3.2.3　基于物联网的电力系统发展分析

电力行业是关系民生的基础行业，随着信息化和网络技术的发展，电力系统的信息化进程也得到了进一步发展。从早期的生产过程自动控制，到电力系统信息综合管理，再到“智能电网”的建设热潮，通过结合计算机技术、网络技术、自动化控制技术以及管理技术，电力系统在物理结构、物理性能、人员状况、经济管理等各方面的信息采集与控制技术日趋完善。其最终目的是为了优化电力的生产、传输和使用，提高系统的安全性和可靠性。基于物联网的电力系统应用（电力物联网）的基本架构和关键技术，探讨电力物联网与智能电网融合的发展趋势，并进一步总结出融合建设中的关键问题。

1. 物联网的关键技术

物联网是指通过各类传感设备，如射频识别（RFID）设备、红外感应器、视频监控系统、GPS、激光扫描仪等把物品通过互联网连接起来，使物品之间产生不经人类干预的信息传递与控制，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的出现，增加了各类系统中基础设施建设与后台计算机软件应用之间的联系，打破了人们对两者之间互相独立的惯性思维。通过物联网，物体与物体之间也可以产生“交流”和“对话”，最终人们可以在后台统一的管理平台上把握整个系统各个环节的运行状况信息。具体到电力行业来说，人们可以把传感器嵌入到电力生产设备、电力传输网络以及电力使用设备等各个环节中去，去捕获、收集设备运行状况以及技术人员管理信息，进而通过软件应用系统进行处理和分析，提出辅助决策或预案，整合电力系统中环境基础设施、电气设备以及人员的控制和管理，使人们对可以更加精细和动态的管理电力生产、传输和使用。

物联网一般可划分为感知层、网络层、应用层三部分。感知层主要负责对客观物品的标识和感知，也就是物品信息的读取。网络层负责信息的传输。应用层负责对信息进行处理，以便于辅助决策和智能化自动管理。

感知层的关键技术为射频识别等无线自动识别技术。射频识别的基本原理是通过无线电信号去识别已标识的物体并读写其负载的信息，此技术不需要识别装置与被识别物体进行物理或光学的接触。RFID由三部分组成，即标签（由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，嵌入需标识目标物体上）、读取器（读取或写入标签信息的设备）和天线（在标签和读取器之间传递射频信号）。RFID技术配合应用软件可以实现物体之间的信息交换和获取，可以用来追踪和管理几乎所有物理对象。读取器和标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换。在实际应用中，RFID系统可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体所承载信息的收集、传输和处理等管理功能。

网络层借助智能电网来实现，无须单独建设。经过多年的电力信息网络建设，我国目前已建成三纵四横的主干网络，形成了以光纤通信为主，微波、载波等多种通信方式并存的电力通信网络格局。电力物联网的网络层相对于感知层和应用层是比较成熟的。相对完善的通信网络为电力物联网的实际应用提供了坚强的信息传输保障。

应用层主要运用云计算等智能计算技术。云计算（Cloud Computing）是一种新兴的计算模型，它是网格计算、分布式计算、负载均衡、虚拟化和网络存储等技术融合的产物。它将计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地或远程的服务器上，用户通过网络按照需求去访问计算机和存储，使计算资源可动态部署并进行共享。用户的数据中心运行模式将更加贴近于互联网。

2. 电力物联网应用现状

我国目前正在大力进行智能电网的建设。物联网与智能电网有相似的地方，也有不同的侧重点。将电力物联网建设与智能电网相结合，既能利用智能电网已有的建设成果，又可以在物联感知方面弥补智能电网的不足，增加电力系统的控制力和洞察力，确实可以得到良好的完善效果。根据物联网概念的体系架构，可以将电力物联网分为感知层、网络层和应用层三部分。

感知层是利用射频识别等技术实现对智能电网各环节的电气设备、人员等相关信息的采集和捕获功能。其信息采集的完整度和准确度很大程度上依赖各类传感器的性能和质量。传感器设计和生产技术依附于材料、生产工艺和计测技术等，对基础技术要求非常高。目前，在电力系统某些环节下需使用的传感器在检测信息类型、精度、可靠性和低成本、低功耗方面还没有达到规模应用水平，成为物联网发展的瓶颈之一。此方面的提高还需依靠传感技术的进步和生产工艺的提高。

