萬(wàn)物互聯(lián)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

楊歷偉　楊歷華

【摘 要】首先簡(jiǎn)要介紹了智能電網(wǎng)（SG）的歷史和主要特點(diǎn)，主要闡述了SG中大數(shù)據(jù)的生成，然后介紹了物聯(lián)網(wǎng)與發(fā)展現(xiàn)狀，最后引入了萬(wàn)物互聯(lián)的概念及其在SG整個(gè)生命周期中的作用。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；萬(wàn)物互聯(lián)；物聯(lián)網(wǎng)

1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)（Smart Grid，SG）即以計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，所實(shí)現(xiàn)的電網(wǎng)智能化，又可以稱為電網(wǎng)2.0。通過(guò)對(duì)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用以及對(duì)設(shè)備的更新，電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性得到了極大的提高，不僅能夠有效滿足當(dāng)前用戶的用電要求，同時(shí)也能夠容許不同發(fā)電形式的接入，提高了電網(wǎng)的運(yùn)行效率。人們對(duì)智能電網(wǎng)（SG）的期望中，關(guān)鍵特性有：它是自愈（從電源干擾事件）；它使消費(fèi)者能夠積極參與需求響應(yīng)；它對(duì)物理和網(wǎng)絡(luò)有彈性攻擊；優(yōu)化資產(chǎn)利用率和運(yùn)營(yíng)效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述期望，SG涉及用數(shù)百萬(wàn)的智能補(bǔ)充電網(wǎng)電子設(shè)備，例如相量測(cè)量單元（PMU），故障指示器，智能電表，電動(dòng)車充電器，它將發(fā)送和接收數(shù)百萬(wàn)件每分鐘數(shù)據(jù)以產(chǎn)生可操作的信息和使用，這些信息增強(qiáng)了操作和控制電氣系統(tǒng)。PMU不僅安裝在電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，也在電廠獲得更好（和更便宜的）發(fā)電機(jī)特性設(shè)計(jì)這樣的網(wǎng)格?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議版本6（IPv6）消除了技術(shù)限制可連接的設(shè)備數(shù)量互聯(lián)網(wǎng)，理論上允許數(shù)萬(wàn)億（1038）越來(lái)越多的數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)SG的開(kāi)發(fā)意味著需要解決以下任務(wù)：

1）將現(xiàn)有電網(wǎng)升級(jí)為智能配電網(wǎng)（SDG）；

2）微網(wǎng)發(fā)展及其連接（或不）可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)；

3）建立新的信息通信系統(tǒng)（ICT）實(shí)現(xiàn)雙向聯(lián)系消費(fèi)者—零售商；

4）創(chuàng)建一個(gè)新的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)；

5）建設(shè)一個(gè)新的綜合能源市場(chǎng)。

SG意味著大數(shù)據(jù)數(shù)量的增加在網(wǎng)格內(nèi)循環(huán)并與之交換環(huán)境。這個(gè)事實(shí)只是有關(guān)的與SG的發(fā)展。在現(xiàn)實(shí)中的增加大數(shù)據(jù)不僅涉及其他工業(yè)分支，而且也產(chǎn)生科學(xué)學(xué)科，過(guò)濾和存儲(chǔ)不僅是數(shù)字，而且有時(shí)是模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字。大模擬數(shù)據(jù)可以被認(rèn)為是大數(shù)據(jù)的一個(gè)子集，但他們是不同的特點(diǎn)，對(duì)于他們的信息系統(tǒng)需要以幾十千兆赫的速率進(jìn)行數(shù)字化，通常在大位寬度。第二個(gè)區(qū)別是更多重要，因?yàn)榇竽M數(shù)據(jù)信息不斷由自然和人為來(lái)源產(chǎn)生。物理實(shí)驗(yàn)可以在每秒產(chǎn)生幾十兆字節(jié)。例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)的測(cè)試動(dòng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生相似量的數(shù)據(jù)； SG測(cè)量可以在一個(gè)月的過(guò)程中產(chǎn)生TB級(jí)的數(shù)據(jù)，這意味著互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生和傳遞的數(shù)據(jù)量正在快速增長(zhǎng)。每天，產(chǎn)生大約TB級(jí)數(shù)據(jù)。通過(guò)連接數(shù)十億的設(shè)備互聯(lián)互通，企業(yè)每年可以節(jié)省數(shù)萬(wàn)億美元運(yùn)營(yíng)成本。連接設(shè)備的數(shù)量按以下速率增長(zhǎng)：2006—20億，2015—數(shù)十億，2020—50億和到2015年數(shù)據(jù)增長(zhǎng)應(yīng)達(dá)到90%的應(yīng)用，因此有必要使用新工具用于大數(shù)據(jù)管理。有必要記住，連接一個(gè)設(shè)備意味著必須使用傳感器。

