物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)的應用
物聯(lián)網(wǎng)是通過RFID技術(shù)、無線傳感器技術(shù)以及定位技術(shù)等自動識別、采集和感知獲取物品的標識信息、物品自身的屬性信息和周邊環(huán)境信息，借助各種電子信息傳輸技術(shù)將物品相關(guān)信息聚合到統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)中，并利用云計算、模糊識別、數(shù)據(jù)挖掘以及語義分析等各種智能計算技術(shù)對物品相關(guān)信息進行分析融合處理，最終實現(xiàn)對物理世界的高度認知和智能化的決策控制。智能電網(wǎng)的實現(xiàn)，首先依賴于電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)重要運行參數(shù)的在線監(jiān)測和實時信息掌控，基于此，物聯(lián)網(wǎng)作為“智能信息感知末梢”，可成為推動智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)手段。未來智能電網(wǎng)的建設(shè)將融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)應用于智能電網(wǎng)最有可能實現(xiàn)原創(chuàng)性突破、占據(jù)世界制高點的領(lǐng)域。
一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域應用大有可為
智能電網(wǎng)主要是通過終端傳感器在客戶之間、客戶和電網(wǎng)公司之間形成即時連接的網(wǎng)絡(luò)互動，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的實時、高速、雙向的效果，從而整體提高電網(wǎng)的綜合效率。國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)實現(xiàn)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流高度一體化的前提，在于信息的無損采集、流暢傳輸、有序應用。各個層級的通信支撐體系是堅強智能電網(wǎng)信息運轉(zhuǎn)的有效載體。通過充分利用堅強智能電網(wǎng)多元、海量信息的潛在價值，可服務(wù)于堅強智能電網(wǎng)生產(chǎn)流程的精細化管理和標準化建設(shè)，提高電網(wǎng)調(diào)度的智能化和科學決策水平，提升電力系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。
智能電網(wǎng)的核心在于，構(gòu)建具備智能判斷與自適應調(diào)節(jié)能力的多種能源統(tǒng)一入網(wǎng)和分布式管理的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可對電網(wǎng)與客戶用電信息進行實時監(jiān)控和采集，且采用最經(jīng)濟與最安全的輸配電方式將電能輸送給終端用戶，實現(xiàn)對電能的最優(yōu)配置與利用，提高電網(wǎng)運行的可靠性和能源利用效率。智能電網(wǎng)的本質(zhì)是能源替代和兼容利用，它需要在開放的系統(tǒng)和共享信息模式的基礎(chǔ)上，整合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的運行和管理。
面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)方案的角度來講，網(wǎng)絡(luò)功能仍集中于數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理三個方面：一是數(shù)據(jù)采集傾向于更多新型業(yè)務(wù)。由于寬帶接入技術(shù)的支持，物聯(lián)網(wǎng)應用不局限于數(shù)據(jù)量的限制，在未來的大規(guī)模應用中可以提供更多的數(shù)據(jù)類型業(yè)務(wù)，如重點輸電線路監(jiān)測防護、大規(guī)模實時雙向用電信息采集。二是網(wǎng)內(nèi)協(xié)作模式的數(shù)據(jù)傳輸。以網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的協(xié)作互助為基本方式，解決數(shù)據(jù)傳輸問題。以各種成熟的接入技術(shù)為物理層基礎(chǔ)，從MAC層以上，通過多模式接入、自組織的路由尋址方式、傳輸控制、擁塞避免等技術(shù)實現(xiàn)節(jié)點協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸模式。三是網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是一個向用戶提供物理世界信息的傳輸工具，同時還在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對節(jié)點采集數(shù)據(jù)進行融合處理，是一個具有高度計算能力和處理能力的云計算信息加工廠，用戶端得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過大量融合處理的非原始數(shù)據(jù)。
物聯(lián)網(wǎng)作為智能電網(wǎng)末梢信息感知不可或缺的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應用空間，物聯(lián)網(wǎng)將滲透到電力輸送的各個環(huán)節(jié)，從發(fā)電環(huán)節(jié)的接入到檢測，變電的生產(chǎn)管理、安全評估與監(jiān)督，以及配電的自動化、用電的采集、以及營銷這方面都要采用物聯(lián)網(wǎng)，在電網(wǎng)建設(shè)、生產(chǎn)管理、運行維護、信息采集、安全監(jiān)控、計量應用和用戶交互等方面將發(fā)揮巨大作用?？梢哉f80%的業(yè)務(wù)跟物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以全方位提高智能電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的信息感知深度和廣度，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化以及信息流、業(yè)務(wù)量、電力流提供高可用性支持。
