基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)信息管理平臺

郭洪月　關(guān)微　趙波　張津銘　張玉良　陳明非

摘 要：針對傳統(tǒng)電網(wǎng)缺乏信息共享等情況，應(yīng)將物聯(lián)網(wǎng)有效、合理地與智能電網(wǎng)相結(jié)合，構(gòu)建新一代智能電網(wǎng)信息管理平臺。相關(guān)單位應(yīng)建立物聯(lián)網(wǎng)USN分層體系架構(gòu)，制訂基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用方案，從而提高電力系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化、自動化水平，滿足智能電網(wǎng)高效、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠和社會感知互動的實際要求，這對電網(wǎng)的重大決策和高效管理有較大的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；信息管理平臺；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.004

雖然我國現(xiàn)有電網(wǎng)的現(xiàn)代化、信息化水平在不斷提高，但仍然存在一些問題。為了提高電網(wǎng)的運行效率、可靠性，降低運行成本、改善環(huán)境質(zhì)量和減少污染物的排放，需要對現(xiàn)有的長距離輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字化升級，并優(yōu)化電網(wǎng)的運行狀態(tài)，而組建安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、兼容的智能電網(wǎng)是解決這些問題的關(guān)鍵。通過充分利用可靠的雙向通信技術(shù)、無線傳感器技術(shù)和分布式計算技術(shù)，提升了智能電網(wǎng)的電力傳輸效率和用電效率，減少了故障停電損失，提高了電網(wǎng)的可靠性和安全性。近年來，如何有機(jī)結(jié)合智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被提升到國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略決策層面，成為電力發(fā)展中需要解決的重要問題。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的USN基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對智能電網(wǎng)的輸電、變電、配電和用電四大環(huán)節(jié)進(jìn)行了需求分析，提出了智能電網(wǎng)通信管理平臺的物聯(lián)網(wǎng)分層體系架構(gòu)，并針對智能電網(wǎng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提出了基于物聯(lián)網(wǎng)終端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用解決方案。

1 傳統(tǒng)電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的特點

傳統(tǒng)電網(wǎng)完全按照發(fā)電、輸電、配電、用電橫向的傳輸方向配置，每一個業(yè)務(wù)面均由垂直多級的控制部分組成，屬于簡單的剛性系統(tǒng)，其基本構(gòu)架如圖1所示。傳統(tǒng)電網(wǎng)的缺陷是在數(shù)據(jù)采集的終端上存在大量盲區(qū)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部無法共享信息，形成多個信息孤島，當(dāng)信息采集量較大時，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況，降低了可用性和可信度。此外，傳統(tǒng)電網(wǎng)對信息的收集、利用水平較低，信息管理是分散的，整個電網(wǎng)的現(xiàn)代化、智能化程度較低，難以構(gòu)成綜合的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)是一項復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等環(huán)節(jié)，組織構(gòu)架比傳統(tǒng)電網(wǎng)更緊密，可形成全電網(wǎng)的綜合優(yōu)化體系，實現(xiàn)裝備最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比運行，如圖2所示。智能電網(wǎng)的基本特征是在大量交互式數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)精細(xì)化、智能化管理，使能源資源開發(fā)、發(fā)電、輸電、配電、供電、售電和用電等電網(wǎng)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)節(jié)約成本

的目標(biāo)。智能電網(wǎng)主要通過終端傳感器，在用戶之間、用戶與電網(wǎng)公司之間形成即時連接的智能互動網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高速、雙向的數(shù)據(jù)讀取效果，從而達(dá)到精確供電、互補(bǔ)供電、提高能源利用率、供電安全、節(jié)能減排的目標(biāo)。目前，我國電網(wǎng)的特點為統(tǒng)一、堅強(qiáng)、智能，歐美國家智能電網(wǎng)的特點為綠色、清潔、環(huán)保、分布式?？傮w而言，信息通信、智能管理與決策和數(shù)據(jù)采集控制是智能電網(wǎng)不可或缺的三要素，而高速、實時、雙向的信息通信是智能電網(wǎng)首先要具備的基本要素。

