ITU-T Y.4221《基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)要求》國際標準分析研究

摘 要： ITU-T Y.4221《基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)要求》國際標準于2024年7月由ITU-T SG20正式發(fā)布，該項國際標準為維護電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)提供指南。本文重點介紹了ITU-T Y.4221國際標準的總體框架，闡釋了關鍵術語和定義，并對重點技術內(nèi)容進行了研究分析，旨在使我國組織更好地理解ITU-T Y.4221國際標準的核心思想與技術要旨，從而有助于相關組織依據(jù)ITU-T Y.4221國際標準所提供的指南方法在其電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)的設計和開發(fā)活動中有效引入物聯(lián)網(wǎng)技術，從而在電力基礎設施運行過程中更好地提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，實現(xiàn)更加高效、智能的電力系統(tǒng)管理。

關鍵詞：電力基礎設施，物聯(lián)網(wǎng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)

1 國際標準制定的背景和意義

智慧電網(wǎng)是智慧城市的重要組成部分，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行與人類的生產(chǎn)生活息息相關。盡管全球大多數(shù)國家的電網(wǎng)調(diào)度能力越來越強，但電力基礎設施自身故障（發(fā)熱、水災、火災、老化等）或外部原因（雷擊、地震、覆冰、外力破壞等）等導致的停電事故仍時有發(fā)生。例如：2019年阿根廷、巴拉圭、烏拉圭大停電，2019年7月美國曼哈頓大停電，2008年湖南省大停電，其他小規(guī)模停電事故不勝枚舉。

因此，監(jiān)測電力基礎設施的健康狀況至關重要。在ITU-T Y.4221《基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)要求》中，電力基礎設施指的是從發(fā)電機到電網(wǎng)的各種關鍵電力設備，電力基礎設施按其功能可分為發(fā)電基礎設施、變電基礎設施、輸電基礎設施和配電基礎設施。電力基礎設施結構復雜且數(shù)量眾多，需要不同的專業(yè)人員進行日常維護。一般來說，電力基礎設施的日常維護是通過專業(yè)人員的定期檢查來實現(xiàn)的，如果在檢查中發(fā)現(xiàn)任何損壞或異常，應立即進行診斷測試和應急措施，以確保電力基礎設施的健康，從而確保整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。然而，該維護工作需要高度的經(jīng)驗積累和專業(yè)知識，需要配置和培訓大量專業(yè)人才。

為解決電力基礎設施狀態(tài)監(jiān)測問題，國內(nèi)外電力企業(yè)均開始逐步建設和使用基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對電力基礎設施健康狀態(tài)的實時監(jiān)測。利用物聯(lián)網(wǎng)技術，將發(fā)電基礎設施、變電基礎設施、輸電基礎設施、配電基礎設施的健康數(shù)據(jù)縱向打通，形成電力基礎設施健康狀態(tài)的智慧感知。通過精準獲取電力基礎設施的溫度、濕度、形變、絕緣、火災、安全等健康狀態(tài)重要數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電力基礎設施的數(shù)字化管理，為運維人員實時提供可靠信息，提高設備診斷的效率和準確性，使現(xiàn)場運維人員能夠快速制定有針對性的維修或更換計劃。同時，可利用數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，對電力基礎設施的健康狀態(tài)進行分析和預測，為運維人員提供輔助決策。

但由于電網(wǎng)安全的特殊性，該系統(tǒng)對信息通信技術（ICT）有特殊要求，因此需要明確基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)的參考模型、通用要求、傳感設備要求、網(wǎng)關設備要求、IoT管理平臺要求、數(shù)據(jù)平臺、網(wǎng)絡要求、安全要求等。

正是基于上述考慮，GB/T 40287-2021規(guī)定了電力物聯(lián)網(wǎng)的參考體系架構，明確了物理實體域、感知控制域、服務提供域、用戶域、運維管控域和資源交換域6個域及其相互關系，為構建統(tǒng)一且互操作性強的電力物聯(lián)網(wǎng)提供了標準化指導[3]。為了進一步規(guī)范基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)的設計、開發(fā)和應用，國際電信聯(lián)盟物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市和社區(qū)研究組（ITU-T SG20）于2020年11月正式立項、2024年7月正式發(fā)布了ITU-TY.4221《Requirements of IoT-based electric powerinfrastructure monitoring systems》國際標準。該項國際標準是為了規(guī)范基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)的設計、開發(fā)和應用，促進其健康發(fā)展。該標準規(guī)定了基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)的參考模型、設備要求、數(shù)據(jù)傳輸、安全管理等方面的要求，為相關組織和人員提供了指導，有助于提高電力基礎設施的維護水平，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2 關鍵術語和定義

ITU-T Y.4221國際標準共界定了20條術語和定義，包括：8條“與電力系統(tǒng)及其運行有關的術語”、12條“與信息通信技術及其應用有關的術語”。這些術語和定義的來源文件包括：IEC60050-601、60050-605、IEC 60050-826、ITU-TY.4000、ITU-T Y.4113。