电力物联网的网络层经过多年的信息化建设，电网企业已建成了ERP、办公自动化、营销管理、生产管理等各类信息系统，覆盖了电网企业的生产、经营各环节，为物联网的应用提供了较好的切入点和良好的基础。相对于感知层和应用层，电力物联网的网络层是比较成熟的。

具体到实际应用中，电力系统采用多种通信传输方式对感知层采集、汇聚的信息进行远程传输。其中电力传输网的监控数据传输基本采用光纤进行通信，也有少量业务数据采用无线或电力线载波通信方式。在输电线路的在线监测、电气设备状态监测方面，除了主要的光纤传输外，无线技术也在某些方面得到应用，如基于无线网络的输电线路在线监测系统、无线数字测温系统等。在使用端的用电信息采集和智能用电方面，应用的通信技术较为广泛，主要包括窄带电力线通信、宽带电力线通信、短距离无线通信等。

电力物联网的应用层是指利用各种计算机、数据仓库和数据挖掘等技术，对从感知层和网络层传输过来的海量系统运行状态和管理数据进行分析处理，从而实现对各环节的智能化控制，为用户的最终决策提高辅助参考或预案。

目前，电力物联网的研究还处于起步阶段，但根据物联网概念的特点，在感知层和网络层主要依靠硬件设施的建设和投入，一旦形成物联网的规模化应用，随着感知范围的扩大，其接入的终端信息将呈现爆炸性增长，由此产生海量的数据和信息，对这些信息的存储、转换、计算、分析、检索等处理逻辑将变得非常复杂。因此，电力物联网中的应用层是最具发展潜力的一层，也必将成为物联网发展应用的核心组成部分。

3. 物联网在智能电网中的应用

1）物联网与智能电网

智能电网是以物理电网为基础，利用双向网络，结合通信技术、信息化技术、自动化控制技术、决策支持系统技术、计算机技术，对物理电网进行信息化改造而形成的新兴网络。智能电网在电网发生大扰动和故障时，仍能保持对用户的供电能力；具有实时、在线和连续的安全评估和分析能力、强大的预警和预防控制能力；支持可再生能源的有序、合理接入，适应分布式电源和微电网的接入；支持电力市场运营和电力交易的有效开展，实现资源的优化配置，降低电网损耗，提高能源利用效率。因此，智能电网具有坚强、自愈、兼容和经济的特点。

电力物联网主要侧重于通过传感器和RFID技术对电力系统的生产、传输和使用等需要关注的地方进行信息采集，然后通过可靠的网络传输至统一的应用系统，再通过智能分析应用系统支持应用。其优点是增强了系统前端的各环节的信息采集深度以及后台应用系统对信息的处理和分析，进一步优化了电力系统的智能性和管理性，形成一个智慧型的系统。

物联网是智能电网的有效补充，可以看出物联网与智能电网在支撑技术和建设内容上，尤其是网络需求方面有相似之处。但两者在建设目的和具体应用又有不同的侧重点。智能电网整合了系统数据，发挥了中央电力体系的集成作用，实现有效的临界负荷保护，实现各种电源和客户终端与电网的无缝互连，其建设目的为优化电力传输管理体系和促进能源的节约。物联网则是在重要电气设备上安装传感器，实时监测设备运行状态，进而进行辅助决策和风险预警，其建设目的为设备信息的汇聚、处理和管理。在业务应用方面，智能电网主要为电力传输的优化和管理，而物联网则偏重于设备属性与控制信息的交互。因此，通过合理利用智能电网的建设成果，将电力物联网与智能电网有机结合，必将进一步提高现有电力系统的安全性、可靠性和可用性。