2 從物聯(lián)網(wǎng)（IoT）到萬(wàn)物互聯(lián)（IoE）

2.1 基本注意事項(xiàng)

目前很多文獻(xiàn)都講到物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things， IoT），先從兩個(gè)IoT定義開(kāi)始：“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）：一個(gè)全球性的基礎(chǔ)設(shè)施信息社會(huì)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的服務(wù)基于現(xiàn)有的互連（物理或虛擬）事物可互操作的信息和通信技術(shù)”。物聯(lián)網(wǎng)是“一個(gè)動(dòng)態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施具有自配置功能標(biāo)準(zhǔn)和互操作通信協(xié)議物理和虛擬“事物”有身份，物理屬性和虛擬個(gè)性并使用智能接口，并無(wú)縫集成到信息網(wǎng)絡(luò)。歐洲數(shù)字議程介紹了下面的解釋：“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是一個(gè)技術(shù)和市場(chǎng)開(kāi)拓基礎(chǔ)互相連接日常物品應(yīng)用程序。物聯(lián)網(wǎng)將使智能生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用和服務(wù)，這將提高和簡(jiǎn)化人們的生活”。

物聯(lián)網(wǎng)理念暗示了其他概念，如互聯(lián)網(wǎng)（IoS），萬(wàn)物互聯(lián)（IoE），物聯(lián)網(wǎng)（WoT），當(dāng)然代表物聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)我們考慮M2M（人對(duì)人）的關(guān)系時(shí)，M2T（人到事），M2P（人對(duì)人），P2P（人到人）和D2D（設(shè)備到設(shè)備），我們最終到達(dá)IoE（互聯(lián)網(wǎng)到一切）。物聯(lián)網(wǎng)是唯一的可識(shí)別對(duì)象及其虛擬表示形式互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而目前互聯(lián)網(wǎng)支持僅人工連接。物聯(lián)網(wǎng)理念吸引了科學(xué)家，工程師和一些知名公司，例如：CISCO，Google X，IBM，Intel和Oracle研發(fā)必要的軟件。它導(dǎo)致了會(huì)議、研討會(huì)數(shù)量的增加；歐盟支持IoT-A項(xiàng)目。

CISCO收集了一個(gè)列表，指定以下步驟的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展：提供給條形碼和RFID幫助自動(dòng)化庫(kù)存，跟蹤和基本識(shí)別；目前：強(qiáng)大的連接傳感器，對(duì)象，設(shè)備，數(shù)據(jù)和應(yīng)用；下一步稱為“認(rèn)知IoT”，促進(jìn)對(duì)象和跨應(yīng)用程序域的數(shù)據(jù)重用，利用超連接性，互操作性解決方案語(yǔ)義豐富的信息分布，在不同層次，如在物體，設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和基于證據(jù)的應(yīng)用程序決策和優(yōu)先級(jí)設(shè)置上，整合智能。

