智能配电网与物联网的融合

摘 要：介绍了物联网和智能配电网的相关概念，并根据国内物联网的研究现状和智能配电网的智能化、自动化、互动性等需求，提出了面向智能配电网的物联网技术模型和应用参考，该模型可以促进智能配电网与物联网的相互渗透和深度融合。最后展望了面向智能配电网的物联网技术的发展前景。

关键词：物联网；智能配电网；电网融合；射频识别

中图分类号：TM727文献标识码：A文章编号：2095-1302(2011)08-0031-05

近年来，智能配电网与物联网的概念不断升温，许多与智能配电网相融合的新技术也不断被提出，其中包括面向智能配电网的物联网(Internet of Things)技术的问世等。智能配电网与物联网的融合作为一种具有极高战略意义的新型产业技术，被世界各国高度重视，我国也将物联网、智能配电网列为国家战略，并全面部署了众多重大科技项目、示范工程的建设\[1\]。在智能配电网的研究方面，许多文献针对电力行业的信息化现状以及智能配电网趋势进行了差异比对和分析，提出了构建中国智能配电网技术的方向\[2-3\]。在物联网研究方面，学者们也逐步从综述物联网国内外发展现状入手\[4\]，来设计中国物联网的体系架构，并针对物联网关键技术—RFID射频识别及典型应用M2M ( Machine to Machine)提出了各种设计方法\[5-6\]。物联网技术在智能配电网中的应用是网络技术发展到一定程度的必然产物，该技术的应用，能有效地对电力系统基础设施和资源进行整合，进而提高电力系统的通信水平，改善当前电力系统基础设施的利用率\[7\]。

1 物联网与智能配电网

1.1 物联网的概念与特征

麻省理工学院的Auto-ID 实验室1999 年最早提出“物联网”的概念，它对物联网的定义是：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。最初提出的“物联网”理念是指通过装置在各类物体上的电子标签，传感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。这种将物体联接起来的网络被称为“物联网”\[8\]。欧盟第7框架下 RFID和物联网研究项目组在2009年9月15日发布的研究报告中定义为：物联网是未来互联网的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和可互操作的通信协议，且具有自定义能力的、动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”都有标识、物理属性和实质上的个性，可使用智能接口实现与信息网络的无缝整合。物联网是指“物物相连的互联网”，通过传感器、射频识别、全球定位系统等技术来采集任何被测物的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息，并通过各类可能的网络接入，以实现物与物、物与人的广泛连接，从而实现被测物的智能化感知、识别、交互和管理。物联网可应用于军事、智能交通、智能配电网、数字家庭、食品安全、旅游服务、城市公共管理、现代物流、生产制造、医疗健康等多个领域。

物联网的核心是物与物及人与物之间的信息通信。故而物联网的基本特征可概括为以下三点：

首先是可感知。通过射频识别(RFID)、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术对物体进行实时信息收集和获取。

其次是可互联。先将物体接入信息网络，再借助各种通信网络(如因特网等)来可靠地进行信息的实时通信和共享。

第三是智能化。通过各种智能计算技术来对获取的海量数据信息进行分析和处理，从而实现智能化决策和控制。

1.2 智能配电网的特征

2006年，智能配电网的概念正式由IBM公司提出。它以物理电网为基础，是在高速双向通信网络和先进数字技术的基础上，将传感测量技术、通信技术、信息化技术、控制技术、设备互动技术、决策支持系统技术、计算机技术和物理电网高度集成而形成的新兴网络。它可以通过电子终端在独立用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现电力数据读取的实时、高速、双向的通信效果，并实现电力、电信、电视、智能家电控制等多用途数字交互，同时可实现用户富余电能的回售等功能。智能配电网整合了系统数据，发挥了中央电力体系的集成作用，可实现有效的临界负荷保护，以及各种电源和客户终端与电网的无缝互连，从而优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。智能配电网具备可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全等特点\[9\]，可通过信息化平台，使发电、输电、配电、用电等配电网系统的各个环节互相融通，实现精确供电、互补供电、提高能源利用率、供电安全，节省用电成本的目标。实际上，能量流与信息流融合而成的网络，就可称为智能配电网。

