面向智能电网的物联网架构与应用方案研究

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引言
          虽然我国电网信 息化程度在不断地提高，但仍然面临着一些特殊问题，如建设坚强骨干电力网架，提高电网抵御多重故障的能力，加强各区域电网骨干网架，提升电网稳定水平，增 强电网运行灵活性，完善电力相关企业信息化建设，实现与用户之间的信息互动，充分发挥信息技术在重大决策和现代化管理中的作用等。这些问题的解决是现有电 网向可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全的智能电网演进的关键。搭建新一代智能电网信息通信技术（ICT）平台是智能电网建设的基础。
           
          同时，物联网作为一种实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的新型通信网络，已经在物流管理、智能建筑、安全服务、健康医疗等多个领域进行了试点应 用，并且收到了良好的效果。物联网通过射频识别（RFID）、无线传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，将任何物品与互联网相连，从而实现物 与物、人与物之间的信息交互和通信。其中无线传感器网络和RFID技术是物联网末端最关键的技术。
           
          目前，智能电网和物联网产业的发展均 被提升到国家经济发展的战略决策层面，如何将智能电网和物联网有机地结合起来是电力发展中需要解决的重要问题。将物联网引入新一代智能电网信息通信技术 （ICT）平台中，不应是对当前电力通信网的重构，而是在现有各种网络充分发展的基础上，利用传感器网络扩展物与物之间的直接通信方式，从而降低电网生产 环节中的人工参与度，提升电网的安全系数。与此同时，还应利用物联网异构融合、兼容开放、自组织自愈等突出特点，与互联网紧密结合，实现多种网络的互联互 通，实现电网与社会的相互感知与互动。基于物联网的应用能够极大地拓宽现有电力通信网的业务范围，提高电力系统的安全性和抗故障、御灾害能力，实现与用户 的信息交互，最终达成智能电网节能减排、兼容互动、安全可靠的目标。
           
          本文结合物联网的基本网络架构和业务特性，通过对智能电网输电、变 电、配电和用电四大环节的业务需求分析，提出了面向智能电网ICT平台的物联网分层体系架构，并将物联网与现有电力通信网的性能进行了对比。在此基础上， 针对智能电网生产环节提出了基于无线传感器网络的应用方案；针对智能用电环节的感知互动性需求，具体分析了面向智能用电以及智能电网互动化的物联网解决方 案。
           
          1面向智能电网的物联网架构分析
          　　多年来，尽管国内电力行业在通信技术方面做了大量工作，对电网自动化水平的提高发挥了巨大作 用。然而，面向下一代智能电网，现有电力信息通信平台仍然远不能满足其内在需求。因此，必须从战略高度重视新型信息通信网络体系结构的研究与试验工作，构 建安全、可靠、稳定、适用、快速的智能电网ICT平台。
           
          从总体目标上看，面向智能电网的ICT平台应当是高度集成的开放式通信系统。它 在覆盖范围上应涵盖电源、电网、用户的全流程，形成统一整体；在业务环节上应覆盖电网建设、生产调度、电能交易、技术管理的全方位；在管理控制上应贯穿电 网规划、设计、建设、运行维护、技术改造、退役的全过程；在数据流传送上应包括信息采集、信息传输、信息集成、信息展现、决策应用等各阶段，最终形成电力 流、信息流、业务流的高度融合和一体化。智能电网ICT平台除了为电网安全、稳定、经济、优质和高效运行提供全方位技术支撑外，还将为绿色节能环保、资源 最优化配置、防灾减灾等方面提供坚强的技术支持。
           
          1.1面向智能电网的物联网应用框架
          由于现有电力通信网在数据的终 端采集上存在大量盲区，如对高压输电线路状态监测多采用人工巡检，无法实现线路的实时监控；系统自愈、自恢复能力完全依赖于实体冗余；对客户的服务简单、 信息单向；系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享；虽然局部的自动化程度在不断提高，但由于信息的不完善和共享能力的薄弱，使得系统中多个自动化系统是 割裂的、局部的、孤立的，不能构成一个实时的有机统一整体，所以整个电网的智能化程度还不够高。
           
