智能電網用戶側物聯網建設的研究

潘明明，郝為民，于東方

(1.中國電力科學研究院 北京100192；2.中國科學院半導體研究所 北京100083)

1 引言

國家電網向智能化電力物聯網的演變，給面向未來的新一代智能電網的運營管理帶來全新發展機遇的同時也帶來了諸多挑戰。為了應對挑戰，我們必須在先進網絡覆蓋電力通信網的基礎上，加快建設實現電網各環節基礎設施系統的智能化，如試點城市的用戶終端智能電表，加載各類傳感器元器件的部署和配備推廣，為以用電計量等的智能化應用為代表的開展帶來可能和實現。隨著未來電網智能化的建設和部署，也給越來越豐富的基于全網的智能一體化應用帶來可能。2008年，美國科羅拉多州的波爾得(Boulder)已經成為了全美第一個智能電網城市，每戶家庭都安裝了智能電表，人們可以很直觀地了解當時的電價，從而把一些事情，比如洗衣服、燙衣服等安排在電價低的時間段。電表還可以幫助人們優先使用風電和太陽能等清潔能源。同時，變電站可以收集到每家每戶的用電情況。一旦有問題出現，可以重新配備電力。

2 研究內容

目前，電網的管理支撐系統還只是離散的孤立狀態，各類電力業務的標準規范試驗認證評估等還在研究中，針對發電側、輸電側、配電側及用戶側業務還缺乏統一管理，缺少對用戶側尤其是面向石油、化工、鋼廠等超大型用電戶實現電力能耗監測、其他耗能監測（用水、用氣等耗能）、能耗監測與經濟統計融合的智能電網應用方面的創新研究，而這將成為智能電網發展的金字塔模式，在稀有的同時也顯得越來越迫切。提升電力企業面向用戶側服務的運營能力，同時著力解決電力公司在智能化應用管理方面的若干挑戰。

面向個性化應用創新需求，實現電力公司對大客戶、家庭客戶等差異化服務。擺脫大眾化、粗線條的客戶體系，建設電力物聯網更為個性化、小眾化的客戶服務體系。

建立事件型觸發分析需求，通過建立客戶活動、體驗等相關的業務模型，與可以感知、測量、捕獲信息的電力物聯網系統，隨時隨地傳遞信息的移動互聯系統協同工作，建立基于事件驅動實現感知、體驗、分析的即時互動。

滿足電力公司對用戶側用電實時性監控管理的需求，為捕捉客戶需求的實時動態變化，需要實現動態策略管理滿足實時/準實時的事件型觸發分析需求，同時分析結果數據要能便捷、標準化及實時地對外提供或轉化為協同控制要求，實現實時營銷和服務。

轉變智能電網應用系統只作為后臺系統的角色，使之逐漸上升為主要的生產系統，打破原數據倉庫的模式，使智能電網應用系統逐漸成為電力企業運營管理的“智庫”和“中樞”，使電力運營商核心競爭力的作用越來越顯著。

3 智能電網用戶側物聯網建設的架構研究

建設智能電力物聯網一體化管理平臺是實現完整智能電網運營管理體系的最終目標，而用戶側物聯網平臺則是智能電力物聯網運營管理系統中的重要組成部分，主要分為以下幾個部分。

3.1 智能電網用戶側物聯網的感知層建設

對于配電網和用戶網而言，其各自物聯網建設的關鍵點都在于數據采集和數據采集過程中的安全監控，即物聯網感知層建設。因為10 kV以上的配電設備未來都將加裝各種先進的傳感器，作為物聯網感知層的觸角，傳感器將是各種物聯網中首先要研究的“門檻級要素”，沒有先進、穩定的傳感器作支撐的物聯網必然是“空中樓閣”，而以光纖和光波導芯片為首的無源傳感器將是未來電力傳感器研究與應用的主要發展方向之一。目前，針對電力應用的“光纖光柵火災或溫濕度監測傳感器”、“光波導型變壓器安全監測傳感器”、“無源智能變電站安全監控傳感器”等具有國際領先技術水平的無源傳感器已經進入工程試用階段，相信未來幾年將大規模裝備到各級電力設施。而大型電力客戶，如鋼廠、化工廠等用電設備未來也將加裝這些傳感器，這些傳感器及管理系統會與電力干線輸電網傳輸傳感監控系統、安全傳感系統整合，形成電力物聯網一體化管理平臺。

3.2 智能電網用戶側物聯網的網絡層建設

在實現面向智能電網的實時數據采集時，需要注意的是數據采集的方式是多樣的，如數據可以通過載波、光纖、無線、GPRS等通信方式進行采集和傳輸。而目前用戶側數據采集則很大程度上還依靠人力，只有解決好用戶側物聯網網絡層建設才能充分地發揮用戶側物聯網感知層的先進性與有效性，而解決網絡層建設也相對容易些，可以充分利用當今電力日益強大的EPON無源光纖網絡中豐富的光纖通信資源，同時因地制宜,結合Wi-Fi、3G等無線傳輸網絡從而徹底解決用戶側物聯網信息通信的孤點及孤島等問題。智能電網用戶側物聯網的組網結構如圖1所示。

3.3 智能電網用戶側物聯網的管理層/決策輔助層建設

智能電網用戶側物聯網的管理層既要求數據曲線、歷史曲線、峰值告警等內容又要求用戶側到配電側有自動發現的拓撲結構和信息雙向處理功能。要能提供事件處理決策功能，即引入計算機式的輔助專家處理庫，對于各環節的問題有自動決策生成功能。同時，在智能決策基礎上引入先進的控制技術，進行分析、診斷和預測狀態并確定和采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動的裝置和算法。

先進控制技術的分析和診斷功能基于引進預設的輔助專家知識庫系統，在專家系統允許的范圍內，采取自動的控制行動。響應時間將在秒級水平上，實現了自愈能力的智能電網的可靠性將獲得極大地提高。

同時系統平臺設計和建設應具備與上一級管理層如配電網、輸變電網管理平臺的自動化對接基礎，或是局部實現用戶側物聯網部分監測功能。這必將推動這些研究成果在智能電網全網生產、工程監測、安全檢測以及ICT的深化和整合應用。智能電網用戶側物聯網的系統架構如圖2所示。

4 結束語

本文面向未來智能電網的總體建設規劃及可預見的來自于技術和可行性架構方面的挑戰，以智能電網中基礎的建設單元——“智能電網用戶側物聯網”的研究為切入點，以“窺一斑而知全豹”的概念解析智能電網與電力物聯網的架構設想及全網解決方案，因此“智能電網用戶側物聯網的研究”對智能電網的建設具有積極的技術導引和架構導引意義。