物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

王吉友++李鑫++范繼偉++付維峰++王蒙

摘 要：配用電監(jiān)測管理系統(tǒng)中，對物理設(shè)備數(shù)據(jù)的采集方案已經(jīng)比較成熟，但在設(shè)備之間數(shù)據(jù)利用環(huán)節(jié)與網(wǎng)絡(luò)層傳輸環(huán)節(jié)還存在諸多不足。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各種電氣設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)信息獲取、傳遞、存儲、融合、使用，將會為變電站管理、配用電設(shè)備監(jiān)測、狀態(tài)檢修提供高效、便捷、高速的數(shù)據(jù)支撐，從而有利于電力管理水平和服務(wù)水平的提高。

關(guān)鍵詞：配電設(shè)備 物聯(lián)網(wǎng) 中壓電力線載波

中圖分類號：TP205 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0063-02

我國物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用總體上還處于發(fā)展初期，在許多領(lǐng)域上積極開展了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用探索與試點(diǎn)，但在應(yīng)用水平上與發(fā)達(dá)國家仍有一定差距。目前已開展了一系列的試點(diǎn)和示范項目，在電網(wǎng)、交通、物流、智能家居、節(jié)能環(huán)保、工業(yè)自動控制、醫(yī)療衛(wèi)生、精細(xì)農(nóng)牧業(yè)、金融服務(wù)業(yè)、公共安全等領(lǐng)域取得了初步進(jìn)展。在電網(wǎng)領(lǐng)域上，2009年國家電網(wǎng)公布了智能電網(wǎng)發(fā)展計劃、智能變電站、配網(wǎng)自動化、智能用電、智能調(diào)度、風(fēng)光儲等示范工程先后啟動。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，物聯(lián)網(wǎng)中的射頻識別、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、全球定位技術(shù)等技術(shù)在電力系統(tǒng)生產(chǎn)、管理等各個環(huán)節(jié)都有所應(yīng)用，協(xié)助實(shí)現(xiàn)有效的電網(wǎng)感知，提高了電力規(guī)范化管理能力。在發(fā)電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、水情監(jiān)測等場景；在輸電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應(yīng)用于線路狀態(tài)監(jiān)測、線路環(huán)境監(jiān)測、雷電定位、智能巡檢等場景；在變電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應(yīng)用于變電環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、變電站安全防護(hù)等場景；在配電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應(yīng)用于線路狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、線路故障定位及報警等場景；在用電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應(yīng)用于用電信息采集、智能家居/小區(qū)、智能樓宇/園區(qū)等場景。

2 應(yīng)用技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)感知層一般包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)短距離傳輸兩部分，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）、RFID技術(shù)、二維碼技術(shù)、藍(lán)牙（Blueteeth）技術(shù)等。

2.1.1 自組織組網(wǎng)技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)感知層中應(yīng)用到了自組織組網(wǎng)技術(shù)，自組織組網(wǎng)技術(shù)的起源可追溯到1968年的ALOHA網(wǎng)絡(luò)和1973年美國國防部高級研究計劃署（DARPA）資助研究的“無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（PRNET）”。主要的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，分布式控制方式，自組織性，多跳通信，節(jié)點(diǎn)的處理能力和能源受限，信道質(zhì)量較差。在物聯(lián)網(wǎng)中主要是應(yīng)用在一些企業(yè)中，它通過自組織組網(wǎng)技術(shù)，組織、創(chuàng)建了公司內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，在與外界進(jìn)行信息交換，特別是在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中需要了解這樣的組網(wǎng)技術(shù)，以便于其公司信息的采集。

2.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

（1）無線溫度傳感器：實(shí)現(xiàn)溫度、溫升和相間溫差的高可靠實(shí)時在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行溫度的自動管理，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

（2）無線水浸傳感器：實(shí)時在線監(jiān)測傳感器安裝位置（場所）是否浸（積）水，并實(shí)時地將水浸信息通過數(shù)據(jù)傳輸基站上傳到控制主機(jī)，以達(dá)到監(jiān)控告警的目的。

（3）無線桿塔傾斜傳感器：可以在線監(jiān)測桿塔傾斜狀態(tài)，當(dāng)傾斜角度達(dá)到閥值時，向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送告警信號。

（4）無線故障電流傳感器：主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的電流取樣及分析，判斷出當(dāng)前的電流是否為故障電流，并采集周邊其他無線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過無線傳感網(wǎng)把電流、諧波等數(shù)據(jù)傳輸出去。后臺軟件結(jié)合GIS進(jìn)行故障點(diǎn)的定位，從而通知檢修人員到現(xiàn)場進(jìn)行故障排除。

（5）無線門磁傳感器：安裝在柜門上，與永磁鐵或電磁線圈等器件配合使用，能夠?qū)崟r在線監(jiān)測柜門的開、關(guān)狀態(tài)以及開關(guān)次數(shù)。不影響柜門的正常使用。

（6）無線溫濕度傳感器：實(shí)時、準(zhǔn)確地測量環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度?？梢詫?shí)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。

（7）配變綜測骨干節(jié)點(diǎn)：采用無線組網(wǎng)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信，同時具有線路電流、電壓、諧波等線路參數(shù)的在線測量功能，支持有線485通信和以太網(wǎng)通信，同時內(nèi)部集成標(biāo)準(zhǔn)101和104通信協(xié)議。

2.1.3 RFID技術(shù)

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)

2.2.1 中壓電力線載波

中壓電力線通信是指綜合運(yùn)用多種調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道編碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、模擬前端技術(shù)以及耦合結(jié)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以中壓配電網(wǎng)為傳輸介質(zhì)的通信。