2 智能電網(wǎng)通信管理平臺的構(gòu)建

2.1 物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合

1999年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）首次提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念，全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的特征。為了消除現(xiàn)有電力通信網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集盲區(qū)、信息孤島，實現(xiàn)實時監(jiān)控、雙向互動的智能電網(wǎng)通信管理平臺，需要將物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)有機(jī)結(jié)合。因此，如何將物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境感知性、多業(yè)務(wù)性和多網(wǎng)絡(luò)融合性有效植入智能電網(wǎng)通信管理平臺，搭建全面感知、全景實時的智能電網(wǎng)信息管理平臺已成為相關(guān)研究人員的新課題。此外，建設(shè)智能電網(wǎng)必然會連帶產(chǎn)生世界上最大、最智能、信息感知最全面的物聯(lián)網(wǎng)。智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺與現(xiàn)有電力通信網(wǎng)的性能比較如表1所示。

物聯(lián)網(wǎng)是一種新型的通信網(wǎng)絡(luò)，具有智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能，已在物流管理、智能建筑、安全服務(wù)、健康醫(yī)療等多個領(lǐng)域試點應(yīng)用，收到了良好的效果和經(jīng)濟(jì)效益。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，可將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連，從而實現(xiàn)物與物、人與物之間的信息交互和通信。將物聯(lián)網(wǎng)引入新一代的智能電網(wǎng)通信管理平臺中，利用物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)融合、兼容開放、自組織、自愈等特點，可重構(gòu)現(xiàn)有電力通信網(wǎng)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物與物之間的直接通信，降低了電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的人工參與度，提升了電網(wǎng)的安全系數(shù)，實現(xiàn)了電網(wǎng)與社會的相互感知。智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用體系如圖3所示?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，可極大地擴(kuò)大現(xiàn)有電力通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)范圍，提高電力系統(tǒng)的安全性和抵御故障、災(zāi)害能力，實現(xiàn)與用戶的信息交互，最終實現(xiàn)智能電網(wǎng)的節(jié)能減排、兼容互動、安全、可靠的目標(biāo)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)，在電網(wǎng)的建設(shè)、安全管理、運維、信息采集、安全監(jiān)控、計量和用戶用電交互等方面具有廣闊的發(fā)展空間，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2.2 智能電網(wǎng)信息管理平臺的結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)不同環(huán)節(jié)的應(yīng)用需求不同，因此，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。根據(jù)不同階段的完成功能和支撐技術(shù)的區(qū)別，采用了物聯(lián)網(wǎng)的USN基本網(wǎng)絡(luò)模型。USN體系結(jié)構(gòu)按照功能層次較為清楚地定義了物聯(lián)網(wǎng)的組成，自下而上分為5層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，即感知網(wǎng)、接入網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、中間件和應(yīng)用平臺。修改該體系結(jié)構(gòu)后，提出了一些經(jīng)過演化的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，如圖4所示。感知網(wǎng)用于環(huán)境信息的全方位采集和傳輸，利用自身的通信延伸子層、感知控制子層采集機(jī)械狀態(tài)信息、環(huán)境狀態(tài)信息和電量信息，并將物理實體與網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層連接；接入網(wǎng)由網(wǎng)關(guān)或匯聚節(jié)點組成，可為感知網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)、控制中心間的通信提供基礎(chǔ)設(shè)施；網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)責(zé)信息的傳遞和控制，基于后IP技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)（NGN）可實現(xiàn)多種組網(wǎng)方式的異構(gòu)融合和協(xié)同工作；中間件由負(fù)責(zé)大規(guī)模數(shù)據(jù)采集和處理的軟件組成；應(yīng)用平臺是實現(xiàn)智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)，可提高人們生產(chǎn)和生活的效率。基于物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，搭建智能電網(wǎng)通信管理平臺，可實現(xiàn)與用戶的信息雙向互動，從而滿足高效、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠和互動的要求。

2.3 智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用方案

為了提高電力系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化、自動化水平，物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)通信管理平臺上的應(yīng)用主要基于物聯(lián)網(wǎng)終端的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為智能電網(wǎng)的信息感知末梢，是智能電網(wǎng)建設(shè)中不可或缺的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一，可全方位地提高智能電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的信息感知深度和廣度，為智能電網(wǎng)“信息流、業(yè)務(wù)流與電力流”的高度融合提供技術(shù)支持。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點自主形成的多跳網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)物與物之間的直接通信，較高密度的節(jié)點分布使監(jiān)測數(shù)據(jù)可滿足一定的精度要求，具有低成本、低功耗和小型化的優(yōu)點，非常適合通信實時性要求不高，但通信節(jié)點數(shù)量龐大的網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合多種近程通信技術(shù)，在智能電網(wǎng)輸、變、配、用四大環(huán)節(jié)搭建了無線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于高壓輸電線路，變電站一、二次設(shè)備，尤其是一次設(shè)備的在線監(jiān)測以及配電網(wǎng)自動化、用電信息采集等方面，具體如圖5所示。

