面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與應(yīng)用方案研究

根據(jù)智能電網(wǎng)信息通信技術(shù)平臺的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和功能需求，提出了面向智能電網(wǎng)輸電、變電、配電和用電四大環(huán)節(jié)的物聯(lián)網(wǎng)分層體系架構(gòu)，并將其與傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)進(jìn)行了對比。作為物聯(lián)網(wǎng)末端的最重要組成部分之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，提出了面向智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案。同時(shí)，在對智能電網(wǎng)的互動性需求分析的基礎(chǔ)上提出了面向智能用電的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

引言

雖然我國電網(wǎng)信息化程度在不斷地提高，但仍然面臨著一些特殊問題，如建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)骨干電力網(wǎng)架，提高電網(wǎng)抵御多重故障的能力，加強(qiáng)各區(qū)域電網(wǎng)骨干網(wǎng)架，提升電網(wǎng)穩(wěn)定水平，增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行靈活性，完善電力相關(guān)企業(yè)信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)與用戶之間的信息互動，充分發(fā)揮信息技術(shù)在重大決策和現(xiàn)代化管理中的作用等。這些問題的解決是現(xiàn)有電網(wǎng)向可靠、自愈、經(jīng)濟(jì)、兼容、集成和安全的智能電網(wǎng)演進(jìn)的關(guān)鍵。搭建新一代智能電網(wǎng)信息通信技術(shù)(ICT)平臺是智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)。

同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)作為一種實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的新型通信網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)在物流管理、智能建筑、安全服務(wù)、健康醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，并且收到了良好的效果。物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別(RFID)、無線傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連，從而實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的信息交互和通信。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)末端最關(guān)鍵的技術(shù)。

目前，智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均被提升到國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略決策層面，如何將智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)有機(jī)地結(jié)合起來是電力發(fā)展中需要解決的重要問題。將物聯(lián)網(wǎng)引入新一代智能電網(wǎng)信息通信技術(shù)(ICT)平臺中，不應(yīng)是對當(dāng)前電力通信網(wǎng)的重構(gòu)，而是在現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展物與物之間的直接通信方式，從而降低電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的人工參與度，提升電網(wǎng)的安全系數(shù)。與此同時(shí)，還應(yīng)利用物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)融合、兼容開放、自組織自愈等突出特點(diǎn)，與互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與社會的相互感知與互動?；谖锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用能夠極大地拓寬現(xiàn)有電力通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)范圍，提高電力系統(tǒng)的安全性和抗故障、御災(zāi)害能力，實(shí)現(xiàn)與用戶的信息交互，最終達(dá)成智能電網(wǎng)節(jié)能減排、兼容互動、安全可靠的目標(biāo)。

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)特性，通過對智能電網(wǎng)輸電、變電、配電和用電四大環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)需求分析，提出了面向智能電網(wǎng)ICT平臺的物聯(lián)網(wǎng)分層體系架構(gòu)，并將物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有電力通信網(wǎng)的性能進(jìn)行了對比。在此基礎(chǔ)上，針對智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方案;針對智能用電環(huán)節(jié)的感知互動性需求，具體分析了面向智能用電以及智能電網(wǎng)互動化的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

1 面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分析

多年來，盡管國內(nèi)電力行業(yè)在通信技術(shù)方面做了大量工作，對電網(wǎng)自動化水平的提高發(fā)揮了巨大作用。然而，面向下一代智能電網(wǎng)，現(xiàn)有電力信息通信平臺仍然遠(yuǎn)不能滿足其內(nèi)在需求。因此，必須從戰(zhàn)略高度重視新型信息通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究與試驗(yàn)工作，構(gòu)建安全、可靠、穩(wěn)定、適用、快速的智能電網(wǎng)ICT平臺。

