陳天超

（蘭州職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730070）

電力網(wǎng)格（power grid）是指向家庭用戶、公共用戶以及工廠用戶傳輸電力的電力網(wǎng)絡(luò)。為了滿足電力網(wǎng)絡(luò)在未來的使用，在電力網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，高可靠性與安全性方面需要提供很大的自由度。智能電網(wǎng)必須能夠提高現(xiàn)有電力網(wǎng)格的能力，具有先進的傳感觸發(fā)器和高度安全的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以提高電網(wǎng)的效能、性能和可靠性，同時還能廣泛支持新的服務(wù)。智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合作為一種具有極高戰(zhàn)略意義的新型產(chǎn)業(yè)技術(shù)，目前被越來越多的國家所重視，我國也對其極其重視，將物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)列為國家戰(zhàn)略，并全面部署了眾多重大科技項目、示范工程的建設(shè)。

智能電網(wǎng)是智能物件網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。智能電網(wǎng)對智能物件網(wǎng)絡(luò)最主要期望和要求是：傳感器（例如，測量電流、電壓、相位或者無功功率）以及制動器（例如斷路器等）。智能物件網(wǎng)絡(luò)的功能是有效地檢測及控制電力網(wǎng)格，通過智能電表來感知電力消費量，有效地實現(xiàn)能量管理。智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的相互滲透、深度融合和廣泛應(yīng)用，有效整合通信基礎(chǔ)設(shè)施資源和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源，進一步實現(xiàn)節(jié)能減排，提升電力網(wǎng)絡(luò)的信息化、自動化、互動化水平，進而提高電力系統(tǒng)通信水平，改善當前電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率。

1.物聯(lián)網(wǎng)

1.1 概念

物聯(lián)網(wǎng)是指通過傳感器技術(shù)、射頻技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電等各種需要的信息，通過各種可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在鏈接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理[1]。

“物聯(lián)網(wǎng)”概念的正式確定是在2005年 。2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）在突尼斯舉行了信息社會世界峰會（WSIS），在大會上發(fā)布了ITU Internet reports 2005—the Internet of things，該報告介紹了物聯(lián)網(wǎng)的概念、特征、相關(guān)技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)與未來的市場機遇。

國際電信聯(lián)盟在報告中指出，我們正處于一個新的通信時代的邊緣，信息與通信技術(shù)（ICT）的目標不能僅僅滿足人與人之間的溝通，應(yīng)該發(fā)展到了實現(xiàn)人與物、物與物之間的連接，無處不在的物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)通信時代即將到來。物聯(lián)網(wǎng)會使人類在通信與信息技術(shù)的海洋里獲得一種新的溝通方式，可以把任何時間、任何地點、連接任何人的方法，擴展到連接任何物品，物聯(lián)網(wǎng)的核心就是萬物的連接。

1.2 特征

從通信對象和過程來看，物與物、人與物之間的信息交互是物聯(lián)網(wǎng)的核心。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理[2]。

整體感知?？梢岳蒙漕l識別、二維碼、智能傳感器等感知設(shè)備感知獲取物體的各類信息。

可靠傳輸。通過對互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)的融合，將物體的信息實時、準確的傳送，以便信息的交流、分享。

智能處理。使用各種智能技術(shù)，對感知和傳送到的數(shù)據(jù)、信息進行分析處理，實現(xiàn)監(jiān)測與控制的智能化。

2.面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)需求

智能電網(wǎng)主要是通過終端傳感器在客戶之間、客戶與電網(wǎng)公司之間形成即時連接和信息互動，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時、高速、雙向傳輸，從而整體提升電網(wǎng)的綜合利用效率。要實現(xiàn)智能電網(wǎng)的電力流、信息流、業(yè)務(wù)流高度一體化，前提條件在于信息的無損采集、流暢傳輸、有序應(yīng)用，智能電網(wǎng)信息運轉(zhuǎn)的有效載體是各個層級的通信支撐體系。通過充分利用智能電網(wǎng)海量、多元信息的潛在價值，可服務(wù)于智能電網(wǎng)生產(chǎn)流程的精細化管理和標準化建設(shè)，提升電網(wǎng)調(diào)度的智能化和科學決策水平，努力提高電力系統(tǒng)運行的安全性、經(jīng)濟性[3]。