面向智能電網(wǎng)應用的物聯(lián)網(wǎng)應當主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用服務(wù)層。感知層主要通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID等技術(shù)手段實現(xiàn)對智能電網(wǎng)各應用環(huán)節(jié)相關(guān)信息的采集；網(wǎng)絡(luò)層以電力光纖網(wǎng)為主，輔以電力線載波通信網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)，實現(xiàn)感知層各類電力系統(tǒng)信息的廣域或局部范圍內(nèi)的信息傳輸；應用服務(wù)層主要采用智能計算、模式識別等技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)信息的綜合分析和處理，實現(xiàn)智能化的決策、控制和服務(wù)，從而提升電網(wǎng)各個應用環(huán)節(jié)的智能化水平。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在于智能電網(wǎng)的主要應用見圖1。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應用于智能家電傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、無線傳感安防系統(tǒng)、用戶用能信息采集系統(tǒng)等，主要硬件設(shè)備包括智能交互終端、智能交互機頂盒、智能插座等。該系統(tǒng)與外部的通信主要通過電力線通信(PLC)、電力復合光纖到戶(PFTTH)、無線寬帶通信等通信方式相結(jié)合的寬帶通信平臺來實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)應用于智能電網(wǎng)用戶服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。
面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)將具有多元化信息采集能力的底層終端部署于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，利用各類儀表、傳感器、RFID射頻芯片對監(jiān)測對象和監(jiān)測區(qū)域的關(guān)鍵信息和狀態(tài)進行采集、感知、識別，并在本地匯集，進行高效的數(shù)據(jù)融合，將融合后的信息傳輸至中間一層的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備；中間層網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備負責底層終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，負責物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)專用通信網(wǎng)絡(luò)之間的接入，保證物聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)專用通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。在物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)鏈路可采用多種方式并存的鏈路連接，并依據(jù)智能電網(wǎng)的實際網(wǎng)絡(luò)部署需求，調(diào)整不同功能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量靈活控制目標區(qū)域／對象的監(jiān)測密度和監(jiān)測精度，以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。
二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用在智能電網(wǎng)的作用
我們感覺智能電網(wǎng)是與物聯(lián)網(wǎng)最為密切的一個行業(yè)，未來智能電網(wǎng)的建設(shè)必然產(chǎn)生世界上最大、最為智能、信息感知最為全面的物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)檢測、電力生產(chǎn)管理、電力資產(chǎn)全壽命周期管理、智能用電。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將有助于實現(xiàn)智能用電雙向交互服務(wù)、用電信息采集、智能家居、家庭能效管理、分布式電源接入以及電動汽車充放電，為實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的雙向互動、提高供電可靠性與用電效率以及節(jié)能減排提供技術(shù)保障。
1、實現(xiàn)按需發(fā)電，避免電力浪費
物聯(lián)網(wǎng)并不神秘，家家戶戶都有的電表就是一個傳感器?！蹦先鸺瘓F辦公室的工學博士馬元奎告訴記者，目前的電網(wǎng)技術(shù)中，最薄弱的環(huán)節(jié)就是儲電，也就是說發(fā)出來的電必須馬上上網(wǎng)用掉，否則將造成能源的巨大浪費。而通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用，這一困擾電企多年的問題將迎刃而解。2009年9月，南瑞集團聯(lián)合3家科技企業(yè)組建的江蘇瑞中數(shù)據(jù)股份有限公司，主導研發(fā)實時電力需求“感知中心”。感知中心就是一個面向智能電網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中樞，通過搜集家家戶戶的電表信息，可以計算出一定時間段的生活用電動態(tài)需求量，再將這一信息及時反饋到發(fā)電企業(yè)，按需發(fā)電。在提升電網(wǎng)智能程度的同時，避免無效發(fā)電的成本浪費。
2、促進分布式發(fā)電
在傳統(tǒng)的輸電線路和配用電設(shè)備加上傳感器，再接入物聯(lián)網(wǎng)，將給人們帶來全新的用電體驗。例如，未來家庭將普遍采用太陽能板自給供電，用不完的電，可以通過“智能電網(wǎng)”進入公共電網(wǎng)，每個月還能收到電力公司付的“電費”，到2015年，這種技術(shù)就可能走進尋常百姓家。
3、保證輸電安全
電力行業(yè)是關(guān)系到國計民生的基礎(chǔ)性行業(yè)。電力線傳輸系統(tǒng)包括變電站（高、低壓變壓器，控制箱）、高壓傳輸線、中繼器、塔架等，其中高壓傳輸線及塔架位于野外，承擔電能的輸運，電壓至少為35kV以上，是電力網(wǎng)的骨干部分。電力系統(tǒng)是一個復雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其安全可靠運行不僅可以保障電力系統(tǒng)的正常運營與供應，避免安全隱患所造成的重大損失，更是全社會穩(wěn)定健康發(fā)展的基礎(chǔ)。中國國家電網(wǎng)公司于2010年 5月21日公布了智能電網(wǎng)計劃，其主要內(nèi)容包括：以堅強的智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，構(gòu)建堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的現(xiàn)代電網(wǎng)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以全面有效地對電力傳輸?shù)恼麄€系統(tǒng)，從電廠、大壩、變電站、高壓輸電線路直至用戶終端進行智能化處理。包括對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和自動故障處理，確定電網(wǎng)整體的健康水平，觸發(fā)可能導致電網(wǎng)故障的早期預警，確定是否需要立即進行檢查或采取相應的措施，分析電網(wǎng)系統(tǒng)的故障、電壓降低、電能質(zhì)量差、過載和其他不希望的系統(tǒng)狀態(tài)，基于這些分析，采取適當?shù)目刂菩袆印?
