基于物联网技术的智能电网系统分析.doc

基于物联网技术的智能电网系统分析刘 丙 午， 周鸿（北京物资学院， 北京市 101149）摘 要：智能电网将信息技术、通信技术、计算机技术与原有的输配电基础设施高度集成形成新型电网，具有提高能源效率、减少对环境的影响、提高供电安全性和可靠性、减少输电网电能损耗等优点。 智能电网的关键技术 涉及诸多领域，而物联网技术是电网智能化的重要基础。 物联网作为智能电网末梢信息感知层、通信层的基础环 节，在电力系统中具有广泛应用，物联网技术与智能电网的渗透与融合，将给未来电网带来更大的经济和社会效 益。 应建设包含电网设备感知、网络通信、数据融合、应用平台四个层次的智能电力物联网一体化管理平台，实现 完整的智能电网运营管理体系，物联网信息支撑体系应通过对电网基础信息分层分级的集成与整合，达到信息的 纵向贯通与横向集成，为智能电网提供可靠的信息支撑。关键词：智能电网；物联网；体系结构；射频识别中图分类号：F252.24文献标识码：A文章编号：10078266（2013）02006707一、引言体的沟通和对话，也可以实现物体与物体之间的沟通和对话，同时进行数据与信息的交换和通信，智能电网 1 、 2 是将信息技术、通信技术、计算机技术与原有输配电基础设施高度集成而形成的 新型电网，具有提高能源效率、减少对环境的影 响、提高供电安全性与可靠性、减少输电网电能损 耗等很多优点。智能电网的关键技术 3 涉及诸多 领域，其中物联网技术就是其核心技术之一，是其 实现智能化的基础，贯穿发电、输电、变电、配电、 用电、调度六大应用环节。智能电网的智能体现在 可观测性、可控制性、分布式智能、高级分析、自适 应性、自愈性等方面，其各方面的实现都有赖于物 联网技术。物联网 4 （ Internet of Things）指借助装置在各 类物体上的电子标签（RFID）、红外感应器、全球定 位系统（GPS）和二维码等设备，通过接口与无线网 络相连，从而给物体赋予智能，既可以实现人与物以实现对物品的识别、定位、跟踪、监控、管理等一系列智能化活动的网络。物联网的应用领域从面向企业的智能交通、物流调度追踪、基站监控等扩展到了面向公众的智能电网、个人医疗、智能家居等，遍及各行各业，但目前还处于起步阶段，尚未大规模普及。物联网产业覆盖了传感感知、传输通道、运算处理、行业 应用等领域，其中涉及射频识别、传感器、无线网 络传输、高性能计算、智能控制等技术。在智能电 网行业中，无处不在利用物联网技术、网络和设备 来实现电网的智能化，它们之间早已实现了相互 融合与渗透。物联网的产业化发展将大力推动智 能电网的发展，智能电网行业现已被公认为物联 网产业化发展落到实际应用最能取得成功的优先 行业之一扩展性强的物联网体系架构。面向智能电网应用智能电网的物联网应用功能需求 7 主要的物联网主要可分为感知层、网络层和应用服务在发、输、变、配、用等电力生产运行的各个环层。感知层主要通过传感器、射频识别等技术手如在输电环节，在输电线路监控、杆塔防护、段，实现对相关信息的采集；网络层依托电力信息通信网，实现感知层各类电力信息的传输；应用服务层主要采用智能计算、模糊识别等技术实现电能网市理色业业控程疗能业能通境测网信息的综合分析与处理，实现智能化的决策、控制与服务。物联网的总体技术架构如图 1 所示。数据采集层主要由二维码标签和识读器、射频识别标签和读写器、摄像头、传感器、全球定位系统以及传感器网关、传感器网络等设备和技术组成。这一层由各种类型的采集和控制模块组成，业家 统平平平平计平主要功能是完成物联网应用的信息感知、数据采集与设施控制，是物联网的重要基础。依靠物联网建立的数量庞大的终端传感器等采集设备，运维管理人员可以从发、输、配电侧到用电侧的各类设备上采集所需的数据信息。