物聯網技術在智能電網的應用
物聯網是通過RFID技術、無線傳感器技術以及定位技術等自動識別、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將物品相關信息聚合到統一的信息網絡中，并利用云計算、模糊識別、數據挖掘以及語義分析等各種智能計算技術對物品相關信息進行分析融合處理，最終實現對物理世界的高度認知和智能化的決策控制。智能電網的實現，首先依賴于電網各個環(huán)節(jié)重要運行參數的在線監(jiān)測和實時信息掌控，基于此，物聯網作為“智能信息感知末梢”，可成為推動智能電網發(fā)展的重要技術手段。未來智能電網的建設將融合物聯網技術，物聯網應用于智能電網最有可能實現原創(chuàng)性突破、占據世界制高點的領域。
一、物聯網技術在智能電網領域應用大有可為
智能電網主要是通過終端傳感器在客戶之間、客戶和電網公司之間形成即時連接的網絡互動，實現數據讀取的實時、高速、雙向的效果，從而整體提高電網的綜合效率。國家電網公司智能電網實現電力流、信息流、業(yè)務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信息運轉的有效載體。通過充分利用堅強智能電網多元、海量信息的潛在價值，可服務于堅強智能電網生產流程的精細化管理和標準化建設，提高電網調度的智能化和科學決策水平，提升電力系統運行的安全性和經濟性。
智能電網的核心在于，構建具備智能判斷與自適應調節(jié)能力的多種能源統一入網和分布式管理的智能化網絡系統，可對電網與客戶用電信息進行實時監(jiān)控和采集，且采用最經濟與最安全的輸配電方式將電能輸送給終端用戶，實現對電能的最優(yōu)配置與利用，提高電網運行的可靠性和能源利用效率。智能電網的本質是能源替代和兼容利用，它需要在開放的系統和共享信息模式的基礎上，整合系統中的數據，優(yōu)化電網的運行和管理。
面向智能電網的物聯網從技術方案的角度來講，網絡功能仍集中于數據的采集、傳輸、處理三個方面：一是數據采集傾向于更多新型業(yè)務。由于寬帶接入技術的支持，物聯網應用不局限于數據量的限制，在未來的大規(guī)模應用中可以提供更多的數據類型業(yè)務，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。二是網內協作模式的數據傳輸。以網內節(jié)點的協作互助為基本方式，解決數據傳輸問題。以各種成熟的接入技術為物理層基礎，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、擁塞避免等技術實現節(jié)點協作數據傳輸模式。三是網內數據融合處理技術。物聯網不僅僅是一個向用戶提供物理世界信息的傳輸工具，同時還在網絡內部對節(jié)點采集數據進行融合處理，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，用戶端得到的數據是經過大量融合處理的非原始數據。
物聯網作為智能電網末梢信息感知不可或缺的基礎環(huán)節(jié)，在電力系統中具有廣闊的應用空間，物聯網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網，在電網建設、生產管理、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)務跟物聯網相關。傳感器網絡可以全方位提高智能電網各個環(huán)節(jié)的信息感知深度和廣度，為實現電力系統的智能化以及信息流、業(yè)務量、電力流提供高可用性支持。
面向智能電網應用的物聯網應當主要包括感知層、網絡層和應用服務層。感知層主要通過無線傳感網絡、RFID等技術手段實現對智能電網各應用環(huán)節(jié)相關信息的采集；網絡層以電力光纖網為主，輔以電力線載波通信網、無線寬帶網，實現感知層各類電力系統信息的廣域或局部范圍內的信息傳輸；應用服務層主要采用智能計算、模式識別等技術實現電網信息的綜合分析和處理，實現智能化的決策、控制和服務，從而提升電網各個應用環(huán)節(jié)的智能化水平。
物聯網技術在于智能電網的主要應用見圖1。
物聯網技術主要應用于智能家電傳感網絡系統、智能家居系統、無線傳感安防系統、用戶用能信息采集系統等，主要硬件設備包括智能交互終端、智能交互機頂盒、智能插座等。該系統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合的寬帶通信平臺來實現。物聯網應用于智能電網用戶服務的網絡架構見圖2。
面向智能電網的物聯網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，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，進行高效的數據融合，將融合后的信息傳輸至中間一層的網絡接入設備；中間層網絡接入設備負責底層終端設備采集數據的轉發(fā)，負責物聯網與智能電網專用通信網絡之間的接入，保證物聯網與電網專用通信網絡的互聯互通。在物聯網中，網絡設備之間的數據鏈路可采用多種方式并存的鏈路連接，并依據智能電網的實際網絡部署需求，調整不同功能網絡設備的數量靈活控制目標區(qū)域／對象的監(jiān)測密度和監(jiān)測精度，以及網絡覆蓋范圍和網絡規(guī)模。
二、物聯網技術應用在智能電網的作用
我們感覺智能電網是與物聯網最為密切的一個行業(yè)，未來智能電網的建設必然產生世界上最大、最為智能、信息感知最為全面的物聯網。物聯網技術可以實現電力設備狀態(tài)檢測、電力生產管理、電力資產全壽命周期管理、智能用電。利用物聯網技術將有助于實現智能用電雙向交互服務、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，為實現用戶與電網的雙向互動、提高供電可靠性與用電效率以及節(jié)能減排提供技術保障。
1、實現按需發(fā)電，避免電力浪費
物聯網并不神秘，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，目前的電網技術中，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用掉，否則將造成能源的巨大浪費。而通過物聯網技術運用，這一困擾電企多年的問題將迎刃而解。2009年9月，南瑞集團聯合3家科技企業(yè)組建的江蘇瑞中數據股份有限公司，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的傳感器網絡中樞，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
在傳統的輸電線路和配用電設備加上傳感器，再接入物聯網，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”進入公共電網，每個月還能收到電力公司付的“電費”，到2015年，這種技術就可能走進尋常百姓家。
3、保證輸電安全