從總體目標(biāo)上看，面向智能電網(wǎng)的ICT平臺應(yīng)當(dāng)是高度集成的開放式通信系統(tǒng)。它在覆蓋范圍上應(yīng)涵蓋電源、電網(wǎng)、用戶的全流程，形成統(tǒng)一整體;在業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)上應(yīng)覆蓋電網(wǎng)建設(shè)、生產(chǎn)調(diào)度、電能交易、技術(shù)管理的全方位;在管理控制上應(yīng)貫穿電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)改造、退役的全過程;在數(shù)據(jù)流傳送上應(yīng)包括信息采集、信息傳輸、信息集成、信息展現(xiàn)、決策應(yīng)用等各階段，最終形成電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的高度融合和一體化。智能電網(wǎng)ICT平臺除了為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)和高效運(yùn)行提供全方位技術(shù)支撐外，還將為綠色節(jié)能環(huán)保、資源最優(yōu)化配置、防災(zāi)減災(zāi)等方面提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支持。

1.1面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架

由于現(xiàn)有電力通信網(wǎng)在數(shù)據(jù)的終端采集上存在大量盲區(qū)，如對高壓輸電線路狀態(tài)監(jiān)測多采用人工巡檢，無法實(shí)現(xiàn)線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控;系統(tǒng)自愈、自恢復(fù)能力完全依賴于實(shí)體冗余;對客戶的服務(wù)簡單、信息單向;系統(tǒng)內(nèi)部存在多個(gè)信息孤島，缺乏信息共享;雖然局部的自動化程度在不斷提高，但由于信息的不完善和共享能力的薄弱，使得系統(tǒng)中多個(gè)自動化系統(tǒng)是割裂的、局部的、孤立的，不能構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)的有機(jī)統(tǒng)一整體，所以整個(gè)電網(wǎng)的智能化程度還不夠高。

針對目前電力通信網(wǎng)中存在的諸多問題搭建面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架，其實(shí)質(zhì)是利用物聯(lián)網(wǎng)搭建的支撐全面感知、全景實(shí)時(shí)的通信系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境感知性、多業(yè)務(wù)和多網(wǎng)絡(luò)融合性有效地植入智能電網(wǎng)ICT平臺中，從而掃除數(shù)據(jù)采集盲區(qū)，清除信息孤島，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、雙向互動的智能電網(wǎng)通信平臺。

從具體內(nèi)容上看，如圖1所示，面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合電網(wǎng)各大環(huán)節(jié)的應(yīng)用需求，確立了智能輸電、智能變電、智能配電和智能用電四大應(yīng)用模塊，從四大模塊的應(yīng)用需求側(cè)出發(fā)搭建電力綜合信息平臺，面向上層的信息處理和應(yīng)用，信息平臺數(shù)據(jù)庫作為信息處理的有效載體，緊密結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)泛在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理分析，通過對海量信息的有效處理實(shí)現(xiàn)包括對輸電線路、變電站設(shè)備、配電線路及配電變壓器的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障檢修，統(tǒng)一調(diào)配電力資源，實(shí)現(xiàn)與用戶的信息雙向互動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠和互動的智能電網(wǎng)內(nèi)在要求。

針對下層的信息采集和傳輸，面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架在感知延伸互動階段，利用大面積、高密度、多層次鋪設(shè)的傳感器節(jié)點(diǎn)、RFID標(biāo)簽以及多種標(biāo)識技術(shù)和近距離通信手段實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的全面采集，針對各個(gè)環(huán)節(jié)的不同特點(diǎn)和技術(shù)要求，分別在電力輸、變、配、用四大環(huán)節(jié)搭建傳感網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)結(jié)合多種近程通信技術(shù)，通過數(shù)據(jù)的大量采集提高信息的準(zhǔn)確性，為智能電網(wǎng)的高效節(jié)能、供求互動提供數(shù)據(jù)保障。在信息傳輸階段，以電力通信網(wǎng)作為信息傳輸通道，利用光纖或?qū)拵o線接入方式傳輸輸電線路信息、變電站設(shè)備狀態(tài)信息、電力調(diào)配信息以及居民用電信息，實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。