物聯(lián)網(wǎng)及其在電力系統(tǒng)中的應用研究

引言

近年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在包括智能電網(wǎng)、智能交通、工業(yè)監(jiān)測、公共安全等多個領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應用。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也使得物聯(lián)網(wǎng)在信息傳送效率提升、生產(chǎn)率提高、企業(yè)管理成本降低等方面起到了重要的作用［七比如，在2009年8月24日出版的《人民日報》19版《從互聯(lián)網(wǎng)到''物聯(lián)網(wǎng)”》一文中提到，國家電網(wǎng)江西供電公司將傳感裝置安裝到分布在全省范圍內(nèi)的兩萬臺配電變壓器上，實時監(jiān)測其運行狀態(tài)，實現(xiàn)電力使用情況檢查、電能質(zhì)量監(jiān)測、線路及設備負荷管理、線損管理和需求管理等一體化高效管理，從而使得每年可以降低1.2億千瓦時電能損耗。

電廠電網(wǎng)、變電站、供電局、供電所彼此間信息的傳遞通過電力通信及電力信息系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了的全覆蓋，同時建立了傳輸網(wǎng)絡、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡等來適應不同的業(yè)務需求，從而使各層面間實現(xiàn)了通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。未來的發(fā)展將利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這個網(wǎng)絡延伸至配網(wǎng)，以及現(xiàn)實中的各種物體，實現(xiàn)物物通信。近年來，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，如何組建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力系統(tǒng)通信，已成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點之一。

1物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)

1999年美國麻省理工學院Auto-ID提出了“萬物皆能通過網(wǎng)絡相互聯(lián)結(jié)”的觀點，并對物聯(lián)網(wǎng)的基本含義進行了闡述。ITU提出了物聯(lián)網(wǎng)的基本定義為'通過RFID,紅外傳感器、GPS、激光掃描設備、氣體感應器等傳感設備，按照規(guī)定的一系列協(xié)議，將任意物品連接到互聯(lián)網(wǎng)中，從而達到信息交換和通訊，用來實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理為目的網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)中的交互實體是時間或空間上可移動的物理實體或虛擬物體，采用近場無線通信、無線傳感與執(zhí)行網(wǎng)絡與RFID等技術(shù)的融合，連接物理世界與虛擬世界。在物聯(lián)網(wǎng)中，物體參與商業(yè)、社會和信息的活動，進行交互和通信;并感知環(huán)境，與環(huán)境交換數(shù)據(jù)和信息。

1.1物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)

以RFID和網(wǎng)絡技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)的初期物聯(lián)網(wǎng)主要用于對貨物及商品的管理，隨著技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對物的控制，進一步達到“以物控物”。物聯(lián)網(wǎng)自身需具有一定程度的智能，通過感知周圍環(huán)境的變化完成動態(tài)自適應。同時，材料技術(shù)的發(fā)展也促使物聯(lián)網(wǎng)功能屬性得到延伸，未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不僅能夠準確操作宏觀物體，而且還可以對微觀物體進行精確控制。從目前來看，須通過網(wǎng)絡融合技術(shù)的發(fā)展來克服傳統(tǒng)網(wǎng)絡的異構(gòu)型對未來全球物聯(lián)網(wǎng)的應用的形成造成的困難。綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)具有以下五項核心技術(shù)：標識事物的RFID技術(shù)、傳感器與探測技術(shù)、思考事物的智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡融合技術(shù)以及微縮事物的納米技術(shù)。

標識事物的RFID技術(shù)就是RFID，即射頻識別技術(shù)。它可以在一個復雜的環(huán)境中，無需人工干預，自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID由閱讀器、標簽和天線三部分組成,由這些組成部分完成對物體的控制、檢測和跟蹤。做為具有唯一電子編碼的芯片和耦合元件的標簽，進入由閱讀器射頻信號形成的磁場后，通過感應電流獲取能量后將存儲在芯片中的產(chǎn)品信息發(fā)出。通過射頻產(chǎn)生的磁場，閱讀器就可以對標簽信息讀取或?qū)懭?。天線的作用是在標簽和閱讀器間傳輸射頻信號。

傳感器與探測技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知環(huán)境和自身狀態(tài)的核心技術(shù)，傳感器與探測技術(shù)能夠為網(wǎng)絡系統(tǒng)進行處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。目前，傳統(tǒng)傳感器正逐漸的向微型化、信息化、智能化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展，并將傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器由嵌入式Web傳感器逐漸取代。

智能控制技術(shù)的主要目的是為了物體具有一定的智能型,以智能系統(tǒng)植入物體中形成智能控制系統(tǒng)，再通過這個系統(tǒng)對物體的各種狀況進行分析。智能控制的理論來源于認知計算,認知計算也是當前人工智能的最新研究方向。要想使物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“以物控物”的目標，那么既需要事物能夠感知學習外界環(huán)境信息，而且還要能夠讓物體覺察發(fā)現(xiàn)自身的行為習慣。