其中，“電力系統(tǒng)electric power system”是指為發(fā)電、輸電和配電目的而提供的所有裝置和設施。“電力設備electric equipment”是指用于產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、輸送、分配或利用電能等目的的物品，例如：電機、變壓器、開關設備和控制設備、測量儀器、保護裝置、線路系統(tǒng)、用電設備。“物聯(lián)網(wǎng)Internet of Things（IoT）”是指信息社會的一種全球基礎設施，基于現(xiàn)有的和正在出現(xiàn)的、可互操作的信息通信技術，實現(xiàn)（物理和虛擬）之物的相互連接，以提供先進的服務?！癐oT區(qū)域網(wǎng)絡IoT areanetwork”是指通過本地連接而實現(xiàn)互連的IoT設備和網(wǎng)關組成的網(wǎng)絡。

3 核心技術內(nèi)容

ITU-T Y.4221國際標準共包括7章和1個用例附錄。除了第1章范圍、第2章參考文件、第3章術語和定義、第4章縮寫詞和首字母縮略語、第5章慣例之外，第6～7章闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)（IoT-EPIMS）的概念、組成部分和要求，為構建和維護電力基礎設施提供了全面的指導。

其中，第6章概述了基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)（IoT-EPIMS）的概念、特征和參考模型，為構建和維護電力基礎設施提供了框架。第7章詳細規(guī)定了IoT-EPIMS各組成部分的具體要求，包括傳感設備、IoT區(qū)域網(wǎng)絡、網(wǎng)關設備、廣域網(wǎng)、IoT管理平臺、數(shù)據(jù)平臺和安全等，為系統(tǒng)設計和實施提供了詳細指南。附錄I提供了變電站中IoT-EPIMS的用例，展示了其在實際電力場景中的案例和應用效果。

3.1 IoT-EPIMS概述

3.1.1 IoT-EPIMS介紹

在電力系統(tǒng)中，電力基礎設施（EPI）可用于4個過程，即發(fā)電、變電、輸電和配電[2]。在每個過程中，EPI都很復雜且數(shù)量眾多，需要進行日常維護和管理。EPI的傳統(tǒng)維護由專業(yè)人士進行定期實地檢查和診斷。如果在檢查中發(fā)現(xiàn)任何損壞或異常，則應立即采取緩解措施，以確保EPI正常運行，從而確保整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。這項工作需要大量人力以及豐富的經(jīng)驗和專業(yè)知識[1]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)（IoTEPIMS）使用物聯(lián)網(wǎng)設備來收集電力系統(tǒng)中EPI的運行健康數(shù)據(jù)。通過跟蹤和分析EPI運行狀況的變化，電力運維人員可以主動維護設備和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行?？捎糜谠u估EPI運行狀況的指標主要包括溫度、濕度、形變、絕緣、防火和安全等。

3.1.2 IoT-EPIMS參考模型

ITU-T Y.4221標準中定義的架構與國內(nèi)DL/T2459-2021標準中關于電力物聯(lián)網(wǎng)層級架構保持一致，為構建統(tǒng)一且互操作性強的電力物聯(lián)網(wǎng)提供了標準化指導[4]。

IoT-EPIMS負責收集和處理EPI的運行健康數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給負責EPI運行和維護的應用程序和人員。IoT-EPIMS具有以下3個主要特征。

（1）IoT-EPIMS的數(shù)據(jù)量特別大。在電力系統(tǒng)的4個過程中，都存在大量復雜的EPI。因此，在長期的運行過程中，需要不斷地采集、傳輸和處理大量數(shù)據(jù)。

（2）IoT-EPIMS有高可靠性和實時要求。EPI的監(jiān)測數(shù)據(jù)與電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)密切相關。為了確保電力系統(tǒng)的可靠運行，要求IoT-EPIMS確保數(shù)據(jù)采集精確和實時數(shù)據(jù)傳輸。

（3）IoT-EPIMS對網(wǎng)絡安全和數(shù)據(jù)安全保護要求很高。EPI的大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)都包含敏感信息，因此IoT-EPIMS需要使用安全保護措施，確保敏感信息不被泄露。

I o T - E P I M S包括傳感設備、I o T區(qū)域網(wǎng)絡（IAN）、網(wǎng)關設備、廣域網(wǎng)（WAN）、IoT管理平臺和數(shù)據(jù)平臺。圖1中的虛線框，即管理應用程序、數(shù)據(jù)應用程序和EPI本身，不屬于IoT-EPIMS的組成部分。應該注意的是，雖然廣域網(wǎng)的所有權可能屬于電信運營商，但IoT-EPIMS對廣域網(wǎng)有特殊要求。

