面向智能电网的物联网络

面向智能电网的 物联 网络 华北电力大学通信技术研究所 孙毅 /webmoney 彭明盛：智慧的地球 智慧地球 智慧地球 IBM CEO彭明盛 :世界不仅正变得更小、更扁平，而且“更智慧”。 首先，高科技应用越发普遍；其次，世界将连为一体；最后，所有的事物都变得智能。 从互联网到 “ 物联网 ” (the Internet of things)时代，世界的智慧化将实现 “ 无所不在的连接 ” 。 /webmoney 奥巴马：“无畏的希望” 智能电网：奥巴马应对危机转败为胜的出路 利用美国在技术创新、资本市场和制度方面的优势重新夺回经济和技术的“制高点”； 在争夺全球气候变化斗争领导权和控制权上重建占据优势地位； 通过主导排放交易制度继续维持美元作为全球性主导货币的战略地位； 充分利用美国信息技术的优势地位，整合能源并延伸至工业、商业系统完成信息化社会建设。 和讯： IT产业的深度革命和能源革命将成为孪生兄弟， 智能电网改革将推动能源革命的深度裂变。 /webmoney 温总理：感知中国 随后，温总理又在政府工作报告中指出，中国要大力培育战略性新兴产业，并特别提出要加强 物联网 的研发应用。 “ 物联网 =传感器网络 +互联网 ” 2009年 8月，温总理指出，要尽快突破核心技术，把 传感技术 和 TD-SCDMA等通信技术的发展结合起来，尽快建立“ 感知中国 ” 中心； /webmoney 传感网 =物联网？ 传感器网络：是利用各种传感器 （光、电、温度、湿度、压力等）加上中低速的近距离无线通信技术构成一个独立的网络。 是由多个具有有线 /无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，它一般提供局域或小范围物与物之间的信息交换。是物联网末端采用的关键技术之一。 /webmoney 物联网：是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力或执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。其中末端网包括各种实现与物互联的技术，例如： 传感器网络、 RFID、二维码、短距离无线通信技术、移动通信模块等。 物联网是继电信网和互联网实现人与人通信之后，着重连接物理世界的应用及相关产业。 传感网 =物联网？ /webmoney 传感网 -物联网 -泛在网 泛在网（ Ubiquitous Network） ： 是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。 /webmoney 泛在网、物联网和传感网的关系 网络 关键设备和技术 对象 传感器网络 传感器、近距离无线通信 - 物联网 传感器、条形码、 RFID、二维码、摄像头、近距离无线通信 物 -物 物 -人 泛在网 PC、手机、传感器、条形码、RFID、二维码、摄像头、近距离无线通信 物 -物 物 -人 人 -人 /webmoney 泛在网发展的两个阶段 泛在网 泛在 协同 阶段 （泛在网） （物与物、物与人、 人与人 ） 泛在 物联 阶段 （物联网） （物与物、物与人 /webmoney 应用 互联 感知 标识 物联网应用的关键环节 标识：身份标识（ RFID、二维条码等）、位置标识（ GPS等） 感知：面向生产、生活等各种应用的传感器 互联：广泛的物物相联，低成本、低功耗、小型化 应用：由感知延伸出来的各种信息处理及应用 /webmoney 物联网技术体系 应用层 信息应用 智能电网 工业监控 智能交通 环境监测 应用支撑（信息处理）子层 信息开放平台 服务支撑平台 通信环境平台 公共中间件 网络层 电信网增强 云计算 资源和存储管理 异构网融合 远程控制 下一代承载网 M2M无线接入 移动通信网 互联网 感知/延伸层 组网技术 中间件 信息处理 无线 /有线传输 数据采集 二维条码 多媒体信息 