2.2 IOT應(yīng)用領(lǐng)域

目前物聯(lián)網(wǎng)可用于在各領(lǐng)域的人們的領(lǐng)域活動(dòng)中，如健康，科學(xué)，技術(shù)，社會(huì)各方面，例如在以下方面可以看到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的例子，如智能/食品/水監(jiān)測(cè)；智能健康；Smart Living；智能環(huán)境監(jiān)測(cè)；智能制造；智能能源；智能建筑；智能交通和移動(dòng)；智能工業(yè)；智慧城市，等等。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，人們可以找到一個(gè)領(lǐng)域的概念應(yīng)用——智能電網(wǎng)。 SG包括電力網(wǎng)，電網(wǎng)和大規(guī)模對(duì)象，設(shè)備數(shù)量，消費(fèi)者連接通信和信息基礎(chǔ)設(shè)施享受增值服務(wù)，通過(guò)智能數(shù)據(jù)處理，管理電力生產(chǎn)和對(duì)消費(fèi)者交付電，被認(rèn)為是典型的萬(wàn)物互聯(lián)（IoE）系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)日益重要的原因是什么？讓我們考慮一個(gè)帶有傳感器的城市交通系統(tǒng)。數(shù)據(jù)由每個(gè)傳感器登記的信息傳送到調(diào)度中心，然后被發(fā)送回傳感器；如果在城市的傳感器是智能的，那么信息之間的交流可以通過(guò)控制交通調(diào)度命令（危險(xiǎn)事故除外），就可以縮短了響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)減少數(shù)據(jù)的數(shù)量。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)管理中的應(yīng)用

CISCO執(zhí)行模擬來(lái)測(cè)試IoT結(jié)果應(yīng)用的未來(lái)。以下領(lǐng)域的結(jié)果提出：在機(jī)會(huì)上，在未來(lái)十年14.4萬(wàn)億美元的價(jià)值（凈利潤(rùn)）股權(quán)，由連接驅(qū)動(dòng)未連接的P2P，M2P和M2M通過(guò)IoE（資產(chǎn)利用2.5萬(wàn)億美元，員工生產(chǎn)力2.5萬(wàn)億美元，供應(yīng)鏈條和物流2.7萬(wàn)億美元，客戶體驗(yàn)3.7美元萬(wàn)億，創(chuàng)新包括減少進(jìn)入時(shí)間市場(chǎng)3.0萬(wàn)億美元。在行業(yè)視角上，能源公司有M2M連接中最大的IoE價(jià)值。第三和最大的價(jià)值將通過(guò)提供一個(gè)機(jī)會(huì)跨越所有行業(yè)，智能電網(wǎng)是對(duì)主動(dòng)監(jiān)控和管理設(shè)備能力的基礎(chǔ)，這是能源公司的一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)。 IoE為公司提供了新的商業(yè)模式，其中最終意味著降低能量分配的成本，自動(dòng)化計(jì)費(fèi)和服務(wù)呼叫以及提供主動(dòng)響應(yīng)環(huán)境條件。

2.4 選定的IoT應(yīng)用程序問(wèn)題

雖然物聯(lián)網(wǎng)正在擴(kuò)大，但必須記得操作系統(tǒng)的數(shù)量使用IoT不算太高。主要原因包括：制定標(biāo)準(zhǔn)、軟件，缺乏設(shè)計(jì)、安裝和操作方面的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)；非常高的投資成本?！癏TTP在舊的互聯(lián)網(wǎng)中使用請(qǐng)求至少需要9個(gè)TCP數(shù)據(jù)包，甚至更多如果我們考慮由于連接性差導(dǎo)致的分組丟失；純文本頭可以得到非常詳細(xì)，不交付保證和消耗能源的開(kāi)銷。作為一個(gè)典型的企業(yè)安排將有數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)傳感器使用HTTP是沒(méi)有意義和發(fā)送遙測(cè)到一些分裂任務(wù)的服務(wù)器處理數(shù)據(jù)是必要的”。今天發(fā)送100位數(shù)據(jù)消耗約5μJ，測(cè)量加速度約為50μJ，進(jìn)行完整測(cè)量：測(cè)量+轉(zhuǎn)換+發(fā)射消耗250-500μJ。因此，連續(xù)收獲100μW，是可以進(jìn)行一次完整的測(cè)量，可以在幾秒內(nèi)找到非常有趣的計(jì)算，收獲自主無(wú)線傳感器的能量處理。必須記住，根據(jù)不同的類型測(cè)量參數(shù)/過(guò)程，上面的計(jì)算可能提供不同的值。

3 討論

智能電網(wǎng)的發(fā)展在早期是一個(gè)昂貴的過(guò)程，需要應(yīng)用解決方案，確保降低運(yùn)營(yíng)成本。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在整個(gè)SG生命周期，表示可能的解決方案之一。值得將直流電應(yīng)用在低智能配電網(wǎng)和智能建筑中，這一點(diǎn)將消除AC/DC和DC/AC變換的數(shù)量。

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