          针对目前电力通信网中存在的诸多问题搭 建面向智能电网的物联网应用框架，其实质是利用物联网搭建的支撑全面感知、全景实时的通信系统，将物联网的环境感知性、多业务和多网络融合性有效地植入智 能电网ICT平台中，从而扫除数据采集盲区，清除信息孤岛，实现实时监控、双向互动的智能电网通信平台。
           
         
          图1面向智能电网的物联网应用框架
           
          从具体内容上看，如图１所示，面向智能电网的物联网结合电网各大环节的应用需求，确立了智能输电、智能变电、智能配电和智能用电四大应用模块，从四大模 块的应用需求侧出发搭建电力综合信息平台，面向上层的信息处理和应用，信息平台数据库作为信息处理的有效载体，紧密结合云计算技术，以实现泛在数据的实时 处理分析，通过对海量信息的有效处理实现包括对输电线路、变电站设备、配电线路及配电变压器的实时监测和故障检修，统一调配电力资源，实现与用户的信息双 向互动，进而实现高效、经济、安全、可靠和互动的智能电网内在要求。
<div id="content">                          1.2 面向智能电网的物联网分层网络架构
                         面向智能电网的物联网应用功能框架根据各大环节的不同特点提出了不同的应用需求。根据不同阶段完成功能和支撑技术的差异，结合物联网基本网络模型，将面向智能电网的物联网分为感知延伸层、网络层和应用层三层网络体系架构，如图2 所示。
                          
                        
                         图2 面向智能电网的物联网分层式网络架构图
                          
                         (1)感知延伸层
                         感 知延伸层的监测目标包括与电力环节相关的电力对象、家居对象和智能安防等其他对象。电力对象的感知范围涵盖输、变、配、用四大环节中的气象环境、设备状态 信息以及用户用电信息;家居对象的感知则涵盖家庭水热电表和远程操控的智能家电;而其他对象则包含各种负责安防监控的传感器、摄像头、RFID标签等短距 离通信设备。从感知对象上采集到的信息经过一定的分类和预处理，通过无线自组织传感网、红外通信、现场总线等多种短距离通信手段接入感知终端和互动终端， 在终端设备上体现感知数据并实现与用户的交互式操作。
                          
                         (2)网络层
                         网络层又分为接入网和核心网。首先，感知终端和互动终端的 信息通过网关屏蔽各网络之间的差异，按数据类别和安全等级分别传至电力接入专网和互联网。电力接入专网主要包括电力光纤接入网和宽带无线接入网，通过电力 接入专网与电力核心网互联，对采集数据进行实时、可靠地回传;互联网侧包含以太网、ADSL、3G、xPON 等多种接入方式。
                          
                         (3)应用层
                         应 用层针对智能电网各项业务的需求，搭建各种电力应用平台。各应用平台系统在通过传感手段获得的大量数据的基础上提供更加细腻的管理和控制。另外，应该在现 有电力应用平台的基础上搭建新型感知互动平台，电网企业通过这个平台与社会用户进行相互的感知与互动。感知互动平台与电力核心网之间的连接必须是在内外网 相互隔离条件下，有强有力安全措施保障的间接互联，因此，图中对二者的相连选取了虚线连接，意为一种虚拟的、物理隔离条件下的互联。
                          
                         如表1 所示，面向智能电网的物联网平台相较于现有电力通信网，在环境感知性、自愈性、互动性和安全性等方面都具有较大优势，而这些优势无疑是现有电网向着信息化、自动化和互动化的智能电网迈进的根本保障。
<div id="content">                                          2 、面向智能电网的物联网应用方案
                                          