ITU-T Y.4221國際標準所提供的IoT-EPIMS和相關組成部分的參考模型如圖1所示。

需要注意的是，ITU-T Y.4221國際標準強調(diào)了以下4個重要方面。

（1）在電力系統(tǒng)中，通過傳感設備測量的物理屬性包括但不限于溫度、濕度、變形、電流、電壓、功率、風向、風速和氣壓；

（2）對于電力系統(tǒng)內(nèi)的4個過程中的每一過程，EPI和相應的傳感裝置的要求是獨特的；

（3）IoT管理平臺主要處理物聯(lián)網(wǎng)管理信息系統(tǒng)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)，如：2個平臺、WAN、網(wǎng)關設備、IAN或傳感設備的配置。管理應用程序指但不限于IoT設備的遠程管理、維護和控制。這些功能在電力系統(tǒng)中是必不可少的，通常提供給電力供應商。管理應用程序通常根據(jù)具體需求來開發(fā)，可以通過調(diào)用IoT管理平臺提供的應用編程接口（API）來實現(xiàn)；

（4）數(shù)據(jù)平臺主要處理從IoT-EPIMS的傳感設備收集的動態(tài)數(shù)據(jù)，如：變壓器的狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)應用是指但不限于EPI的運行健康和故障監(jiān)測、缺陷分析和輔助決策（如：EPI是否需要維修、更換或報廢的輔助決策）。數(shù)據(jù)應用通常是根據(jù)具體需求開發(fā)的，可以通過調(diào)用數(shù)據(jù)平臺提供的API實現(xiàn)。

3.2 IoT-EPIMS要求

ITU-T Y.4221國際標準闡述了IoT-EPIMS的各個組成部分的具體要求，確保系統(tǒng)能夠有效、可靠地收集、傳輸和處理電力基礎設施的運行健康狀況信息，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。ITU-TY.4221國際標準第7章分為8個部分，分別針對整體、傳感、IoT區(qū)域網(wǎng)絡、網(wǎng)關設備、廣域網(wǎng)、IoT管理平臺、數(shù)據(jù)平臺和安全方面提出了具體要求。

3.2.1 一般要求

IoT-EPIMS的一般要求見表1。

3.2.2 傳感要求

對于4個過程中的EPI，使用了大量的傳感設備。因此IoT-EPIMS的傳感要求分為4個過程進行規(guī)范，詳見表2。

3.2.3 IoT區(qū)域網(wǎng)絡要求

IoT-EPIMS的IoT區(qū)域網(wǎng)絡要求見表3。

3.2.4 網(wǎng)關設備要求

IoT-EPIMS的網(wǎng)關設備要求見表4。

3.2.5 廣域網(wǎng)要求

IoT-EPIMS的廣域網(wǎng)要求見表5。

3.2.6 IoT管理平臺要求

IoT-EPIMS的IoT管理平臺要求見表6。

3.2.7 數(shù)據(jù)平臺要求

IoT-EPIMS的數(shù)據(jù)平臺要求見表7。

3.2.8 安全要求

IoT-EPIMS的安全包括設備安全、數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)安全。IoT-EPIMS的安全要求見表8。

4 結 論

在電力基礎設施監(jiān)測管理中，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術及其標準的應用為電力系統(tǒng)的智能化運維與整體安全穩(wěn)定提升提供了堅實的技術基礎。通過加強實時數(shù)據(jù)采集與智能分析，電力企業(yè)可以更加高效地管理關鍵電力資產(chǎn)，優(yōu)化資源配置，降低運營成本，并提升在智能電網(wǎng)和智慧城市領域的競爭力。此外，物聯(lián)網(wǎng)技術也有助于組織更好地應對新型電力系統(tǒng)發(fā)展要求、促進節(jié)能減排、并在整體上提升電力系統(tǒng)運營的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。

ITU-T Y.4221國際標準為物聯(lián)網(wǎng)技術在電力基礎設施監(jiān)測系統(tǒng)中的應用提供了全面指南。作為全球標準體系的重要組成部分，該標準與其他相關標準（如：IEC 61850、GB/T 40287等）共同構成了企業(yè)在電力行業(yè)中應用物聯(lián)網(wǎng)技術的實踐基礎。ITU-T Y.4221標準將物聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢整合到電力基礎設施監(jiān)測管理中，從而使電力基礎設施的運行監(jiān)測和維護更加清晰化、系統(tǒng)化、精細化。及時推廣ITU-T Y.4221標準，不僅能有效促進我國電力行業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)應用中的技術進步，也將為各國電力企業(yè)在相關系統(tǒng)設計、開發(fā)和運營中提供科學、規(guī)范的技術指導，使其在實施物聯(lián)網(wǎng)技術時具備更強的標準化和適應性。在此基礎上，各國電力企業(yè)將能夠更加科學有效地提高電力系統(tǒng)及其關鍵設施的可靠性、安全性，并在全球能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更大作用。

參考文獻

[1]國際電信聯(lián)盟. ITU-T Y.4221： 2024 [S/OL]. [2024-08-16]. https：//www.itu.int/itu-t/recommendations/rec.aspx？id=15475.

[2]國際電工委員會. IEC 60050-601：1985[S/OL]. [2024-08-16]. https：//webstore.iec.ch/en/publication/224.

[3]GB/T 40287-2021，電力物聯(lián)網(wǎng)信息通信總體架構[S].

[4]DL/T 2459-2021，電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構與功能[S].