GPS传感器M2M电网信息交换层首先要基于物联网的网络和通信标签头器技术，如移动通信网、互联网等，是各种通信网络与互联网融合形成的网络，包括信息中心、物联网图 1物联网技术体系架构管理中心、专家系统、云计算平台等负责对海量信摄传RFID像感智能 网络北斗 终端网关智城绿工远智智环 电管农监医农交监云计算业务：云计算资源：SaaS/PaaS/LaaS计算能力/存储能力物联网信息中编 业 计 鉴 心（算法库、信码 务 费 权行云息库、样本库）台 台 台 台专算系 有线接入：无线接入：台PON/xDSL2G/3G/LTE/WLAN变电站等方面有着广泛的应用功能需求。智能电网的功能需求大致如表 1 所示。本文在分析智能 电网系统功能时，主要从用户侧的智能用电、电网 电力设备监测、电网公司智能化运营监测平台三 个角度入手。1 智能用电系统的基础应用功能需求在智能用电方面， 8 用电信息采集（AMI）基础 设施平台包含主站、通信信道、采集终端、电表及辅助设备四大组成部分，在智能电表等终端设备 与电网公司之间提供一种自动双向流通的系统架 构。该系统支持实时采集、计量、分析用户用电情况，并通过通信层允许数据上传和下发。在用电信 息采集平台的功能需求中，主要包括传输层和应 用层两个部分。其中，传输层主要是从电力公司各单位到用户家中智能电表的数据双向传输，确保 数据传输的正确性、及时性、可靠性等功能需求； 应用层主要关注对全网范围内计量数据的采集、监控和控制，电网公司通过对计量数据的分析，可 以及时了解分析售出电能的使用情况，同时又可 确保电网可靠、安全的输配电方案，实现远程智能 抄表计量计费、远程电路通断控制、线路损耗监测管理、盗电监测、高频数据采集与分布。在能源接入需求方面，智能电网应该能够让 可再生能源发电等新类型电力入网，比如分布式 发电的入网。供电源彼此独立且相对不好预测，要 求配电网从被动式单向网络演进为从多个方向主 动管理电流的系统。借助物联网技术在智能电网 中的应用，可通过信息共享及时预测分布式电源 功率的变化，从而确保分布式电源的出力保持在 控制范围之内，满足智能电网调度系统的需要。在输配电调度需求方面，需要通过物联网技 术掌握遍布电网的传感器，及时感知电网内部运 行情况，将全局系统电能损耗情况反馈给调度系 统，并辅助调度人员对系统运行方式进行调度，在 保证安全的前提下优化网络运行。在智能用电家居需求方面，要求实现智能用 电双向交互服务、用电信息采集、家居智能化、家 庭能效管理、分布式电源接入、电动汽车充放电等 功能，实现用户与电网的双向互动，提高供电可靠 性与用电效率以及为节能减排提供技术保障。这 方面可通过在电网设施中设置传感器与射频识别 装置，实时感知当前电网内的能源供给状态。同表 1智能电网各环节的业务功能需求时，可以通过在各种家用电器中内嵌智能采集模块和通信模块，实现家用电器的智能化与网络化。通过在家庭中安装门磁报警、窗磁报警、红外报警、可燃气体泄漏监测、有害气体监测等传感器，实现家庭安全防护；通过应用无线、电力线载波技术，实现水、电、气表自动抄收；通过光纤复合低压 电缆、电力线载波以及智能交互终端，实现用户与 电网的交互。2 电力设备状态监测是实现智能电网的关键需求在输变电设备状态监测 9 方面，智能电网对 输变电设备运维与管控提出了新要求，以状态可 视化、管控虚拟化、平台集约化、信息互动化为目 标，实现设备运行状态可观测、生产全过程可监 控、风险可预警的智能化信息系统。功能需求包括 如下方面：电网系统级的全景实时状态监测、电网 设备全寿命周期状态检修、基于态势的最优化灵 活运行方式、及时可靠的运行预警、实时在线仿真 与辅助决策支持、电网装备持续改进等。输电线路 状态在线监测是物联网重要的应用之一，利用物 联网技术可以提高对输电线路运行状况的感知能 力，可监测的内容主要包括：气象条件、覆冰、导地 线微风振动、导线温度与弧垂、输电线路风偏、铁 塔倾斜、污秽度等。