物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧電網(wǎng)中應(yīng)用研究

周揚(yáng)帆

摘? ?要：智慧電網(wǎng)將是最具代表性的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用行業(yè)之一，智慧電網(wǎng)采用相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)可觀測(cè)、可控制、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)分析等功能。文章例舉了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧電網(wǎng)中應(yīng)用案例。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)? 智慧電網(wǎng)? 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM76;TN929.5;TP391.44? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（a）-0140-02

電網(wǎng)是智慧城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，亦是智慧城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一。目前，電網(wǎng)的建設(shè)逐漸向“智慧”邁進(jìn)，并發(fā)展迅速。智慧電網(wǎng)是采用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，偵測(cè)電力使用者的用電狀況和電力供應(yīng)者的供電狀況，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析以及決策控制，能實(shí)現(xiàn)“智慧”供電與用電，并具有自愈、互動(dòng)功能的電網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧電網(wǎng)發(fā)揮了重要作用：采用先進(jìn)的量測(cè)與傳感技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)“智慧”觀測(cè);對(duì)供電與用電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，能實(shí)現(xiàn)“智慧”控制;利用實(shí)時(shí)處理技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)“智慧”處理;對(duì)供（用）電大數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與挖掘，能實(shí)現(xiàn)“智慧”決策;運(yùn)用嵌入式技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)“智慧”自適應(yīng)和自愈等等。

1? 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧用電服務(wù)系統(tǒng)

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧用電信息采集系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧用電信息采集系統(tǒng)是利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、電力線寬帶通信、TD-SCDMA（Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access，時(shí)分-同步碼分多址）以及電力專用寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)以雙向、寬帶通信信息網(wǎng)絡(luò)及AMI（Advanced Metering Infrastructure，高級(jí)計(jì)量架構(gòu)）為基本特征的用電信息實(shí)時(shí)采集與管理應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量裝置在線監(jiān)測(cè)和用戶負(fù)荷、電量、計(jì)量狀態(tài)等重要信息的實(shí)時(shí)采集，及時(shí)、準(zhǔn)確、完整地為電力營(yíng)銷信息系統(tǒng)及智能配電網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧用電服務(wù)系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧用電服務(wù)系統(tǒng)是結(jié)合PLC（Power Line Communication，電力線通信）、FTTH（Fiber To The Home，光纖到戶）、無(wú)線寬帶通信等通信方式，擁有包括智能交互機(jī)頂盒、智能交互終端、智能插座等主要硬件設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)智慧用電管理通信的系統(tǒng)。

1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車用電管理平臺(tái)

汽車的能源消耗和廢氣排放是造成全球石油危機(jī)和溫室效應(yīng)的主要原因之一，電動(dòng)汽車的出現(xiàn)對(duì)解決日益緊缺的石油資源和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題具有重要的意義。電動(dòng)汽車代表了新能源汽車的發(fā)展方向，并已將其提升到各國(guó)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高度。純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池電動(dòng)汽車是當(dāng)前主要的電動(dòng)汽車幾種類型。我國(guó)工信部、科技部和國(guó)家發(fā)改委形成的共識(shí)是將純電動(dòng)汽車作為未來(lái)新能源汽車發(fā)展的主要方向。

純電動(dòng)汽車的充電問題是電動(dòng)汽車普及的一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的障礙。目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)電動(dòng)汽車一次充電后的續(xù)航里程有限，與傳統(tǒng)燃料汽車的模式不同，電動(dòng)汽車的電池由于體積和重量原因很難手工轉(zhuǎn)移，單次充電時(shí)間比較長(zhǎng)，充電設(shè)施數(shù)量少。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提高電動(dòng)汽車的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全行駛監(jiān)測(cè)、充電站運(yùn)行環(huán)境、安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)等信息感知和綜合分析能力。一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車充電和充電站管理平臺(tái)的感知層包括電動(dòng)汽車和充電站兩部分。通過電動(dòng)汽車傳感器及自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)收集電動(dòng)汽車當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)、電池設(shè)備型號(hào)和電池能量狀態(tài)等參數(shù)，通過GPRs等無(wú)線傳輸技術(shù)將車輛運(yùn)行信息實(shí)時(shí)上報(bào)。而充電站通常部署包括專有的充電站、替換電池等設(shè)施上的傳感器，充電站區(qū)域內(nèi)溫、濕度、氣體濃度、振動(dòng)幅度等傳感器以及安防視頻傳感器等，通過電力光纖或電力線載波等將信息傳輸?shù)胶笈_(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車運(yùn)行網(wǎng)內(nèi)能源供給狀態(tài)和充電站運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