網(wǎng)絡融合技術(shù)最早起源于電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)及因特網(wǎng)在業(yè)務層面的融合。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，各種網(wǎng)絡標準的不斷涌現(xiàn)，異構(gòu)網(wǎng)絡和網(wǎng)絡復雜度的提高等因素，嚴重阻礙了跨網(wǎng)絡業(yè)務的發(fā)展。網(wǎng)絡融合技術(shù)在網(wǎng)絡層面對各種異構(gòu)網(wǎng)絡進行融合，消除網(wǎng)絡間由于不同標準而形成的數(shù)字鴻溝，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡間的無縫切換。

納米技術(shù)是對尺寸在0.1nm?100nm范圍內(nèi)的材料性質(zhì)及應用進行研究的新興技術(shù)，這一研究技術(shù)包括眾多學科,如納米化學、納米力學、納米體系物理學、納米材料學等等。由于納米材料所具有的的性質(zhì)，所以用納米材料制作的器材具有重量輕、硬度強、壽命長、設計方便、維修成本低等特點,從而使得納米技術(shù)在最近幾年發(fā)展迅速。納米技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，可以使物聯(lián)網(wǎng)從宏觀走向微觀，從而使“物”在物聯(lián)網(wǎng)中"感知萬物”、“以物控物”。

1.2物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1.2.1泛在網(wǎng)體系框架

目前，對物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)大多采用由ITU-T在Y.2002建議中所描述的泛在網(wǎng)分層體系結(jié)構(gòu)。在Y.2002建議中將物聯(lián)網(wǎng)自下而上以此劃分為分為五個層次：底層傳感器網(wǎng)絡、泛在傳感器接入網(wǎng)絡、泛在傳感器基礎骨干網(wǎng)絡、泛在傳感器網(wǎng)絡中間件和泛在傳感器網(wǎng)絡應用平臺。

1.2.2M2M體系結(jié)構(gòu)

在亞洲和歐洲的一些國家,M2M已經(jīng)進入部分商用階段,主要應用應用領(lǐng)域有安全監(jiān)控、城市信息化、物流系統(tǒng)、公共交通等。在ETSI制定的M2M體系結(jié)構(gòu)中，將物聯(lián)網(wǎng)劃分為三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。

1.2.3通用物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

目前，可運營管理的通用物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)尚處在初期研究階段。ITU在文獻中對泛在傳感網(wǎng)絡進行了描述，認為泛在傳感網(wǎng)絡是一種通用的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，它將物聯(lián)網(wǎng)分為四層，分別為感知層、網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)智能層和應用層，圖1所示是一般物聯(lián)網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)圖。

圖1中感知層的功能，通俗來講，即在傳統(tǒng)網(wǎng)絡基礎上將用戶終端向“下”擴展和延伸，擴大通信對象范圍，從原來的人與人之間的通信擴展到人與現(xiàn)實世界中萬物之間的通信。感知層主要實現(xiàn)感知并采集數(shù)據(jù)，對物理世界中發(fā)生的事件進行感知，并捕獲事件過程中的數(shù)據(jù)。因此，感知層是整個物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵和核心。

網(wǎng)絡層的建立以現(xiàn)有網(wǎng)絡為基礎，主要承載數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)匯聚、安全可靠地傳遞和處理信息，如同目前的電話通信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層是將傳感器網(wǎng)絡技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動通信技術(shù)相融合。

數(shù)據(jù)智能層包括智能處理中心、信息中心以及網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)管理中心等等。

應用層作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的驅(qū)動力和主要目的，是為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與具體行業(yè)技術(shù)的深度融合。應用層主要將感知和傳輸?shù)玫降男畔⑦M行分析處理，從而進行正確的控制和決策,服務于智能電力、智能交通、智能家居等行業(yè)，實現(xiàn)行業(yè)管理、應用、服務的智能化。

2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力通信系統(tǒng)的應用

電力通信系統(tǒng)承載著電力系統(tǒng)中信息的傳輸業(yè)務，這些信息包括語音、數(shù)據(jù)、故障錄播及視頻等。電力通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于通信設備能否正常運行。同時，在通信設備發(fā)生故障時能否及時發(fā)現(xiàn)，尤其在一些無人值守變電所業(yè)務出現(xiàn)故障時能否及時發(fā)現(xiàn)并得到處理關(guān)系著整個局部電力系統(tǒng)的運行。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電力通信系統(tǒng)的特征，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于電力通信系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省人力資源，而且還能及時的獲取中心及偏遠變電所設備的運行狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)通信、應急通信以及智能電網(wǎng)等方面可以為電網(wǎng)智能化提供必要的技術(shù)支持和保障。

2.1配電網(wǎng)自動化

配電網(wǎng)大多是指等級在10kV之下的電壓網(wǎng)絡，是相對于高壓輸變電網(wǎng)而言的。配電網(wǎng)具有電壓等級多、配電設備多、支線較多、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜、事故幾率高、事故查找困難、變動頻繁等特征。通過對國內(nèi)外配電網(wǎng)可靠性實例的研究分析,發(fā)現(xiàn)解決上述問題的最佳方法是實時配網(wǎng)自動化。配電網(wǎng)自動化的功能包括配電網(wǎng)運行自動化和管理自動化兩個方面。在配電網(wǎng)運行自動化操作過程中包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、故障自動隔離及恢復供電和電壓無功及無功管理；而對設備的管理、檢修管理、停電管理和規(guī)劃設計管理包括在配電網(wǎng)管理自動化中。