國家電網(wǎng)應用傳感器網(wǎng)絡(luò)解決了很多問題，如奧運會和世博會就是通過它為保電做支撐。傳統(tǒng)方式是可靠的，但會造成極大浪費，因此就要通過在線路上配置一些傳感設(shè)備檢測線路的實時情況來保證電網(wǎng)的安全。還通過一些設(shè)備的使用和部署，來提高傳感的效率，保證輸電到位。
4、提升服務(wù)水平
作為國內(nèi)最大的移動通信運營商，中國移動一直以來致力于推進各行各業(yè)的信息化進程，全力打造高效、開放的“物聯(lián)網(wǎng)”，構(gòu)建和諧的數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)。近年來，中國移動相繼推出了電力抄表、交通物流、安防監(jiān)控及電子支付等一系列基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息化解決方案，通過基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的機器與機器，機器與人之間的信息采集、傳輸和應用處理，實現(xiàn)對機器的遠程監(jiān)控及指揮調(diào)度。
2009年11月18日，中國南方電網(wǎng)有限責任公司、中國移動通信有限公司在廣州聯(lián)合舉行了戰(zhàn)略合作簽約儀式。南方電網(wǎng)與中國移動將在基礎(chǔ)通信、管理信息化、市場營銷信息化、信息化技術(shù)交流合作等方面開展合作，屆時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將廣泛應用于南方電網(wǎng)信息化系統(tǒng)建設(shè)的各個領(lǐng)域，通過有效配置具有傳感功能的自動化終端設(shè)備，將大大提高電力行業(yè)的工作效率，降低故障處理時間，提高服務(wù)質(zhì)量。本次合作將涵蓋三大領(lǐng)域，即電能計量自動化系統(tǒng)、電力行業(yè)終端通信保障平臺和“95598”服務(wù)熱線服務(wù)平臺。其中，電能計量自動化系統(tǒng)已經(jīng)應用在大客戶負荷管理、配變監(jiān)控和低壓集抄領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計，南方電網(wǎng)僅在廣東區(qū)域的計量自動化終端數(shù)量就超過了25萬；電力行業(yè)終端通信保障平臺的推廣應用，將使南方電網(wǎng)電力通信故障平均處理時間縮短一倍以上，大大提升服務(wù)水平和客戶滿意度。
手機購電是運營商和電力公司合作推出的一項基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大眾服務(wù)業(yè)務(wù)。一般購電，是我們自己去看電表，然后在沒電時去買電卡充值。與此同時，抄表員需要對每個終端電表進行人工計數(shù)，以便電力公司有效地了解各戶的用電情況。手機購電服務(wù)開展以后，一方面，我們可以通過把自己的購電號碼發(fā)短信給指定的號碼，獲得需要交費提示后，選擇同意，電腦可以自動從賬戶中扣除需要交的費用。另一方面，每個電表，都會通過無線傳感模塊，與居民集抄管理終端聯(lián)系，終端再將這些信息發(fā)送給電力公司，從而不需要抄表員，實時實現(xiàn)對居民用電繳費情況的管理。
5、節(jié)約電能使用
大樓里面不同的房間在不同的時間要求的溫度不一樣，物聯(lián)網(wǎng)傳感器測量房間的溫度，控制系統(tǒng)按照需要的溫度對空調(diào)進行智能控制。通過實驗，這項技術(shù)節(jié)約的電能可達29 4%。有的辦公室所有的燈光都是智能控制的。員工進入辦公室之后，頭頂上的燈自動打開；離開這個位置后，頭頂上的光源則自動關(guān)閉。如果外面的陽光太過強烈，窗簾則自動拉下。各個光源都是通過自動感應設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中的控制計算機，由計算機進行智能控制，這樣可以做到最大限度地節(jié)約電能。
智能交互終端是實現(xiàn)家庭智能用戶服務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備，其通過利用先進的信息通信技術(shù)，對家庭用電設(shè)備進行統(tǒng)一監(jiān)控與管理，對電能質(zhì)量、家庭用電信息等數(shù)據(jù)進行采集和分析，指導用戶進行合理用電，調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷負荷，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間智能用電。通過在各種家用電器中嵌入智能采集模塊和通信模塊，可實現(xiàn)家電的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，完成對家電的運行狀態(tài)的監(jiān)測、分析以及監(jiān)控。
此外，通過智能交互終端，可為用戶提供家庭安防、社區(qū)服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等增值服務(wù)。