后臺(tái)處理中心通過GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）空間分析能力綜合各種檢測(cè)信息做出判斷，為電動(dòng)汽車和充電站、備用電池等進(jìn)行綜合分析，在保證電動(dòng)汽車運(yùn)行在穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效的狀態(tài)下，提供最高效、最經(jīng)濟(jì)的充電方案調(diào)度，提高能源使用效率和電動(dòng)車的運(yùn)行效率。

2? 基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為兩大部分，即桿塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)和線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)與移動(dòng)通信網(wǎng)相聯(lián)，將傳感器獲得的狀態(tài)信息傳送給狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)在實(shí)時(shí)接收各種傳感信息的基礎(chǔ)上，綜合分析融合各類傳感數(shù)據(jù)，經(jīng)由數(shù)據(jù)庫(kù)科學(xué)數(shù)據(jù)模型的分析，對(duì)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)狀況和故障原因做出準(zhǔn)確判斷，高效精確地實(shí)現(xiàn)了智能化預(yù)測(cè)預(yù)警，還能根據(jù)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)監(jiān)測(cè)策略做出相應(yīng)調(diào)整，智能適應(yīng)各種監(jiān)測(cè)需求。

線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過導(dǎo)線監(jiān)測(cè)儀記錄導(dǎo)線與線夾最后接觸點(diǎn)外一定距離處導(dǎo)線相對(duì)于線夾的彎曲振幅、頻率等線纜狀態(tài)，獲取導(dǎo)線的運(yùn)行溫升、導(dǎo)線的風(fēng)偏和擺幅等參數(shù)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能管理軟件通過事先設(shè)計(jì)的輸電線路運(yùn)行專家系統(tǒng)進(jìn)行模式匹配，對(duì)導(dǎo)線可承載潮流做出評(píng)估，為高壓輸電線路動(dòng)態(tài)增容和升溫融冰等提供決策支持。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的桿塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

以220kV的高壓線路桿塔為例，桿塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)的布置包括了在塔基外圍四周埋設(shè)地埋震動(dòng)傳感器;在塔身安裝壁掛震動(dòng)傳感器、傾斜傳感器、被動(dòng)紅外傳感器、智能視頻傳感器、防盜螺栓、Sink節(jié)點(diǎn)/網(wǎng)關(guān)模塊、TD-SCDMA和電源模塊。

地埋震動(dòng)傳感器埋設(shè)在桿塔周圍，這些震動(dòng)傳感器周期性監(jiān)測(cè)地面震動(dòng)信號(hào)，當(dāng)在桿塔周圍發(fā)生危險(xiǎn)挖掘、填埋等土方作業(yè)時(shí)，多個(gè)傳感器會(huì)采集到這些信號(hào)并傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)融合處理這些數(shù)據(jù)，判別威脅等級(jí)，如果判定是危險(xiǎn)挖掘，會(huì)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)智能視頻傳感器，通過TD-SCDMA通信模塊向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送告警信號(hào)。

當(dāng)發(fā)生侵入桿塔的行為時(shí)，桿塔震動(dòng)傳感器、傾斜傳感器和防盜螺栓傳感器會(huì)監(jiān)測(cè)到該行為，并將這些信息發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)融合處理這些數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別攀爬桿塔、破壞桿塔、危險(xiǎn)接近等各種安全威脅，判別威脅等級(jí)，如果判定是危險(xiǎn)侵害，會(huì)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)智能視頻傳感器，通過TD-SCDMA通信模塊向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送告警信號(hào)。