RFID 传感器 网络层与感知 /延伸层互通公共 技术 业务需求 网络架构 标识解析 安全技术 QOS管理 网络管理 /webmoney 智能电网 利用信息技术和新能源技术对传统电网进行改造 风 能 接 入广 域 控 制变 电 自 动 化配 电 自 动 化A M I预 测 数 据实 时 数 据历 史 数 据数 据 和 应 用 集 成 电 力 市 场区 域 传 输 控 制配 网 控 制 中 心应用配 套 公 司数据集成数据传输C M M SG I SM M WE M SS C A D A P IC o n d . M o n i tA MO & MO M SF o r e c a s t i n gC I S信息采集电网系统/webmoney 面向智能电网的物联网解决方案 配电 变电 输电 信息 应用 信息 处理 信息 传输 感知 延伸 互动 线路 状态 视频 安全 气象 条件 一次 设备 二次 设备 潮流 分布 电能 质量 链式传感网 极端环境传感网 大规模传感网 电力宽带专用网（光纤 /宽带无线接入） +3G 电力综合信息平台数据库 导线 状态 分析 杆塔 状态 分析 气象 条件 分析 一次 设备 状态 分析 二次 设备 状态 分析 输电线路检修 变电站检修 用电 计量 考核 居民 用电 电能 调度 管理 电能 质量 控制 配电自动化 精细 用能 管理 信息 双向 互动 用户用电信息 计量管理 电 力 物 联 网 标 准 制 定 /webmoney （ 1）智能输电 /webmoney 面向输电线安全监控的传感器 /webmoney 面向输电线安全监控的链式传感网 TD-SCDMA McWiLL /webmoney 应用环境 环境因素 户外环境 气象因素 (温度、雨雪 )变化会引起通信质量的变化 电磁干扰 研究表明 ,高压输电线路对无线通信的干扰作用不明显 电流（ A） 通信距离（ M） 信号强度（ dBm） 接收成功率 1000 50 -70-75 100% 100 -92 45% 500 10 -45-50 100% 50 -73 100% 100 -93 45% IEEE 802.15.4在高压环境中的表现 表格摘自 Management of Existing Overhead Lines WG Meeting， July 29, 2009 /webmoney 挑战性问题 拓扑结构 链式拓扑结构 关键问题 关键节点或链路失效影响网络通信 距网关近的节点通信量大，容易发生碰撞和拥塞 太阳能电池供电，需要节能 /webmoney 研究 方案 基于动态功率控制的多径路由方法 每个传感器节点到网关至少有两条通信路径 使用动态功率控制，修复受损的链路或越过失效的节点 传感器节点通信范围传 感 器 节 点通 信 范 围 G传 感 器 节 点通 信 链 路G网 关/webmoney 研究 方案 基于事件驱动的多优先级拥塞控制机制 根据消息的紧急程度设定优先级 紧急事件发送优先于周期性数据 事件发生时 ,拥塞点发反向抑制报文抑制拥塞 23 2 131 33121 121323传 感 器 节 点3311 12132323333233322222 33 3333 2传 感 器 节 点优 先 级1 、 2 节 点 编 号报 文/webmoney 研究 方案 基于细粒度补偿的多跳时间同步 细化误差补偿周期 一 个 同 步 周 期时 间 源同 步 节 点细 粒 度 误 差 补 偿同 步 节 点一 个 粗 粒 度 补 偿 周 期粗 粒 度 误 差 补 偿一 个 细 粒 度 补 偿 周 期01 22 0 04 0 06 0 0同 步 周 期误 差（ u s ）多 跳 累 积 同 步 误 差 变 化粗 粒 度 补 偿01 22 0 04 0 06 0 0同 步 周 期误 差（ u s ）多 跳 累 积 同 步 误 差 变 化细 粒 度 补 偿/webmoney 智能输电传感网系统结构 T D - S C D M A 网 络气 