國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)一直致力于中壓配電線路的載波通信領(lǐng)域研究，在載波調(diào)制和組網(wǎng)技術(shù)研究方面進(jìn)行不斷的探索，在傳輸速率、可靠性方面已取得了較大進(jìn)展。

BPLC依托電力線，可部署在變電站、環(huán)網(wǎng)柜直至用戶建筑內(nèi)，構(gòu)成可靠的配用電網(wǎng)信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離超過500 m。提供配電信息等寬帶接入，同時兼顧原有設(shè)備低速業(yè)務(wù)（RS-232/ RS-485）數(shù)據(jù)的接入。

2.2.2 線通信技術(shù)

無線通信技術(shù)可根據(jù)使用者類型分為無線公網(wǎng)和無線專網(wǎng)。對于無線專網(wǎng)來說，需要自身架設(shè)整套通信網(wǎng)絡(luò)，包括基站、終端和網(wǎng)管等，而無線公網(wǎng)僅僅租用運(yùn)營商的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通道，由運(yùn)營商負(fù)責(zé)運(yùn)維即可。

相比較光網(wǎng)來說，架設(shè)無線鏈路則無需架線挖溝，線路開通速度快；無線擴(kuò)頻能隨時架設(shè)，隨時增加鏈路，安裝、擴(kuò)容方便；無線通信覆蓋范圍大，幾乎不受地理環(huán)境限制。缺點(diǎn)是采用邏輯隔離，相比有線網(wǎng)絡(luò)的物理隔離，安全性較差；無線傳輸速率最高不超過幾百兆每秒，相比光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率較低。

2.2.3 xPON無源光網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)是一種特殊光纖以太網(wǎng)組網(wǎng)模式，采用點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，是常采用IEEE802.3以太網(wǎng)幀來承載業(yè)務(wù)的PON系統(tǒng)。PON技術(shù)經(jīng)歷了APON、BPON、EPON、GPON等階段。其中的EPON技術(shù)已經(jīng)比較成熟，產(chǎn)品已開始規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

3 實(shí)現(xiàn)方案

傳感器采集配電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后通過自身的無線通信模塊傳輸?shù)骄徒亩叹嚯x無線傳輸骨干節(jié)點(diǎn)，通過多個骨干節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸基站，然后通過配電自動化系統(tǒng)配套光通信ONU將配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)信息接入變電站，在變電站經(jīng)數(shù)據(jù)匯聚控制器進(jìn)入電力安全I(xiàn)II區(qū)送至主站數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。傳感器和骨干節(jié)點(diǎn)的傳輸頻率采用2.4 GHz，傳感器網(wǎng)路采用了WSN（無線自組織網(wǎng)絡(luò)）。骨干節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，采用MESH網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場作業(yè)終端采集的RFID設(shè)備標(biāo)識信息，采用GPRS無線公網(wǎng)通信方式，通過安全接入平臺，訪問系統(tǒng)主站，獲取設(shè)備臺賬信息、監(jiān)測信息和運(yùn)行信息；并可將現(xiàn)場收集的設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備評價信息及時傳回主站系統(tǒng)。

其中感知層實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一感知與表達(dá)，建立統(tǒng)一信息模型，規(guī)范感知層的數(shù)據(jù)接入，是對SG-ERP架構(gòu)的補(bǔ)充和完善。網(wǎng)絡(luò)層將不同的通信技術(shù)屏蔽，按照規(guī)范化的統(tǒng)一通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳送，則豐富了SG-ERP架構(gòu)。應(yīng)用層完全遵循SG-ERP的體系架構(gòu)，將多種數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理并向外提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)，支撐各類業(yè)務(wù)應(yīng)用，基于統(tǒng)一應(yīng)用平臺，開發(fā)各類電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)，供其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用。

感知層主要利用各種傳感識別設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息的采集、識別和匯集。其重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的信息模型，具體包括對統(tǒng)一標(biāo)識、統(tǒng)一語義、統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達(dá)格式等方面。

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)由感知層獲取信息的傳輸和承載。網(wǎng)絡(luò)層旨在多種融合通信技術(shù)的引入，豐富通信方式。應(yīng)用中傳感器與匯聚節(jié)點(diǎn)間多通過微功率無線通信等技術(shù)互聯(lián)，解決信息采集覆蓋及靈活性問題，匯聚節(jié)點(diǎn)與接入網(wǎng)關(guān)之間通過光網(wǎng)絡(luò)、PLC、無線寬帶等技術(shù)互聯(lián)，解決信息遠(yuǎn)距離傳輸及可靠性問題。

應(yīng)用層基于國網(wǎng)SG-ERP架構(gòu)，研究電力物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)布統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)并封裝系統(tǒng)功能，為現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供各類的統(tǒng)一應(yīng)用服務(wù)，也可以為其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供更高等級的服務(wù)功能。

4 結(jié)語

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用，將會在電網(wǎng)建設(shè)、安全生產(chǎn)管理、運(yùn)行維護(hù)、信息采集、安全監(jiān)控、計量應(yīng)用、用戶交互等方面發(fā)揮巨大作用，可以全方位地提高智能電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)信息感知的深度和廣度，為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化以及“信息流、業(yè)務(wù)流、電力流的高度融合”提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。通過針對物聯(lián)網(wǎng)WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）組網(wǎng)技術(shù)的研究，能夠?qū)崿F(xiàn)智能電網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)的快速和智能組網(wǎng)，從而增強(qiáng)智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃?，可以方便快捷地增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控測點(diǎn)，加快智能電網(wǎng)建設(shè)的步伐。

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