                                         2.1 面向智能电网生产环节的传感器网络应用方案
                                         面 向智能电网的物联网应用，其目的首先在于提高电力系统生产环节的信息化与自动化程度。这类应用的实现主要依托于物联网末端的无线传感器网络，应用场景主要 包括高压输电线路、变电站一、二次设备尤其是一次设备的在线监测等应用，通过对线路与设备运行状态的连续感知及趋势预测，提高电网的安全水准，降低电网的 运行成本;也包括像配电网自动化及用电信息采集等电网需求侧通信的应用。由于以上这些应用对通信的实时性要求不高，而通信节点数量庞大，非常适合采用低成 本、低功耗和小型化的无线传感器网络技术。由大量的传感器节点自主形成一个多跳网络，实现物与物之间的直接通信。节点的较高密度分布使得监测数据能够满足 一定的精度要求。每个传感器节点采集的信息数据经无线传感器网络传至网关节点，由于网关节点包含数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块和供电模块 等，因此可自动进行数据的分类，选择合适的预处理方式，对视频信息、气象信息、线路及设备的运行状态信息进行集中分类和数据融合，这样可以大大减少数据通 信量，减轻网关节点的转发负担，减少节点能量消耗。但由于网关节点的处理能力有限，它所采集的数据在传感器网络内只能进行粗粒度的处理，因此信息数据必须 传至智能电网ICT 分析处理平台进行细粒度的处理分析，根据处理情况发送命令，做到故障的及时发现和解决。
                                          
                                        
                                          
                                         一 种适用于智能电网生产环节的传感网系统结构示意图。底层为部署在实际监测环境中的传感器、智能终端、RFID 标签等输入、输出实体，向上依次为无线传感器网络、网关节点、接入网和核心网，最终连接至智能电网ICT 平台分析处理系统。无线传感器网络利用感知延伸终端的网络节点采集输电、变电和配电环节中的设备状态信息、线路状态信息、气象环境信息和配用电一体化信 息，将采集的数据汇聚至网关节点，网关节点将分类预处理后的数据信息传至接入网，进而统一进入电力通信核心网。传感数据通过电力通信专网发送至后台数据处 理中心进行信息的统一分类、分析和处理，数据经分析处理后由ICT 平台发出相关指令，按相同方式逆向传输至终端网络节点，实现对全网的实时监测和故障处理。
                                          
                                         2.2 面向智能用电的物联网解决方案
                                         智能电网的用户除了包括居民用户、工商业大用户等传统型用户外，还将包括电动汽车充电系统等新型用户。
                                          
                                         在 传统型用户的智能用电物联网应用中主要的连接对象是用户的智能双向电表。电网企业根据用电性质与场合的不同选用不同功能的智能双向电表，对用户实现电能计 量、电能质量监测、窃电检测等多种应用(如表2 所示)。通过智能双向电表终端设备的引入，全方位采集用户用电信息，实现从大用户到普通居民用户的全方位负荷监测与管理。智能电表通过传感器网络、电力线 载波通信(PLC)或现场总线，再通过电力接入网和传输网，将电表数据上传至用电信息采集等应用平台。
                                          
                                         另外，在智能用电中有一支较为重要的 应用是电动汽车充电系统，在国家电网的推动下正在逐步实现。电动汽车充电设施的物联网应用除了传统用户的电能计量与监测外，还包括对充电站设施的监控、对 充电车辆电池状态的监控以及对充电车辆的调度等。第一，充电站设施的监测包括充电车位监测、充电状态监测、视频监测、安防监测和烟雾报警等;第二，通过在 电动汽车、动力电池、充电设备中设置传感器和RFID 系统，可以实时感知电动汽车运行状态、动力电池使用状态等;第三，在电动汽车动力电池中置入RFID 标签，当充电车辆驶入充电设施时，充电设施处的RFID 阅读器能够感知当前电动汽车电池电量剩余情况。充电设施将需要等待充电的车辆数目和充电设施内的剩余充电车位，通过物联网上报给调度指挥中心，由调度指挥 中心协调就近的充电设施，同时将就近充电设施的行使线路提供给等待充电的车主，避免车主的长时间等待。物联网技术使电动汽车实现高质、快速的充电，是智能 电网应用的一个重要组成部分。
                                          
