智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的研究

潘明明，郝為民，于東方

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院 北京100192；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京100083)

1 引言

國(guó)家電網(wǎng)向智能化電力物聯(lián)網(wǎng)的演變，給面向未來的新一代智能電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)管理帶來全新發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)也帶來了諸多挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，我們必須在先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋電力通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，加快建設(shè)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的智能化，如試點(diǎn)城市的用戶終端智能電表，加載各類傳感器元器件的部署和配備推廣，為以用電計(jì)量等的智能化應(yīng)用為代表的開展帶來可能和實(shí)現(xiàn)。隨著未來電網(wǎng)智能化的建設(shè)和部署，也給越來越豐富的基于全網(wǎng)的智能一體化應(yīng)用帶來可能。2008年，美國(guó)科羅拉多州的波爾得(Boulder)已經(jīng)成為了全美第一個(gè)智能電網(wǎng)城市，每戶家庭都安裝了智能電表，人們可以很直觀地了解當(dāng)時(shí)的電價(jià)，從而把一些事情，比如洗衣服、燙衣服等安排在電價(jià)低的時(shí)間段。電表還可以幫助人們優(yōu)先使用風(fēng)電和太陽(yáng)能等清潔能源。同時(shí)，變電站可以收集到每家每戶的用電情況。一旦有問題出現(xiàn)，可以重新配備電力。

2 研究?jī)?nèi)容

目前，電網(wǎng)的管理支撐系統(tǒng)還只是離散的孤立狀態(tài)，各類電力業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范試驗(yàn)認(rèn)證評(píng)估等還在研究中，針對(duì)發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)及用戶側(cè)業(yè)務(wù)還缺乏統(tǒng)一管理，缺少對(duì)用戶側(cè)尤其是面向石油、化工、鋼廠等超大型用電戶實(shí)現(xiàn)電力能耗監(jiān)測(cè)、其他耗能監(jiān)測(cè)（用水、用氣等耗能）、能耗監(jiān)測(cè)與經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)融合的智能電網(wǎng)應(yīng)用方面的創(chuàng)新研究，而這將成為智能電網(wǎng)發(fā)展的金字塔模式，在稀有的同時(shí)也顯得越來越迫切。提升電力企業(yè)面向用戶側(cè)服務(wù)的運(yùn)營(yíng)能力，同時(shí)著力解決電力公司在智能化應(yīng)用管理方面的若干挑戰(zhàn)。

面向個(gè)性化應(yīng)用創(chuàng)新需求，實(shí)現(xiàn)電力公司對(duì)大客戶、家庭客戶等差異化服務(wù)。擺脫大眾化、粗線條的客戶體系，建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)更為個(gè)性化、小眾化的客戶服務(wù)體系。

建立事件型觸發(fā)分析需求，通過建立客戶活動(dòng)、體驗(yàn)等相關(guān)的業(yè)務(wù)模型，與可以感知、測(cè)量、捕獲信息的電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，隨時(shí)隨地傳遞信息的移動(dòng)互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)同工作，建立基于事件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)感知、體驗(yàn)、分析的即時(shí)互動(dòng)。

滿足電力公司對(duì)用戶側(cè)用電實(shí)時(shí)性監(jiān)控管理的需求，為捕捉客戶需求的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)策略管理滿足實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)的事件型觸發(fā)分析需求，同時(shí)分析結(jié)果數(shù)據(jù)要能便捷、標(biāo)準(zhǔn)化及實(shí)時(shí)地對(duì)外提供或轉(zhuǎn)化為協(xié)同控制要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)營(yíng)銷和服務(wù)。

轉(zhuǎn)變智能電網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)只作為后臺(tái)系統(tǒng)的角色，使之逐漸上升為主要的生產(chǎn)系統(tǒng)，打破原數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的模式，使智能電網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)逐漸成為電力企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理的“智庫(kù)”和“中樞”，使電力運(yùn)營(yíng)商核心競(jìng)爭(zhēng)力的作用越來越顯著。

3 智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的架構(gòu)研究

建設(shè)智能電力物聯(lián)網(wǎng)一體化管理平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)完整智能電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理體系的最終目標(biāo)，而用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)則是智能電力物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)中的重要組成部分，主要分為以下幾個(gè)部分。

3.1 智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)的感知層建設(shè)