设备监测不仅包含电网装备的 状态信息，如设备健康状态、设备运行曲线等，还应用环节功能需求说明发电机组监控、电厂设备状态检测、厂区监控、污染 物及气体排放监控、能耗监控、煤料监控、抽水 蓄能监控、风电场监控、功率预测、光伏发电站 监控、生物质发电、储能监控、电源接入输电线路状态检测、输电线路监控、杆塔防护、智能 变电站、状态监测、作业与设备管理变电实现智能巡检，高压电气设备状态感知配电配电自动化、电力运行状态预警，可视化现场 作业管理，智能化的设备管理，电力设施防护 防盗预警，智能化的线路及设备巡视用电智能用电信息采集、智能用电、智能家居、智能 表计及高级量测、多网融合、电动汽车及充电、 能效监测与管理、电力需求侧管理、实现信息 化网络的融合，降低线损、节能减排、优化能源 应用调度智能化运营监测、资源统一分配调度、分布式 电源智能化调度、需求侧互动操作对调度的影 响应关系如表 2 所示。基于物联网的智能电网存储设备之间的物联网，通过感知温度、湿度等的主要涉及参数量测、智能电网通信、云计算、变化，实现机房自动化管理，支持容灾切换与应急调度和信息安全、分布式能源接入等。1 参数量测技术响应，建立智能化的运维监控体系，从而保障信息化基础设施的优化配置与高效运行。智能化运营参数量测技术是智能电网基本的组成部监控平台主要包括以下几个方面：先进的参数量测技术获得数据并转换成数息，供智能电网各个方面使用。参数量测技术 应用了物联网的感知技术，如电子标签用于 集的信息进行标准化标识，数据采集和设备 通过射频识别读写器、二维码识读器等实现。（1）信息化运营监控子平台。在发、输、变、配、用等电力生产运行的各个环节，构建智能变电站与智能电网调度技术，支持系统利用传感器对数据进行采集和传输，对电厂生产设备进行监控。如发电厂基础建设、分布式电厂监控、厂区污染物监据采集和处理阶段，主要是采用各类传感器技控及气体排放监控、能耗监控、煤料监控、抽水蓄射频识别技术以及二维码等信息采集技术，品进行数据采集，之后接收上层传递过来的 信号，产生响应，进而完成相应的动作，对信 行处理。它们评估电网设备健康状况和电网 性，进行表计读取、电费评估、防止窃电、缓减 阻塞以及与用户沟通。2 智能电网通信技术建立高速、双向、实时、集成的通信系统 现智能电网的基础。适用于智能电网的通信应具备双向性、实时性、可靠性等特征。基于能监控、风电厂监控、功率预测、储能监控等，通过电厂生产监控系统，协助电厂从定时的人工监控转变为全时的自动监控。在现场作业人员的调动指挥方面，应进行身份识别、电子工作票管理、环境信息监测、远程监控。在电力巡检管理方面，利用射频识别技术、全球定位系统、地理信息系统及无线通信网，对设备运行环境及运行状态进行信息化监测。（2）智能化精益资产管理。在生产运维方面，有设备巡检、设备防盗、异常监测等需求，可通过结构（SOA）等概念混合演进的计算方法，主要用于智能电网异构资源的集 成与管理、海量电网数据的分布式存 储与管理、快速的电力系统并行计算 与分析等。4 智能电网调度和信息安全技术 智能调度是智能电网建设中重要 的环节，而智能电网调度决策支持系统是智能调度研究与建设的核心，是 提升调度系统资源优化配置能力、智 能化决策能力、灵活高效调控能力的技术基础。在智能调度技术中，还包含 信息系统平台技术，智能电网中的信 息系统平台主要包括采集与处理、分析、集成、显示、信息安全等电网全方 位监测体系。电网公司信息管理平台 应覆盖财务、营销、安全生产、协同办公、物资、项目管理等所有环节的业务 管理和应用。智能电网的信息安全主要涉及智表 2物联网技术在智能电网建设中的应用家系统、人工智能能电网应用的物联网接入网关技术、物联网异构系统通信协议转换及传感节点安全接入技术、物联网信息安全网有多种技术可供选择，它们主要可分为有线和无线技术两大类。其中，有线技术包括数字用户线 路（DSL）、无源光纤网络（PON ）等；无线技术包括 码分多址移动通信技术（CDMA）、通用分组无线服 务技术（GPRS）、无线局域网络（WLAN）等，这些技 术均已相对成熟。