在配網(wǎng)通信中，主要采用的通信方式有光纖以太網(wǎng)、配電載波、GPRS或3G,以及諸如無線擴頻、ZigBee等。在這些通信方式中光纖以太網(wǎng)采用EPON或GPON使用較多，但是由于配網(wǎng)經(jīng)常會變動，同時光纖施工難度較大、綜合成本較高；配電載波傳輸質(zhì)量較差，安全性比較低；GPRS等無線技術(shù)雖然通信質(zhì)量較好，當容易受到路徑的反射干擾，同時安全性也較差。

通過分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，對于存在于配網(wǎng)中終端與通信的問題可以使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)很好地解決，僅需在配網(wǎng)設備及附件中加入傳感器并將其聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)便可完成配網(wǎng)的通信工作，通過對數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控即可實現(xiàn)“三遙”(遙測、遙信、遙控)等自動化技術(shù)。從而有效解決配網(wǎng)中終端多，而且經(jīng)常變動的問題。

2.2應急通信

在電力系統(tǒng)中，“發(fā)輸配用”覆蓋范圍較廣，設備終端多,在每一階段都有可能隨時隨地發(fā)生事故，這就需要一個可靠的應急通信保障體系，在以往的工作中，一般只有事故發(fā)生會由搶險人員趕完現(xiàn)場檢查并檢測事故源，然后將結(jié)果匯報指揮中心，指揮中心根據(jù)事故原因制定相應處理方案并對事故進行處理。這將大大增加了搶險耗時。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用使得搶險時間大大減少，并未指揮中心和調(diào)度中心的工作提供便捷。通過安裝在終端設備的傳感器，可以實時智能化檢測電網(wǎng)運行狀態(tài)以及各終端設備的運行狀況。一旦發(fā)生事故，檢測系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，同時精確定位事故源，檢查事故狀況，并將準確的數(shù)據(jù)信息傳送到指揮中心，并啟動自我修復裝置，若無法自我修復，也可以讓搶險人員能夠提前準備所需設備或更換零件趕赴現(xiàn)場進行搶險,大大提高了事故的處理效率。

2.3智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)也稱為電網(wǎng)的智能化,有時也用電網(wǎng)2.0來稱呼。在美國能源部《Grid2030》中，對智能電網(wǎng)的定義為：一個完全自動化的電力傳輸網(wǎng)絡，能夠監(jiān)控電網(wǎng)中的每一個用戶和電網(wǎng)節(jié)點，確保從發(fā)電到用電的整個輸配電過程中，多個節(jié)點間信息和電能的雙向流動。而我國國家電網(wǎng)中國電力科學研究院給出的智能電網(wǎng)的定義為：以物理電網(wǎng)為基礎，將傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)等現(xiàn)代先進技術(shù)與物理電網(wǎng)高度融合而形成的新型電網(wǎng)。它可以充分滿足電力用戶對電力的需求、優(yōu)化資源配置，確保電力供應安全性、可靠性和經(jīng)濟性，滿足環(huán)保約束，保證電能質(zhì)量，適應電力市場化發(fā)展的目的，實現(xiàn)用戶對電力供應和增值服務的可靠、經(jīng)濟、清潔、互動等。

在智能電網(wǎng)中應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效補充或增強傳感器測量技術(shù)、通信技術(shù)、遠程抄表技術(shù)、信息技術(shù)等，同時可以對在網(wǎng)設備進行實時檢測，及時發(fā)現(xiàn)設備發(fā)生的事故并進行定位追蹤，而且通過傳感技術(shù)還可以對輸電線路桿塔、線路覆冰情況、設備溫度等進行實時監(jiān)測。對于一些高壓線路、海底電纜、配電房開關(guān)等難以通過通信方式有效收集的數(shù)據(jù),借助物聯(lián)網(wǎng)傳感器就可以很輕松地實時收集并整合，從而提高應急的靈敏度和管理的效率。

3結(jié)語

伴隨著智能電網(wǎng)的建設，電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在迅速的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中應用物聯(lián)網(wǎng)可以有效改善輸電通信基礎網(wǎng)絡,提高電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。作為配電網(wǎng)絡的重要途徑還可以實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡中無法實現(xiàn)的一些功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能有效克服惡劣氣候等一些自然災害，加強對突發(fā)應急狀況的檢測和處理，保障電力通信體系。

但是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前還處于初步階段，技術(shù)中還是很多不夠完備的地方，一些關(guān)鍵技術(shù)還需要攻克。對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電力系統(tǒng)技術(shù)的深層次融合還需要更進一步的研究，從而加快智能電網(wǎng)的建設步伐。

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