對(duì)于配電網(wǎng)和用戶網(wǎng)而言，其各自物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)都在于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)采集過程中的安全監(jiān)控，即物聯(lián)網(wǎng)感知層建設(shè)。因?yàn)?0 kV以上的配電設(shè)備未來都將加裝各種先進(jìn)的傳感器，作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的觸角，傳感器將是各種物聯(lián)網(wǎng)中首先要研究的“門檻級(jí)要素”，沒有先進(jìn)、穩(wěn)定的傳感器作支撐的物聯(lián)網(wǎng)必然是“空中樓閣”，而以光纖和光波導(dǎo)芯片為首的無(wú)源傳感器將是未來電力傳感器研究與應(yīng)用的主要發(fā)展方向之一。目前，針對(duì)電力應(yīng)用的“光纖光柵火災(zāi)或溫濕度監(jiān)測(cè)傳感器”、“光波導(dǎo)型變壓器安全監(jiān)測(cè)傳感器”、“無(wú)源智能變電站安全監(jiān)控傳感器”等具有國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)水平的無(wú)源傳感器已經(jīng)進(jìn)入工程試用階段，相信未來幾年將大規(guī)模裝備到各級(jí)電力設(shè)施。而大型電力客戶，如鋼廠、化工廠等用電設(shè)備未來也將加裝這些傳感器，這些傳感器及管理系統(tǒng)會(huì)與電力干線輸電網(wǎng)傳輸傳感監(jiān)控系統(tǒng)、安全傳感系統(tǒng)整合，形成電力物聯(lián)網(wǎng)一體化管理平臺(tái)。

3.2 智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)

在實(shí)現(xiàn)面向智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要注意的是數(shù)據(jù)采集的方式是多樣的，如數(shù)據(jù)可以通過載波、光纖、無(wú)線、GPRS等通信方式進(jìn)行采集和傳輸。而目前用戶側(cè)數(shù)據(jù)采集則很大程度上還依靠人力，只有解決好用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)才能充分地發(fā)揮用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)感知層的先進(jìn)性與有效性，而解決網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)也相對(duì)容易些，可以充分利用當(dāng)今電力日益強(qiáng)大的EPON無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)中豐富的光纖通信資源，同時(shí)因地制宜,結(jié)合Wi-Fi、3G等無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)從而徹底解決用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)信息通信的孤點(diǎn)及孤島等問題。智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3 智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)的管理層/決策輔助層建設(shè)

智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)的管理層既要求數(shù)據(jù)曲線、歷史曲線、峰值告警等內(nèi)容又要求用戶側(cè)到配電側(cè)有自動(dòng)發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和信息雙向處理功能。要能提供事件處理決策功能，即引入計(jì)算機(jī)式的輔助專家處理庫(kù)，對(duì)于各環(huán)節(jié)的問題有自動(dòng)決策生成功能。同時(shí)，在智能決策基礎(chǔ)上引入先進(jìn)的控制技術(shù)，進(jìn)行分析、診斷和預(yù)測(cè)狀態(tài)并確定和采取適當(dāng)?shù)拇胧┮韵?、減輕和防止供電中斷和電能質(zhì)量擾動(dòng)的裝置和算法。

先進(jìn)控制技術(shù)的分析和診斷功能基于引進(jìn)預(yù)設(shè)的輔助專家知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，在專家系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，采取自動(dòng)的控制行動(dòng)。響應(yīng)時(shí)間將在秒級(jí)水平上，實(shí)現(xiàn)了自愈能力的智能電網(wǎng)的可靠性將獲得極大地提高。

同時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)和建設(shè)應(yīng)具備與上一級(jí)管理層如配電網(wǎng)、輸變電網(wǎng)管理平臺(tái)的自動(dòng)化對(duì)接基礎(chǔ)，或是局部實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)部分監(jiān)測(cè)功能。這必將推動(dòng)這些研究成果在智能電網(wǎng)全網(wǎng)生產(chǎn)、工程監(jiān)測(cè)、安全檢測(cè)以及ICT的深化和整合應(yīng)用。智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文面向未來智能電網(wǎng)的總體建設(shè)規(guī)劃及可預(yù)見的來自于技術(shù)和可行性架構(gòu)方面的挑戰(zhàn)，以智能電網(wǎng)中基礎(chǔ)的建設(shè)單元——“智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)”的研究為切入點(diǎn)，以“窺一斑而知全豹”的概念解析智能電網(wǎng)與電力物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)想及全網(wǎng)解決方案，因此“智能電網(wǎng)用戶側(cè)物聯(lián)網(wǎng)的研究”對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有積極的技術(shù)導(dǎo)引和架構(gòu)導(dǎo)引意義。