視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)的視場(chǎng)方向與線路走向一致，線路、桿塔的場(chǎng)景是相對(duì)固定不變的，當(dāng)有大型施工機(jī)械進(jìn)入高壓走廊等危險(xiǎn)區(qū)域、竹木生長(zhǎng)接近高壓線路時(shí)，智能視頻傳感器通過模式識(shí)別技術(shù)判定其威脅等級(jí)，如果是危險(xiǎn)接近，將會(huì)自動(dòng)通過TD-SCDMA通信模塊向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送告警信號(hào)。

重要交跨線路的安全對(duì)整條線路的安全至關(guān)重要，如高速鐵路、高速公路和過江線路等線路，在這些桿塔周圍固定埋設(shè)了多個(gè)震動(dòng)傳感器，當(dāng)附近有挖掘行為發(fā)生時(shí)，Sink節(jié)點(diǎn)匯聚各傳感器的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合處理，智能識(shí)別危險(xiǎn)等級(jí)，如果挖掘行為判定為危險(xiǎn)等級(jí)，就會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且聯(lián)動(dòng)視頻子系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)圖像通過TD-SCDMA通信模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。

3? 基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變配電現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理系統(tǒng)

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變配電現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變配電現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理系統(tǒng)主要分為包括傳感器、RFID的信息采集層，各種通信方式的通信層，以及后臺(tái)信息管理系統(tǒng)的支撐層。輸變配電現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理系統(tǒng)需要綜合運(yùn)用到傳感器、RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）和視頻等多種技術(shù)。輸變配電現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，包括調(diào)度人員、安監(jiān)人員、作業(yè)人員等，通過安裝在作業(yè)車輛上的視頻監(jiān)視設(shè)備與設(shè)備上的RFID標(biāo)簽，遠(yuǎn)程監(jiān)控作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況、現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)操作對(duì)象和工作流程（程序），可以確保各項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)工作或活動(dòng)是可控、在控的，同時(shí)保障設(shè)備安全、人身安全、系統(tǒng)安全，減少外界因素與人為因素造成的損失。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變配電巡檢系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變配電巡檢是輸變配電現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理的核心，系統(tǒng)主要包括感知RFID標(biāo)簽、無(wú)源RFID標(biāo)簽、手持智能設(shè)備以及后臺(tái)信息管理系統(tǒng)。通過在輸、變、配電巡檢路線上使用感知RFID標(biāo)簽、無(wú)源RFID標(biāo)簽，利用手持智能終端的RFID讀卡功能和GPS定位功能，及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID射頻技術(shù)等無(wú)線通信新技術(shù)，提高輸、變、配電環(huán)節(jié)巡檢智能化水平。

針對(duì)輸電線路的露天環(huán)境和遠(yuǎn)距離巡查的特點(diǎn)，輸電環(huán)節(jié)的巡檢系統(tǒng)采用GPS定位技術(shù)精確記錄巡檢人員的行進(jìn)路線，確認(rèn)巡檢人員到位和到位時(shí)間等信息，從而確保工作人員巡檢路線和工作的正確性與規(guī)范性，有效提高對(duì)巡檢工作的監(jiān)督力度，避免巡檢工作中出現(xiàn)的錯(cuò)檢、漏檢問題。

針對(duì)變電站、配電站內(nèi)存在大量電氣設(shè)備，且室內(nèi)作業(yè)情況較多的特點(diǎn)，采用感知RFlD標(biāo)簽和無(wú)源RFID標(biāo)簽的聯(lián)合部署方案，通過RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化變、配電巡檢系統(tǒng)。

智慧電網(wǎng)融合了信息技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與挖掘技術(shù)、分布式電源技術(shù)、集散控制技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，形成了市場(chǎng)、運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)、服務(wù)機(jī)構(gòu)、發(fā)電廠、輸電部門、配電所及用戶（包括企業(yè)與家庭用戶）之間的雙向互動(dòng)。

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