發(fā)電機機組的監(jiān)控、廠區(qū)的監(jiān)控、污染物及氣體排放的監(jiān)控、能耗的監(jiān)控、抽水蓄能的監(jiān)控等多方面都需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持。在輸電線路的監(jiān)控、塔桿的防護、智能變電站、配電自動化、作業(yè)與設(shè)備的管理等方面也存在對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛的應(yīng)用需求。至于智能電表及高級測量、智能用電、多網(wǎng)的融合、電動汽車及充電、能效監(jiān)測與管理、電力需求管理等則逐步成為了智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域。

近年來，智能電網(wǎng)的建設(shè)步伐在明顯加快，用戶對于智能化用電的需求也在不斷提升。智能家電、智能小區(qū)等逐步進入千家萬戶的日常生活，這就使得智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的迫切性加劇，因此將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)中，是構(gòu)建智能電網(wǎng)的必然性選擇。

3.物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的基本架構(gòu)

由于物聯(lián)網(wǎng)存在異構(gòu)需求，所以物聯(lián)網(wǎng)需要有一個可擴展的、分層的、開放的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。目前大多數(shù)學者將物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)分為三層，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層[4]。

3.1 感知層

實現(xiàn)物體信息的采集、自動化識別和智能控制的功能主要在感知層。該層涉及的主要技術(shù)有EPC技術(shù)、RFID技術(shù)、智能傳感技術(shù)等。感知層包括傳感器、RFID、EPC等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也包括對數(shù)據(jù)的傳送。感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)部分。具體而言，感知控制子層主要通過各種新型MEMS 傳感器、基于嵌入式系統(tǒng)的智能傳感器、智能采集設(shè)備等技術(shù)手段，實現(xiàn)對物質(zhì)的環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢等靜態(tài)或動態(tài)的信息進行大規(guī)模、分布式的信息采集和獲取。通信延伸子層所用技術(shù)比較廣泛，處于安全性和可靠性考慮，電網(wǎng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)基本采用光纖通信方式，而對于輸電線路在線監(jiān)測、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，除了利用光纖傳遞信息外，無線傳感技術(shù)也可以在部分范圍內(nèi)應(yīng)用。對于采集到的用電信息數(shù)據(jù)，可以使用的通信技術(shù)主要涉及到窄帶電力線通信、寬帶電力線通信、短距離無線通信及公網(wǎng)通信等。

3.2 傳輸層

該層主要作用是把感知層獲取的信息準確無誤的傳輸給應(yīng)用層，使應(yīng)用層對海量信息進行分析、管理，并做出最終決策。傳輸層將感知層獲取的各種信息以電力光纖網(wǎng)為主要通信設(shè)備，以電力線載波通信網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)為輔助通信設(shè)備，從感知層設(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，主要實現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，該層分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，以保證物聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)專用通信網(wǎng)絡(luò)的互通互聯(lián)。在智能電網(wǎng)應(yīng)用中，考慮到對數(shù)據(jù)的安全性、傳輸?shù)目煽啃约皩崟r性的嚴格要求，物聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞、匯聚與控制主要借助于電力通信網(wǎng)實現(xiàn)，使用公眾電信網(wǎng)進行通信是在條件不具備或某些特殊條件下才考慮。其中，核心網(wǎng)主要由電力骨干光纖網(wǎng)組成，電力線載波通信網(wǎng)、數(shù)字微波網(wǎng)作為輔助手段。而接入網(wǎng)則以電力光纖接入網(wǎng)、電力線載波、無線數(shù)字通信系統(tǒng)為主要的手段，從而電力寬帶通信網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了一個高速的雙向?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)平臺。

3.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要由應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施和各種應(yīng)用兩大部分組成。其中，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。面向智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用涉及智能電網(wǎng)生產(chǎn)和管理中的各個環(huán)節(jié)，通過運用智能計算、模式識別等技術(shù)來實現(xiàn)電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的整合分析處理，進而實現(xiàn)智能化的決策、控制和服務(wù)，最終電網(wǎng)各應(yīng)用環(huán)節(jié)的智能化水平得到穩(wěn)步的提升

4.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用案例

物聯(lián)網(wǎng)以其在實體屬性信息（位置、狀態(tài)、行為、特征等）的獲取、分析、處理、控制與反饋中的強大能力，必將對智能電網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的積極推動作用。在可以預(yù)見的未來，物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)應(yīng)用過程中，依托關(guān)鍵技術(shù)的成熟與發(fā)展，必將開發(fā)出多種特色服務(wù)。