根据美国能源局现代配电网发展报告及欧洲的分布式发电实践，智能配电网的特征具有以下几点：

(1) 具有自我恢复功能，即自愈性；

(2) 用户可主动参与配电网的运行，即互动性；

(3) 可抵御自然灾害与恐怖袭击，即安全性；

(4) 能提供高质量的电能，减少停电损失，即可靠性；

(5) 能够容纳各种发电和蓄电形式，即纳新性；

(6) 能优化设备运行，降低配电网运行费用，即优质性。

通过信息化框架平台建立开放的系统和共享信息模式，整合系统中的数据，优化配电网的运行和管理，可使得配电网更智能，并可从物联网的三个层次提高配电网的可靠性、管理效率和服务水平。

2 物联网与智能配电网的融合

智能配电网是物联网在电力系统行业的应用典范。应用物联网技术，智能配电网将会形成一个以配电网为依托，覆盖城乡各用户及用电设备的、庞大的物联网络。智能配电网与物联网的相互渗透、深度融合和广泛应用，将能有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，进一步实现节能减排，提升配电网的信息化、自动化、互动化水平，提高配电网运行能力和服务质量。智能配电网和物联网的发展，不仅能促进电力工业的结构转型和产业升级，更能够创造一大批原创的、具有国际领先水平的科研成果，打造更大的产业规模。

融合智能配电网应用的物联网主要分为感知层、网络层和应用服务层。感知层主要通过传感器、射频识别等技术手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、模式识别等技术来实现电网信息的综合分析和处理，实现智能化的决策、控制和服务。物联网与智能配电网的基本框架示意图如图1所示。

图1中的感知层包括感知控制子层和通信延伸子层。感知控制子层主要是对物理世界感知、识别、信息采集的各类传感器；通信延伸子层是将物理实体联接到网络层和应用层的通信终端模块或延伸网络。智能配电网通过感知控制子层实现各环节电气量、非电气量、微环境等信息的采集，并通过通信延伸子层接入物联网的网络层。网络层包括接入网和核心网，实现感知层与应用层间信息的传递、路由和控制。基于智能配电网对数据安全、传输可靠性及实时性的严格要求，当前物联网的信息传递、汇聚与控制主要通过电力系统专用通信网来实现(在不具备条件或特殊条件下也可借助公网)，在配电网终端，成熟的低压载波通信技术也是物联网的一种理想的通信路径。应用层包括应用基础设施/中间件和各种应用。应用基础设施/中间件是实现信息存储、计算的基础设施，为各种应用提供技术支撑。应用层通过先进的信息分析处理技术实现配电网智能化的决策、控制和服务。物联网技术将进一步助力智能配电网的实现，如设备状态的预测和调控，资产全寿命周期管理的辅助决策，配电网与用户间的智能互动等。

智能配电网与物联网的相互渗透和深度融合是信息通信技术发展到一定阶段的必然结果，能有效整合通信基础设施资源和电力基础设施资源，提高电力系统的信息化水平，改善现有电力基础设施的利用效率。首先，作为“智能信息感知末梢”，物联网以其独特的优势，能在多种场合满足智能配电网信息获取的实时性、准确性和全面性需求，有助于实现对电力设备资产、生产过程的全方位采集和监控，也有助于降低线损、提高电能传输效率和使用效率，提升电网企业与用户的互动能力。其次，配电网智能化是物联网的重要应用领域。智能配电网的实践，为物联网工程提供了很好的行业应用示范。智能配电网信息通信网平台，不仅能够为物联网技术的深化应用提供通信网络保障，也将为电信网、广播电视网和互联网的"三网融合"提供有力的支撑。配电网智能化还将成为拉动物联网产业、甚至整个信息通信产业发展的强大驱动力，并将深刻影响、引领和推动其他行业的物联网应用\[10\]。

