提供了详细指南。附录I提供了变电站中IoT-EPIMS的用例，展示了其在实际电力场景中的案例和应用效果。

3.1 IoT-EPIMS概述

3.1.1 IoT-EPIMS介绍

在电力系统中，电力基础设施（EPI）可用于4个过程，即发电、变电、输电和配电[2]。在每个过程中，EPI都很复杂且数量众多，需要进行日常维护和管理。EPI的传统维护由专业人士进行定期实地检查和诊断。如果在检查中发现任何损坏或异常，则应立即采取缓解措施，以确保EPI正常运行，从而确保整个电力系统的安全稳定运行。这项工作需要大量人力以及丰富的经验和专业知识[1]。

基于物联网的电力基础设施监测系统（IoTEPIMS）使用物联网设备来收集电力系统中EPI的运行健康数据。通过跟踪和分析EPI运行状况的变化，电力运维人员可以主动维护设备和电力系统的安全稳定运行。可用于评估EPI运行状况的指标主要包括温度、湿度、形变、绝缘、防火和安全等。

3.1.2 IoT-EPIMS参考模型

ITU-T Y.4221标准中定义的架构与国内DL/T2459-2021标准中关于电力物联网层级架构保持一致，为构建统一且互操作性强的电力物联网提供了标准化指导[4]。

IoT-EPIMS负责收集和处理EPI的运行健康数据，并将数据传输给负责EPI运行和维护的应用程序和人员。IoT-EPIMS具有以下3个主要特征。

（1）IoT-EPIMS的数据量特别大。在电力系统的4个过程中，都存在大量复杂的EPI。因此，在长期的运行过程中，需要不断地采集、传输和处理大量数据。

（2）IoT-EPIMS有高可靠性和实时要求。EPI的监测数据与电力系统的运行状态密切相关。为了确保电力系统的可靠运行，要求IoT-EPIMS确保数据采集精确和实时数据传输。

（3）IoT-EPIMS对网络安全和数据安全保护要求很高。EPI的大部分监测数据都包含敏感信息，因此IoT-EPIMS需要使用安全保护措施，确保敏感信息不被泄露。

I o T - E P I M S包括传感设备、I o T区域网络（IAN）、网关设备、广域网（WAN）、IoT管理平台和数据平台。图1中的虚线框，即管理应用程序、数据应用程序和EPI本身，不属于IoT-EPIMS的组成部分。应该注意的是，虽然广域网的所有权可能属于电信运营商，但IoT-EPIMS对广域网有特殊要求。

ITU-T Y.4221国际标准所提供的IoT-EPIMS和相关组成部分的参考模型如图1所示。

需要注意的是，ITU-T Y.4221国际标准强调了以下4个重要方面。

（1）在电力系统中，通过传感设备测量的物理属性包括但不限于温度、湿度、变形、电流、电压、功率、风向、风速和气压；

（2）对于电力系统内的4个过程中的每一过程，EPI和相应的传感装置的要求是独特的；

（3）IoT管理平台主要处理物联网管理信息系统中的静态数据，如：2个平台、WAN、网关设备、IAN或传感设备的配置。管理应用程序指但不限于IoT设备的远程管理、维护和控制。这些功能在电力系统中是必不可少的，通常提供给电力供应商。管理应用程序通常根据具体需求来开发，可以通过调用IoT管理平台提供的应用编程接口（API）来实现；

（4）数据平台主要处理从IoT-EPIMS的传感设备收集的动态数据，如：变压器的状态数据。数据应用是指但不限于EPI的运行健康和故障监测、缺陷分析和辅助决策（如：EPI是否需要维修、更换或报废的辅助决策）。数据应用通常是根据具体需求开发的，可以通过调用数据平台提供的API实现。

3.2 IoT-EPIMS要求

ITU-T Y.4221国际标准阐述了IoT-EPIMS的各个组成部分的具体要求，确保系统能够有效、可靠地收集、传输和处理电力基础设施的运行健康状况信息，从而实现电力系统的安全稳定运行。ITU-TY.4221国际标准第7章分为8个部分，分别针对整体、传感、IoT区域网络、网关设备、广域网、IoT管理平台、数据平台和安全方面提出了具体要求。

3.2.1 一般要求

IoT-EPIMS的一般要求见表1。

3.2.2 传感要求

对于4个过程中的EPI，使用了大量的传感设备。因此IoT-EPIMS的传感要求分为4个过程进行规范，详见表2。

3.2.3 IoT区域网络要求

IoT-EPIMS的IoT区域网络要求见表3。

3.2.4 网关设备要求

IoT-EPIMS的网关设备要求见表4。

3.2.5 广域网要求

IoT-EPIMS的广域网要求见表5。

3.2.6 IoT管理平台要求

IoT-EPIMS的IoT管理平台要求见表6。

3.2.7 数据平台要求

IoT-EPIMS的数据平台要求见表7。

3.2.8 安全要求

IoT-EPIMS的安全包括设备安全、数据安全和系统安全。IoT-EPIMS的安全要求见表8。

4 结 论

在电力基础设施监测管理中，物联网（IoT）技术及其标准的应用为电力系统的智能化运维与整体安全稳定提升提供了坚实的技术基础。通过加强实时数据采集与智能分析，电力企业可以更加高效地管理关键电力资产，优化资源配置，降低运营成本，并提升在智能电网和智慧城市领域的竞争力。此外，物联网技术也有助于组织更好地应对新型电力系统发展要求、促进节能减排、并在整体上提升电力系统运营的可靠性、安全性和经济性。

ITU-T Y.4221国际标准为物联网技术在电力基础设施监测系统中的应用提供了全面指南。作为全球标准体系的重要组成部分，该标准与其他相关标准（如：IEC 61850、GB/T 40287等）共同构成了企业在电力行业中应用物联网技术的实践基础。ITU-T Y.4221标准将物联网技术的优势整合到电力基础设施监测管理中，从而使电力基础设施的运行监测和维护更加清晰化、系统化、精细化。及时推广ITU-T Y.4221标准，不仅能有效促进我国电力行业在物联网应用中的技术进步，也将为各国电力企业在相关系统设计、开发和运营中提供科学、规范的技术指导，使其在实施物联网技术时具备更强的标准化和适应性。在此基础上，各国电力企业将能够更加科学有效地提高电力系统及其关键设施的可靠性、安全性，并在全球能源转型与可持续发展中发挥更大作用。

参考文献

[1]国际电信联盟. ITU-T Y.4221： 2024 [S/OL]. [2024-08-16]. https：//www.itu.int/itu-t/recommendations/rec.aspx？id=15475.

[2]国际电工委员会. IEC 60050-601：1985[S/OL]. [2024-08-16]. https：//webstore.iec.ch/en/publication/224.

[3]GB/T 40287-2021，电力物联网信息通信总体架构[S].

[4]DL/T 2459-2021，电力物联网体系架构与功能[S].