2）物联网在智能电网中的应用场景

（1）电力设备监测。在电力生产端，基于物联网的概念，在常规生产机组内部部署传感监测点，捕获机组的运行状态信息，包括电力设备的技术指数和运行参数，提高智能电网的状态监测水平。对水电企业来说，通过在水电站坝体设置感知网络，可以监测坝体变化情况，对水库可能存在的风险进行预警。同理，物联网的技术也可对风能、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，进一步提高了电力传输物理网络的感知能力和洞察力，实现联合处理、综合判断等功能，提高了电力生产的技术水平和智能化水平。在输电线路状态的在线监测中，通过在塔基下、杆塔上及输电线路上安装地埋振动传感器、壁挂振动传感器、倾斜传感器、距离传感器、防拆螺栓等装置采集传输线路环节的状态信息。其可监测的主要内容包括气象环境、导地线微风振动、导线温度和弧垂、输电线路风偏、覆冰、杆塔倾斜等状态信息。

（2）电力生产管理。由于电力生产技术的复杂性和多样性，导致电力生产现场的管理难度较大。管理不善往往会带来误操作、误进入等安全隐患。利用物联网技术可以采取工作人员的身份识别、电子工作票管理、工作环境监测、远程视频监控等手段，实现指挥中心与现场技术人员的实时通信。在巡检管理方面，通过射频识别、GPS定位、GIS系统以及无线通信网，监控设备运行环境，掌握各电力设备的运行状态数据。同时，通过识别设备，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检修和工作等。

在日常的资产管理方面，将射频识别技术和电子标签系统应用于电力资产，进行资产的身份管理、状态监测以及资产全寿命周期管理，从而科学地提高管理水平，实现管理人员在统一平台上进行各方面的管理工作。

（3）电力使用管理。智能电网本身可以实现智能用电双向交互和富裕电力的回售，使用户的用电情况有所反馈，结合物联网技术，可以对用电信息进行采集、促进家居智能化和家庭能效的管理，为供电可靠性、用电效率以及节能减排提供了技术保障。

在家居智能化方面，通过在各类家用电器中内嵌智能采集模块和通信模块，使家用电器形成一个智能化网络，完成对家用电器运行状态的监测、统计分析以及控制。在具体应用中，通过建立门磁报警、窗磁报警、红外周界报警、可燃气体监测、有害气体监测等感知系统，实现家庭安全防护；通过结合光纤复合低压电缆、智能交互终端、无线通信技术和电力线载波技术，可以实现水、电、气表自动抄收和自主缴费以及用户与电网的交互功能。

3）规划设计和实施阶段的注意事项

在应用场景中，可以看出运用电力物联网的建设思想，确实提高了智能电网的实际性能、运行状态洞察力，丰富了管理手段。但因为物联网与智能电网的相似性，尤其是在网络层，在实际的系统融合建设中应避免重复建设问题。要将物联网与智能电网进行有机的整合，需要统筹规划，合理安排设计和建设计划。在电力系统的规划设计和实施阶段应注意以下事项。

（1）在规划阶段，需要注重电力系统的协调发展。例如，在智能电网的初步规划中应注意对物联网采集、通信、线路等各类拟建系统的设备或接口进行预留，在应用层需要注意相似业务的整合和集成。

（2）在电力系统的设计阶段，需要注重传输协议与体系的兼容性。目前，在网络层两个体系可以通过TCP/IP等协议进行数据包的结合，但在接入层面的具体标准、协议则过于分散。如何将传感技术、RFID技术、配网自动化技术、低压集抄与负控技术、M2M技术等各类技术协议统一结合，是在设计阶段需重点考虑的内容。

（3）在系统的实施阶段，需重点考虑统筹规范，实现建设成果的共享和业务优势的互补，避免重复建设和浪费。例如，将智能电网成熟的网络通信方案与电力物联网的功率、电能量、运行环境等信息采集、控制技术相结合，保证电能量信息的可靠性；将物联网的“全面感知”与智能电网的节能控制、需求侧管理结合，保证电能的合理调度与分配以及分布式电源的有序接入等。

随着传感器技术和决策分析技术的进步，物联网技术必将继续推进电力系统的发展与完善，电力物联网将具有持续的经济价值和研究价值。