象 信 息视 频 预 处 理通 信 模 块中 央 控 制 单 元数 据 采 集导 线 振 动 、 应 力 、温 度 信 息气 象 信 息 预 处 理 单 元覆 冰 厚 度 信 息传 感 器 网 络 传 感 器 网 络输 电 线 路 安 全 监 控 信 息 系 统视 频 图 像 信 息数 据 集 中 分 类覆 冰 检 测 预 处 理导 线 物 理 状 态 预 处 理/webmoney (2)智能变电站设备在线监测 监测对象 变压器 油色谱分析、油温、变压器铁芯接地、局部放电、变压器套管介质损耗等 断路器 六氟化硫气体监测、绝缘、断路器触头动作速度和行程等 避雷器 漏电流检测 U H F 局 部 放 电 监 测三 相 绝 缘 监 测 单 相 绝 缘 监 测光 纤 测 温/webmoney 主变：油色谱分析、油温、铁芯接地、局部放电、套管介损等 断路器： 局部放电、 SF6气体压力、泄漏、湿度等 氧化锌避雷器：阻性电流、总泄漏电流 变 电 站极端环境下的传感器网络 /webmoney 应用需求 注：性能指标参考 DLT630-1997 终端设备多、单台设备数量少、实时性要求不同 需求 应用 数据量 周期性 /突发性 方向性 时延 可靠性 备注 一次设备 1kbps 周期性 单向 3s以内 99.9% 二次设备 1kbps 周期性 单向 1s以内 99.9% /webmoney 恶劣的变电站环境 挑战性问题： 极端环境下保证网络传输的可靠性 遮挡屏蔽环境 高振动 高湿度 极限温度 -40+85 高电磁噪声 电动机、变频器等 对讲机 开关电火花 /webmoney 智能变电站传感网系统结构 T D - S C D M A 网 络气 象 信 息放 电 信 息 预 处 理通 信 模 块中 央 控 制 单 元数 据 采 集设 备 振 动 、 温 度 、绝 缘 性 信 息气 象 信 息 预 处 理 单 元设 备 、 电 缆 局部 放 电 信 息传 感 器 网 络 传 感 器 网 络变 电 设 备 在 线 监 控 信 息 系 统数 据 集 中 分 类设 备 物 理 状 态 信 息 预 处 理/webmoney (3)智能配、用电一体化 应用 监测对象 配电网电能质量的实时监测 台区变考核、防窃电 大用户远程负荷控制：实时远程拉合闸控制和网络预付费、用电信息远程发布应用 居民用户用电实时、精确计量，用电事件上报、告警 居民家电设备用电的精细管理与计量 智能电表 分时电价 即时电量计量 双向通信 电能质量监测 窃电检测 家电控制 远程升级 智能插座 智能断电 能耗计量 远程控制 安全保护 /webmoney 面向计量与用户交互的传感网 应用模式 TD-SCDMA McWiLL 水表 Water Meter 照明控制 Lighting Controls 暖通系统 HVAC System 居家显示器 In-Home Display 气表 Gas Meter 负荷系统 Load System Mesh网状网组网 Star/Tree/Mesh混合组网 信息发布 抄表 控制命令 电力宽带 通信网络 用电信息 用电信息 用电信息 用电信息 用电信息 用电信息 /webmoney 挑战性问题 单节点的成本很低，在资源受限的传感网中实现IPv6（轻载 IP V6） 8位处理器、 4K8K RAM 内外网隔离条件下实现与社会用户的感知与互动 /webmoney 智能配用电传感网系统结构 T D - S C D M A 网 络大 用 户 用 电 信 息计 量 大 用 户 电 能通 信 模 块中 央 控 制 单 元数 据 采 集配 电 网 分 布 信 息分 布 式 电 源 、储 能 设 备 状 态信 息传 感 器 网 络 传 感 器 网 络 配 电 设 备 状 态 和 用 电 监 控 信 息 系 统数 据 集 中 分 类 设 备 物 理 状 态 信 息 预 处 理/webmoney 智能电网感知互动平台 TD-SCDMA/ McWiLL 水表 Water