                                         2.3 智能电网互动化的物联网解决方案
                                         互动性作为智能电网的另一个重要特征，在智能用电环节 上体现得尤为明显。而感知作为物联网的基本特性，除利用多种手段实现泛在的物体感知外，还必须充分利用互联网和移动通信的资源实现人与物、物与物之间无所 不在的连接与互动。作为智能电网互动性的集中体现，智能用电肩负着与用户建立密切、负责的交互关系，实现供需互动的重任。因此，相对于输电线路、无人值守 变电站和配电网自动化系统，面向智能用电的ICT 平台要求区域更广、业务更多的感知与互动。这种感知与互动的开放性和智能电网安全通信的要求是矛盾的，也只有解决了这一矛盾，才能真正找到面向智能电网的 物联网应用模式。
                                          
                                         如本文第2 节所述，从解决智能电网ICT 平台的网络安全性和开放性的矛盾出发，结合智能用电环节的应用需求，制定面向智能用电的物联网解决方案。该方案在现有用电信息采集等电力应用平台的基础上 搭建新型感知互动平台，电网企业通过这个平台与社会用户进行相互的感知与互动。
<div id="content">                                                          与智能电表数据采集不同的是，智能家居设备的监控需要社会用户的参与。这就需要社会用户既能通过移动通信和互联网随时随地地用智能终端访问智能家居 设备，又能随时随地地了解电网企业的分时电价水平和自己家庭的电力负荷分布情况，进而进行精细的用能管理。如图4 所示，方案中将照明装置、水电气三表、供暖设施以及相应的智能家居设备通过星型、树形、网状等多种无线组网方式接入网关， 网关将采集到的数据信息通过3G/ADSL/以太网/xPON 等多种通信方式接入互联网。电网企业搭建的智能电网感知互动平台也接在互联网上，社会用户可通过手机等移动终端登录感知互动平台进行电价和家庭用电情况的 查询、统计等处理。
                                                          
                                                        
                                                         图4 面向智能用电系统的物联网网络架构示意图
                                                          
                                                         第 三，应用于智能用电系统的物联网方案中特别设计了安全网闸以实现用电信息采集平台和感知互动平台的信息抽取与推送。安全网闸类似于一个单刀双向高速电磁开 关，并配有高速大容量缓存区，两个平台仅与缓存区进行数据交换而不直接相连，可以实现在两个平台进行信息交互的基础上，电力专网与互联网在任何时刻的完全 隔离，从而有效提高了智能电网的安全性指标。
                                                          
                                                         本方案从电网与用户感知互动的网络开放性角度出发，利用互联网搭建与用户交互的感知互动平台， 可充分调动社会资源，大大提高各大网络运营商与终端设备厂商积极性，提升普通居民用户的节电积极性，从而调动起最广泛的社会力量参与到全面感知、有效互动 的面向智能电网的物联网建设中来。通过搭建智能电网感知互动平台，利用互联网实现智能家居控制，不但有利于智能用电理念在广大居民用户中的推广，而且充分 利用了现有的互联网资源，有效节约了构建智能配用电一体化平台的经济成本。更重要的是，在安全网闸的隔离保护下，电网企业将用户用电信息向感知互动平台进 行智能推送，不但满足了用户实时掌握用电信息的需求，实现普通居民感知电网的愿望，而且也全面树立了电网企业的社会形象，从而真正达成双向的感知与互动， 促进了电网建设向着透明、开放、安全的目标迈进。
                                                          
                                                         3、 结束语
                                                         虽然当前智能电网的概念尚 未统一，但是利用先进的通信、信息技术提高电网的智能化程度已经成为一种共识。因此，构建通畅、高速、安全、可靠的ICT 平台是电网智能化的根本保障和必然趋势。本文充分考虑了智能电网的特性需求，提出了构建面向智能电网的物联网解决方案，该方案不仅考虑了对现有电力通信网 的集成，而且利用物联网的优势，在感知终端实现了对电网信息的全方位采集;在信息传递中实现了多种组网方式的异构融合和协同工作;在后台信息处理时利用多 种后台分析手段实现对海量数据的合理分类、筛选、分析和处理;从而推动了自愈、安全、交互、协调、兼容的智能电网的早日实现。构建面向智能电网的物联网平 台是一项长期的工程，需要电网信息化程度的不断提高和物联网标准化工作的不断推进。将物联网融入到智能电网ICT 平台的建设中，既要立足眼前现实，又要兼顾发展前景;既要满足近期需求，又要适应未来发展。