3 智能配电网中的物联网应用

3.1 电力设备状态监测

实现电力设备状态在线监测是配电网智能化的关键一步。对于电力系统现有的110 kV枢纽变电站的一次设备加装状态监测系统，利用物联网技术可实现对变压器、断路器、避雷器、直流系统的特征量监测，并利用一次设备状态监测与故障分析系统，预先判定一次设备的故障征兆，然后由人工根据诊断结果制定检修计划，以便在设备发生故障前就能及时排除隐患，避免不必要的停电检修，降低设备维护成本，提高设备运行的经济性和稳定性，从传统的定期检修逐渐向状态检修过渡；通过状态监测技术的实施，为后期变电站状态监测改造及状态检修的全面开展积累经验，再逐步探索先进的状态检修管理模式，并通过管理模式的不断完善，最终建立科学的状态检修管理体系。监测的主要内容是在变压器上开展目前较为成熟的油色谱在线状态监测、变压器的绝缘状态监测、以及变压器分接开关在线滤油技术的应用；另外还有在断路器上开展目前较为成熟的SF6气体在线监测、断路器机械特性的监测；在避雷器上开展电流状态监测；在直流系统上开展在线监测技术的应用。按照信息统一集中的原则，应在被监测的设备处就近安装智能组件，以将监测到的设备状态信号通过网络分别传送到监测服务器和当地监控系统。然后再对传送至监测服务器中的设备状态信息进行初步分析，供检修人员参考；对传送至当地监控系统的设备状态信息，则通过远动通信系统传送至调度中心，由检修人员在当地或远方进行设备风险评估，并根据评估结果制定检修计划。

利用物联网技术还可以对发电、新能源系统实现监测与控制。通过在常规机组内布置各种传感器可掌握机组运行状态(包括各种技术指标与参数)，提高常规机组运行维护水平;通过在坝体部署压力传感器群监测坝体变形情况，规避水库调度风险;通过各类气象传感器实时采集风电场、光伏发电厂的风速、风向、温度、湿度、气压、降雨、辐射等微气象信息，实现新能源发电的监控和预测。同样，物联网技术也可以对风能、太阳能等新能源发电进行监测、控制和功率预测。利用物联网技术，可以提高一次设备的感知能力，并很好地结合二次设备实现联合处理、数据传输、综合判断等功能，提高电网的技术水平和智能化程度。事实上，输电线路状态在线监测是物联网的重要应用之一。利用物联网技术，可以提高对输电线路运行状况的感知，可监测的主要内容包括气象条件、覆冰、导地线微风振动、导线温度与弧垂、输电线路风偏、杆塔倾斜等。还可通过物联网对设备的环境状态信息、机械状态信息、运行状态信息进行实时监测和预警诊断，提前做好故障预判、设备检修等工作，从而提高设备检修、自动诊断和安全运行水平。

3.2 电力生产管理

由于电力生产管理的复杂性，电力现场作业管理难度较大，常有误操作、误进入等安全隐患。利用物联网技术可以进行身份识别、电子工作票管理、环境信息监测、远程监控等，实现调度指挥中心与现场作业人员的实时互动。调度计划综合应用功能可进行系统负荷预测及母线负荷预测，预测的时间尺度包括短期及超短期；电量计费方面则可负责存储和管理远程采集到的计量数据，根据电网模型进行分析和汇总，为营销管理等系统提供数据支撑，并支持结算、考核、线损管理、平衡分析、盈亏分析等业务的开展；检修计划及发电计划的编制、校核、考核等等功能可支持从调度管理综合应用导入检修申请，并对检修申请进行调整以确认形成初始检修计划，用于检修计划安全校核，实现水力发电计划、新能源发电计划的编制和日内滚动调整。调度管理综合应用功能可用于生产运行等应用。则可实现设备运行管理、设备检修管理、电网运行管理、运行值班管理等方面的功能；专业管理应用，实现专业报表管理、标准(规程或规范)管理功能和信息展示与发布，实现电网运行信息发布、调度各专业信息动态发布、文档资料管理、信息公告等功能。另外，在电力巡检管理方面，通过射频识别、全球定位系统、地理信息系统以及无线通信网来监控设备运行环境，掌握运行状态信息，并通过识别标签辅助设备定位，实现人员的到位监督，指导巡检人员按照标准化和规范化的工作流程进行辅助状态检修和标准化作业等。另外，通过在塔基下、杆塔上及输电线路上安装各种传感器、防拆螺栓等，同时结合输电线路状态在线监测系统，也可以很好地实现对重要杆塔的实时监测和防护。