電力行業(yè)是關系到國計民生的基礎性行業(yè)。電力線傳輸系統包括變電站（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，是電力網的骨干部分。電力系統是一個復雜的網絡系統，其安全可靠運行不僅可以保障電力系統的正常運營與供應，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。中國國家電網公司于2010年 5月21日公布了智能電網計劃，其主要內容包括：以堅強的智能電網為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合，構建堅強可靠、經濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的現代電網。采用物聯網技術可以全面有效地對電力傳輸的整個系統，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。包括對電力系統運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和自動故障處理，確定電網整體的健康水平，觸發(fā)可能導致電網故障的早期預警，確定是否需要立即進行檢查或采取相應的措施，分析電網系統的故障、電壓降低、電能質量差、過載和其他不希望的系統狀態(tài)，基于這些分析，采取適當的控制行動。
國家電網應用傳感器網絡解決了很多問題，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備檢測線路的實時情況來保證電網的安全。還通過一些設備的使用和部署，來提高傳感的效率，保證輸電到位。
4、提升服務水平
作為國內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“物聯網”，構建和諧的數字化生態(tài)系統。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網技術的信息化解決方案，通過基于移動通信網絡的機器與機器，機器與人之間的信息采集、傳輸和應用處理，實現對機器的遠程監(jiān)控及指揮調度。
2009年11月18日，中國南方電網有限責任公司、中國移動通信有限公司在廣州聯合舉行了戰(zhàn)略合作簽約儀式。南方電網與中國移動將在基礎通信、管理信息化、市場營銷信息化、信息化技術交流合作等方面開展合作，屆時，物聯網技術將廣泛應用于南方電網信息化系統建設的各個領域，通過有效配置具有傳感功能的自動化終端設備，將大大提高電力行業(yè)的工作效率，降低故障處理時間，提高服務質量。本次合作將涵蓋三大領域，即電能計量自動化系統、電力行業(yè)終端通信保障平臺和“95598”服務熱線服務平臺。其中，電能計量自動化系統已經應用在大客戶負荷管理、配變監(jiān)控和低壓集抄領域，據統計，南方電網僅在廣東區(qū)域的計量自動化終端數量就超過了25萬；電力行業(yè)終端通信保障平臺的推廣應用，將使南方電網電力通信故障平均處理時間縮短一倍以上，大大提升服務水平和客戶滿意度。
手機購電是運營商和電力公司合作推出的一項基于物聯網技術的大眾服務業(yè)務。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，以便電力公司有效地了解各戶的用電情況。手機購電服務開展以后，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，物聯網傳感器測量房間的溫度，控制系統按照需要的溫度對空調進行智能控制。通過實驗，這項技術節(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備連接到網絡中的控制計算機，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家庭智能用戶服務的關鍵設備，其通過利用先進的信息通信技術，對家庭用電設備進行統一監(jiān)控與管理，對電能質量、家庭用電信息等數據進行采集和分析，指導用戶進行合理用電，調節(jié)電網峰谷負荷，實現電網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，可實現家電的智能化和網絡化，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、互聯網服務等增值服務。
三、物聯網技術在智能電網領域應用研究緊鑼密鼓
國家電網開展物聯網在智能電網領域的應用已經很早了，2001年就有一個WSN（無線傳感網絡）在配電網的應用重大專項。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，無線傳感網絡的應用和成果進一步推動了智能電網的建設。
為盡快開展物聯網技術在電力系統應用的研究，國網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網技術的研發(fā)，組建了專門從事物聯網在電力系統應用的研發(fā)團隊。劉建明總經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、無錫物聯網產業(yè)研究院、普天信息產業(yè)研究院、江蘇省電力公司、無錫供電公司等單位，探討物聯網在智能電網中的應用技術。
為推動物聯網以及新一代寬帶通信技術在智能電網中的應用，打造物聯網在智能電網應用的攻關團隊，形成物聯網研究的先發(fā)優(yōu)勢，國網信通公司聯合中國電力科學研究院、物聯網研究院等國內多家從事物聯網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絡會，該課題組主要技術人員歷經了長達一個多月的封閉式研討，分析和論證了物聯網技術在智能電網輸、變、配、用四個環(huán)節(jié)的攻關目標，制定了7大應用系統10余個產品、一個一體化平臺、一個標準安全體系的開發(fā)研究框架。
關于智能電網在配用電側的應用，2009年國家電網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，安防等領域，另外還有電表以及相應的增值服務。為了配合智能電網的發(fā)展，國家電網已開始光纖的電網試點，2010年將在全國14~18個省進行推廣，要求各地的新建小區(qū)全部實現光纖到戶。除了在全國開展大批關于物聯網的試點，國家電網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，全國各省要部署完畢省級的主干系統的用電信息采集，同時各省要完成整個用電采集工作。
國網信通公司從國網公司的發(fā)展大局出發(fā)，從服務于堅強統一智能電網的建設出發(fā)，緊跟國際最新的信息通信技術，開拓進取，在系統內率先開展了物聯網技術的研究和部署，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，在物聯網的專用芯片、應用系統開發(fā)、標準體系、信息安全、無線寬帶通信、軟件平臺、測試技術、實驗技術等方面進行了全面部署，力爭在未來3年內實現物聯網技術在電力系統應用多項核心技術的突破，形成若干項有重大影響的創(chuàng)新性科研成果，成為在國內外有重要影響的從事智能電網物聯網技術研究和應用的研發(fā)中心和產業(yè)化基地。