在物联网的实现过程中，无线传 感网技术格外重要，无线传感网是由大量多种类 传感器节点（集传感、采集、处理、收发、网络于一 体）组成自治的无线网络，它能实时、动态获得物 理世界的传感信息，并将相关信息与通信主干网 融合，可全方位提高智能电网各环节的信息感知 深度。3 云计算技术电网具有规模大、模型复杂、多级、多层次等 显著特点。特别是随着太阳能、风能、水能等可再生能源逐渐接入电网以及分布式能源技术的不断 发展，电网的规模将更大，复杂性将更高，分布将 更广。云计算 12 是分布式计算、并行计算和网格计算的发展，是虚拟化、效用计算、面向服务的体系接入平台总体技术架构等方面。5 分布式能源接入技术分布式能源包括小水电、风力发电、太阳能电 源、微型透平、燃料电池和储能装置（如飞轮、超级 电容器、钠硫蓄电池）等，智能电网的核心在于构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统 一入网和分布式管理的智能化网络系统。它可对 电网与用户用电信息进行实时监控和采集，以最经济、最安全的输配电方式将电能输送给终端用 户，实现电能的最优配置与利用，提高电网运营的 可靠性与能源利用的效率。五、基于物联网的智能电网体系结构建设智能电力物联网一体化管理平台是实现完整智能电网运营管理体系的最终目标，该平台 的体系结构包含四个层次，即电网设备感知层、网 络通信层、数据融合层、应用平台层。物联网的信 息支撑体系 13 通过对电网基础信息分层分级的集典型应用智能电网物联网技术数 据 采 集 与 控制、用电信 息监控低压居民电能量信息采集与控 制处理、能效监测与管理、负荷 控制、电力需求侧管理无线传感器网络、电能量 采集技术、电力线通信技 术、控制技术、云计算技术电 力 设 备 监 测、人员身份 识别机组监控、电厂设备状态检测、 厂区监控、重要设备通过身份识 别技术避免他人误操作或恶意 操作射频识别、身份认证识别 技术、人工智能与控制电力线路、设 备 巡 检 与 运 行管理线路状态检测、输电线路监控、 杆塔防护等运行状态监控，巡检 中设备定位及电子档案标识调 用，GIS 电力网分布地理信息系统、射频识别、 传感测量、无线通信技术 以及数据挖掘系 统 智 能 化 运营监测电网系统级的全景实时状态监 测，医院、院校等关键节点电力 应急供应与智能化电能调度电能量采集控制、智能调 度、决策支持系统、全球定 位系统、地理信息系统状 态 监 测 与 节能接入掌握遍布电网的传感器，及时感 知电网内部的运行情况，控制发 动机、电动机、继电器等，可再生 能源等新类型电力入网射频识别、智能调度、专家 系统、分布式电源接入物 资 统 一 调 配与管理电网资产追踪、定位，从而避免 丢失；电力物资配送；库存管理 信息化、自动化射频识别、短距离无线传 输技术（Zigbee 等）、信息处 理技术设 备 突 发 性 事 件 与 应 急 联动过负荷、变压器油温过高等突发 性事件监控，设备出现意外时自 动调用应急预案传感器技术、通信技术、专灾 难 应 急 恢 复 与 辅 助 决 策支持电网/通信网故障的自诊断和自 愈；快速定位故障现场，规划路 径，提供辅助预案，开展抢修云计算技术、传感器测量 技术、专家系统、人工智能本文从物联网的信息采集、信息交换、应几个层面入手，具体分析了物联网的关键技络。第三，数据融合层。