3.3 电力资产全寿命周期管理

将射频识别和标识编码系统应用于电力设备，可进行资产身份管理、资产状态监测、资产全寿命周期管理，这样就能够自动识别目标对象并获取数据，为实现电力资产全寿命周期管理、提高运转效率、提升管理水平提供技术支撑。而通过安装智能传感器也能够确定变压器、断路器、配电自动化设备和开关等资产的剩余使用寿命和预计失效时间；同时，通过在变电站和变压器上安装智能配电网设备，即能够自动监测配电变压器的运行情况，包括变压器是否过载和实时负荷水平；通过断路传感器，能够自动检测电路断路器的运行情况，包括故障电流峰值、动作计数等。基于上述信息，能够采取主动的资产管理方式，提高资产管理水平，最终在物联网技术应用的基础上，实现资产的全寿命周期管理。

3.4 智能用电管理

利用物联网技术有助于实现智能用电的双向交互服务、用电信息采集、家居智能化、家庭能效管理、分布式电源接入以及电动汽车充放电，为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节能减排提供技术保障。通过在电动汽车、电池、充电设施中设置传感器和射频识别装置，可以实时感知电动汽车的运行状态、电池使用状态、充电设施状态以及当前网内能源供给状态，实现电动汽车及充电设施的综合监测与分析，保证电动汽车的稳定、经济、高效运行。物联网技术有助于实现家居智能化，通过在各种家用电器中内嵌智能采集模块和通信模块，可实现家用电器的智能化和网络化，完成对家用电器运行状态的监测、分析以及控制，例如通过安装门磁报警、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；或通过无线、低压电力线载波技术实现水、电、气表自动抄收；也可以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，提供通信服务、视频点播和娱乐等。

4 面向智能配电网的物联网发展前景

物联网的基础平台是完善高效的通信网络。通信运营商在物联网应用方面做了许多工作，电力系统针对智能配电网的物联网应用也做了很多工作，同时针对智能配电网的需求和发展也提出了物联网应用和发展方向，目前正与国内外智能配电网以及物联网方面的权威机构合作开展一些深层次的研究工作。在未来几年内，还将通过联合开发、共同攻关等方式建立物联网在智能配电网领域应用的技术体系，其中是电力智能感知基础体系，基础体系的目的在于提高面向智能配电网的物联网信息感知能力，推动电力信息采集装备的智能化，引导智能感知装备制造技术的发展，研制并推出具有更多种类、更高级、更可靠、更灵活的智能感知装备；其次是电力物联网技术支撑体系，该支撑体系的目的在于建设满足未来智能配电网需求的可靠通信信息平台；第三是智能配电网应用体系，目的在于配合智能配电网建设，建立涵盖分布式发电、变电、配电、用电及电力资产管理的、面向智能配电网的物联网应用体系；第四是标准规范体系，大力开展面向智能配电网的物联网标准研究，积极跟踪国内外物联网标准的制定工作，推动电力物联网相关标准制定的顺利进行。面向智能配电网的物联网标准规范体系应包括三大方面，即：共性基础标准规范、产业化标准规范和智能配电网应用规范；第五是安全保障体系，主要研究面向智能配电网应用的物联网接入网关，实现物联网异构系统通信协议的转换、以及传感节点的安全接入，研究物联网信息安全接入平台的总体技术架构与建设方案；另外，还包括建立物联网的边界安全接入规范体系，保证发、输、变、配、用等环节传感节点及信息的统一安全接入。

5 结 语

今后，电力运行企业将围绕国家重大科技专项、国家电网公司重大科技项目以及智能配电网、物联网示范工程开展技术研究和应用研究，并将建立相应的研发机制、物联网实验室和专门的物联网研究中心，在分布式发电、变配电、用电、信息通信技术等方面深入开展工作，实现物联网技术在智能配电网应用中的重大突破，打造电力物联网芯片设计、应用系统开发、标准规范体系、信息安全、软件及测试平台等完整的产业链，为电力网、互联网、电信网、有线电视网的有机融合提供技术手段，同时要在实现电能的高效传输的同时，实现信息流的通畅传输。

参 考 文 献

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