三、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域應用研究緊鑼密鼓
國家電網(wǎng)開展物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應用已經(jīng)很早了，2001年就有一個WSN（無線傳感網(wǎng)絡(luò)）在配電網(wǎng)的應用重大專項。目前在類似方面的項目大概有8～10項，如高壓電力檢測、智能用電、智能小區(qū)、智能家居、無線抄表等方面，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應用和成果進一步推動了智能電網(wǎng)的建設(shè)。
為盡快開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)應用的研究，國網(wǎng)信息通信有限公司順勢而為從2009年9月起就全面部署物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)，組建了專門從事物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)應用的研發(fā)團隊。劉建明總經(jīng)理先后多次帶隊走訪北京郵電大學、清華大學、中國移動研究院、無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院、普天信息產(chǎn)業(yè)研究院、江蘇省電力公司、無錫供電公司等單位，探討物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應用技術(shù)。
為推動物聯(lián)網(wǎng)以及新一代寬帶通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應用，打造物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)應用的攻關(guān)團隊，形成物聯(lián)網(wǎng)研究的先發(fā)優(yōu)勢，國網(wǎng)信通公司聯(lián)合中國電力科學研究院、物聯(lián)網(wǎng)研究院等國內(nèi)多家從事物聯(lián)網(wǎng)及新一代寬帶通信研發(fā)的優(yōu)勢單位，共同申報國家重大科技專項，成立了項目課題組，課題組先后在無錫和北京召開了多次項目聯(lián)絡(luò)會，該課題組主要技術(shù)人員歷經(jīng)了長達一個多月的封閉式研討，分析和論證了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)輸、變、配、用四個環(huán)節(jié)的攻關(guān)目標，制定了7大應用系統(tǒng)10余個產(chǎn)品、一個一體化平臺、一個標準安全體系的開發(fā)研究框架。
關(guān)于智能電網(wǎng)在配用電側(cè)的應用，2009年國家電網(wǎng)在北京和全國各地陸續(xù)開展了一些試點和推廣，在2009年試點基礎(chǔ)上2010年在全國11個省市進行智能用戶的試點，包括智能家居，安防等領(lǐng)域，另外還有電表以及相應的增值服務(wù)。為了配合智能電網(wǎng)的發(fā)展，國家電網(wǎng)已開始光纖的電網(wǎng)試點，2010年將在全國14~18個省進行推廣，要求各地的新建小區(qū)全部實現(xiàn)光纖到戶。除了在全國開展大批關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的試點，國家電網(wǎng)還要完成電力用戶用電信息的采集，要求2010年底以前完成主干系統(tǒng)，全國各省要部署完畢省級的主干系統(tǒng)的用電信息采集，同時各省要完成整個用電采集工作。
國網(wǎng)信通公司從國網(wǎng)公司的發(fā)展大局出發(fā)，從服務(wù)于堅強統(tǒng)一智能電網(wǎng)的建設(shè)出發(fā)，緊跟國際最新的信息通信技術(shù)，開拓進取，在系統(tǒng)內(nèi)率先開展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和部署，提出了“面向應用、立足創(chuàng)新、形成標準、建立示范”的研究指導思想，在物聯(lián)網(wǎng)的專用芯片、應用系統(tǒng)開發(fā)、標準體系、信息安全、無線寬帶通信、軟件平臺、測試技術(shù)、實驗技術(shù)等方面進行了全面部署，力爭在未來3年內(nèi)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)應用多項核心技術(shù)的突破，形成若干項有重大影響的創(chuàng)新性科研成果，成為在國內(nèi)外有重要影響的從事智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究和應用的研發(fā)中心和產(chǎn)業(yè)化基地。
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