在圖5中，最底層為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的各類傳感器、智能終端、RFID標(biāo)簽等輸入、輸出實體，向上依次為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、光纖或?qū)拵o線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，最終連接至智能電網(wǎng)通信管理平臺分析處理中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過感知延伸終端的每個傳感器節(jié)點，采集輸電、變電和配電各個環(huán)節(jié)的設(shè)備狀態(tài)、線路狀態(tài)、氣象環(huán)境和配用電一體化等信息，采集到的大量數(shù)據(jù)會傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和控制模塊、通信模塊會自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分類和融合。合適的數(shù)據(jù)預(yù)處理可大大減少數(shù)據(jù)通信量，減輕網(wǎng)關(guān)節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)擔(dān)，減少節(jié)點的能量消耗。但網(wǎng)關(guān)節(jié)點的處理能力有限，只能進(jìn)行粗粒度的處理，分類預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息會傳至接入網(wǎng)，并統(tǒng)一進(jìn)入核心網(wǎng)，最終發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)分析處理中心進(jìn)行細(xì)粒度分析處理，再由智能電網(wǎng)通信管理平臺發(fā)出相關(guān)指令，按相同的方式將數(shù)據(jù)反向傳輸至終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)對全網(wǎng)的實時監(jiān)測和故障處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能電網(wǎng)的檢測、分析、控制中起著基礎(chǔ)性作用，提高了智能電網(wǎng)的可觀測性。

3 結(jié)論

本文充分考慮了智能電網(wǎng)的特性和需求，將物聯(lián)網(wǎng)有效、合理地植入了智能電網(wǎng)通信管理平臺，構(gòu)建了面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)分層體系架構(gòu)，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用解決方案，得出了以下結(jié)論：①搭建的高度集成的開放式智能電網(wǎng)通信管理平臺實現(xiàn)了電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)和高效運行，充分發(fā)揮了傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和信息技術(shù)在電網(wǎng)重大決策和現(xiàn)代化管理中的作用，對國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展具有巨大的推動作用。②將物聯(lián)網(wǎng)融入到智能電網(wǎng)通信管理平臺中是一項長期工程，既要立足于實際，又要兼顧發(fā)展前景；既要滿足近期需求，又要適應(yīng)未來的發(fā)展。因此，需要不斷提高電網(wǎng)信息化的程度和物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的程度。③物聯(lián)網(wǎng)USN體系結(jié)構(gòu)未對各層之間的接口，比如感知網(wǎng)與接入網(wǎng)的通信接口、中間件與應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)接口等作出統(tǒng)一的規(guī)則和定義，有待于進(jìn)一步完善。④基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)通信管理平臺建設(shè)已成為我國電網(wǎng)發(fā)展的主要方向，但在實際應(yīng)用中仍存在標(biāo)準(zhǔn)化體系缺失、信息集成有待進(jìn)一步完善、信息安全保障不足等問題。因此，需要從智能電網(wǎng)自身的特性和需求出發(fā)，合理應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從而促進(jìn)電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的形成。

參考文獻(xiàn)

[1]陳樹勇，朱書芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，41（8）.

[2]傅書易.中國智能電網(wǎng)發(fā)展建議[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（20）.

[3]肖世杰.構(gòu)建中國智能電網(wǎng)技術(shù)思考[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（9）.

[4]湯突，邵盛楠.中國與美歐盟智能電網(wǎng)之比較研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，23（15）.

[5]張文亮，劉壯志，王明俊，等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，3（13）.

[6]施婕，艾芊.智能電網(wǎng)實現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（19）.

[7]龔鋼軍，孫毅.面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與應(yīng)用方案研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，9（20）.

[8]Matthias Kranz，Paul Holleis，Albrecht Schmidt.Embedded interaction：Interacting with the internet of things[J].IEEE Interact Computing，2009，14（2）.

〔編輯：張思楠〕