利用云计算等各种数据融门户：（含信息查询、邮件收发、短信收发）用户访问层智电应层数融层传感器网络、Zigbee、GPS、GPRS、WAN/LAN 等网络基础设施网络通信层电设感层图 2 基于物联网的智能电网体系结构图电网RFID 标签 摄像头数据 设备传感器二维标签采集现场作 业人员智能 家居发电 设备输配电 设备变电调 度设备监测报 警设备计量 表计智能表 供需平 自动电 电网监 分布式 物资调 灾难应 电厂生 电力设 电网设 业务应 决策 计应用 衡控制 能分配 测预警 能源 配与管 急恢复 产监控 备巡检 备监测 用信息 支持 系统 系统 系统 系统 接入 理 系统 系统 系统 系统 系统 系统基础数据 数据交换平台海量数据管理、据交换总线设备 状态电网 工况SCADA数据EMS数据TMR数据其他 数据分布式存储系统空间数据 引擎GIS 电力网分布地图发布服务云 计算平台 数技术体系架构，对用户侧的智能用电、电力系统侧的设备监测、智能化运营监控等方面进行了详细 的需求分析，结合物联网技术，对参数量测技术、 通信技术、云计算技术、智能电网调度和信息安全 技术、分布式能源接入技术等进行了详细分析与 研究，提出了包括电网设备感知层、网络通信层、 数据融合层、应用平台层四个层次的智能电网应 用技术体系架构。物联网作为智能电网末梢信息 感知层和通信层的基础环节，在电力系统中具有 广阔的应用前景，物联网已经渗透到了电力输送 的各个环节，在电网建设、生产管理、运行维护、信 息采集、安全监控、计量应用、用户交互等方面有 着十分广泛的应用，未来物联网技术应与智能电 网进行更多的渗透与融合，给未来电网带来更大 的经济效益和社会效益。本文系北京市自然科学基金重点项目 （B 类）“基于 物 联 网 技 术 的 智 能 物 流 系 统 研 究 ”（ 项 目 编 号 ： KJ201210037037）、北京市属高等学校创新团队建设与教师 职业发展计划项目（项目编号：IDHT20130517）的部分研究 成果。4刘化君.物联网体系结构研究J.中国新通信，2010（9）：17-21. 5刘志硕，魏凤，柴跃廷，沈喜生.我国物联网的体系架构研究J.物流技术，2010（7）：1-3.6李如年.基于 RFID 技术的物联网研究J.中国电子科 学研究院学报，2009（6）：594-596.7RICHARD D.，CHERRY T.Standards for the Smart Grid C.Proceedings of IEEE Energy2030Conference，Novem ber，17-18，2008：1-7.8虞斐，孔繁虹，许哲雄.智能电网下的新型能源管理 系统设计方案J.华东电力，2009（7）：1175-1177.9龚钢军，孙毅，蔡明明，吴润泽，唐良瑞.面向智能电网的物联网架构与应用方案研究J.电力系统保护与控制，2011（10）：52-57.10马韬韬，李珂，朱少华，郑晓，郭创新，李乐.智能电 网信息和通信技术关键问题探讨J.电力自动化设备，2010（5）：87-90.11张文亮，刘壮志，王明俊，杨旭升.智能电网的研究 进展及发展趋势J.电网技术，2009（13）：1-11.12王德文，宋亚奇，朱永利.基于云计算的智能电网信 息平台J.电力系统自动化，2010，34（22）：7-12.13萧展辉.面向智能电网的物联网应用体系建设J.广 东电力，2012（8）：1-5.作者简介刘丙午（1956-），男，河北省文安县人，北京参考文献：1 余贻鑫，栾文鹏. 智能电网 J. 电网与清洁能源，2009，25（1）：7-11.2谢开，刘永奇，朱治中.面向未来的智能电网J.中国 电力，2008，41（6）：19-22.3陈树勇，宋书芳，李兰欣.智能电网技术综述J.电网 技术，2009，33（8）：1-7.物资学院研究生部主任，教授，主要研究方向为信息管理、物联网技术；周鸿（1979-），男，江西省九江市人，北京物资学院信息学院教师，博士，硕士生导师，主要研究方向为物 流信息化、技术监测。责任编辑：陈静Analysis and Research ofSmart Grid System Basedon Internet of ThingsLIU Bing-wu and Zhou Hong（Beijing Wuzi Univer