案例1 變電站狀態(tài)檢修

在變電站中使用傳感器等智能物件，可以根據(jù)設(shè)備的健康狀況主動判斷設(shè)備是否需要維修。通過對設(shè)備的監(jiān)控，公用設(shè)施可以在故障發(fā)生之前進行維護。這樣一來，不但節(jié)省了設(shè)備成本，而且還間接地減少了由于網(wǎng)絡(luò)中斷而帶來的損失。

變電站狀態(tài)檢修包括定期將健康報告通過智能物件發(fā)送到中央控制系統(tǒng)，如果有異常情況發(fā)生時會觸發(fā)報警系統(tǒng)。在變電站狀態(tài)檢修中所使用智能物件數(shù)量是應(yīng)該是比較可觀的。

通過對傳感器所報告的各種數(shù)值進行分析，可以用來檢測異常情況。比如說，公共工程可以根據(jù)負載和其它參數(shù)來決定系統(tǒng)的預(yù)期溫度，當超過這個預(yù)期閥值時，就要觸發(fā)維護指令，可以避免造成變壓器等重要設(shè)備出現(xiàn)故障而帶來高昂費用的損失。變電站狀態(tài)檢修系統(tǒng)不僅可以延長高價值設(shè)備的壽命并在有些情況下提高它們的有效性，也可以避免由于電力網(wǎng)絡(luò)中斷所造成的災(zāi)難性損失，還可以減少預(yù)防性維護費用并有很多方法來提高工作成效[5]。

案例2 線路動態(tài)評分

隨著分布式發(fā)電的出現(xiàn)，發(fā)電量經(jīng)常會超過電網(wǎng)的輸電能力。輸電線路的輸送容量是有限的。電壓不能無限制上升，過高的電流會導(dǎo)致電阻持續(xù)加熱、熔化。如果電力線負載增加那么導(dǎo)體的溫度也隨之增加，熱膨脹效應(yīng)就會導(dǎo)致線路下垂。電網(wǎng)輸電容量是指，電網(wǎng)在最壞天氣中，進行靜態(tài)評級所得出的輸電容量。但是，靜態(tài)評級并不會考慮實時條件，即便在天氣情況允許提高輸電容量，在靜態(tài)評級系統(tǒng)中也不會提高輸電容量。

動態(tài)評級使用溫度等實時參數(shù)。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在強風下，導(dǎo)體的熱容量會在一段時間內(nèi)有所提高，從而導(dǎo)致風力發(fā)電效率提高。

動態(tài)評級使用的技術(shù)多種多樣。動態(tài)評級以氣候條件為基礎(chǔ)，可以應(yīng)用氣溫、太陽能集熱器與風速來建立方程式，將氣候監(jiān)測設(shè)備安裝在合適的位置，恰當?shù)姆答伄數(shù)仉娋€上的氣候參數(shù)。其它動態(tài)評級技術(shù)可以在線路上使用一定量的傳感器，實時將導(dǎo)體溫度轉(zhuǎn)化為等量的風速，用來與一系列其它參數(shù)一起來計算出線路的動態(tài)評級。還有一種動態(tài)評級技術(shù)用于監(jiān)測線路下垂度/張度的實時數(shù)據(jù)，并將它們轉(zhuǎn)化為等量的風速。

研究顯示，在某些情況下，動態(tài)評級系統(tǒng)會使用輸電容量增益會在10%～20%之間變動，有時甚至高達30%[5]。

5.結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能電網(wǎng)建設(shè)中，可以使智能電網(wǎng)信息化、自動化，是智能電網(wǎng)建設(shè)的必然選擇。有效整合通信基礎(chǔ)設(shè)施資源和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)展方向，將會提高電力系統(tǒng)信息化水平、安全運行水平，為用戶提供可靠的供電服務(wù)，并可以降低線路的損耗、提高電能的傳輸效率和使用效率。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將與智能電網(wǎng)有著更多的滲透與融合，會進一步提升未來電網(wǎng)的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]張鴻濤，徐連明，等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]饒威，丁堅勇，李銳.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].華中電力，2011，（2）.

[3]李祥珍，劉建明.面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2010，（8）.

[4]沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究[J].南京郵電大學學報，2009，（6）.

[5][美]Jean-Philippe Vasseur [瑞典]Adam Dunkels.基于IP的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、技術(shù)與應(yīng)用[M].田輝，等，譯.北京：人民郵電出版社，2011.