智能電網關鍵技術及其與物聯網技術的融合

唐 忠，楊春旭，崔昊楊

(上海電力學院計算機與信息工程學院，上海 200090)

隨著燃料等非再生資源的大量消耗和地球環境的不斷惡化，新能源分布式發電得到了廣泛應用，這也使得電網的復雜程度越來越高，為解決這些問題，智能電網應運而生［1］.現在的計算機、網絡、測量、通訊、自動化等先進技術，也為實現智能電網提供了有力支持［2］.此外，飛速發展的物聯網技術保證了智能電網為用戶提供更高的供電質量和更優質的服務.

1 智能電網發展和特征及研究目標

1.1 智能電網概念的發展過程

到目前為止，智能電網的概念發展經歷了3個階段:一是2006年美國IBM公司提出的“智能電網”解決方案，主要是解決電網安全運行、提高可靠性;二是奧巴馬上任后提出的能源計劃，建立了橫跨美國4個時區的統一電網，發展智能電網產業，最大限度發揮美國國家電網的價值和效率［3］;三是中國能源專家武建東提出的“互動電網”，即在開放和互聯的信息模式下，通過加載系統數字設備和升級電網網絡管理系統，實現發電、輸電、供電、用電，以及客戶售電、電網分級調度、綜合服務等電力產業全流程的智能化、信息化、分級化互動管理，是集合了產業、技術和管理的綜合性的效率變革［3，4］.

1.2 智能電網在我國的發展階段

2009～2020年，我國“堅強智能電網”將分為3個發展階段，從初期的規劃試點階段到“十二·五”期間的全面建設階段，再到“十三·五”時期的引領提升階段.其間智能電網建設總投資規模約為4×1012元.2011～2015年為規劃的全面建設階段，投資約為2×1012元，2016～2020年為智能電網基本建成階段，投資約為1.7×1012元.

1.3 智能電網的特征

(1)自愈 通過對電網運行狀態進行實時在線評估，采取預防性的控制手段，及時發現、快速診斷并消除故障隱患;故障發生時，在沒有或者少量人工干預下，能夠快速隔離故障、自我恢復，避免大面積停電［5］.

(2)互動 系統運行與批發、零售電力市場實現無縫連接，支持電力交易的有效開展，實現資源的優化配置;同時通過市場交易更好地激勵電力市場主體參與電網安全管理，從而提升電力系統的安全運行水平.

(3)堅強 智能電網的安全性高，對基礎設施的威脅通常有兩種:可抵制物理(爆炸、武器)攻擊和網絡(黑客)攻擊.

(4)優質 智能電網的高級組件應用超導、材料、儲能、電力電子等方面最新的研究成果來提高電能質量，其高級控制方法將監測必要的組件，以實現電能質量問題的快速診斷和完善解決.

(5)兼容 智能電網不僅能兼容大型集中的電廠，還能兼容不斷增加的分布式能源(DER)，包括可再生能源、分布式電源和儲能.

(6)優化 實現資產規劃、建設、運行維護等全壽命周期的優化，合理安排設備的運行與檢修，提高資產的利用效率，有效降低運行維護成本和投資成本，減少電網損耗.

(7)集成 通過不斷的流程優化及信息整合，以實現企業管理、生產管理，以及調度自動化與電力市場管理業務的集成，形成全面的輔助決策支持體系，不斷提升電力企業的管理效率.

1.4 智能電網的研究目標

智能電網的研究目標包括以下4點:

(1)以抵御事故擾動為目的，實現安全穩定運行，降低大規模停電的風險;

(2)使分布式電源(包含分布式發電、分布式儲能和電力用戶的需求響應)得到有效利用;

(3)提高電網資產的利用率;

(4)提高用戶用電效率、可靠性和電能質量［6］.

2 智能電網的關鍵技術和系統構成

2.1 智能電網依賴的關鍵技術及設施

實現智能電網，需要獲得以下技術及設施的支持.

(1)集成通信 是智能電網關鍵技術的基礎.首先必須全面地定義每個集成通信所需要的技術指標，如帶寬、冗余、可靠性等.其次在發展集成通信的同時要加快統一標準的制訂［7］.

(2)傳感與測量 在智能電網中要對大量的設備參數進行測量，需根據實際需要選擇傳感器，傳感器應滿足智能電網的要求，如高性價比、易安裝維護等.

(3)高級電力設施 在智能電網中起著非常重要的作用，它將應用超導、儲能、電力電子和微電子等技術領域的最新研究成果，為實現智能電網更大的輸電容量、更優質穩定的電能質量、更高的電力效率和更準確的實時診斷系統發揮積極的作用［8］.

(4)高級控制方法 是用來分析、診斷和預測智能電網狀況的裝置和算法，同時能決策和采用正確的動作去排除、緩解或避免電力短缺和電能質量問題.

(5)決策支持 智能電網需要廣闊、無縫、實時的電力設備信息以幫助管理人員快速作出決定.

2.2 智能電網的系統構成

智能電網主要由高級量測體系(AMI)、高級配電運行體系(ADOI)、高級輸電運行體系(ATOI)和高級資產管理體系(AAMI)［9］4 大部分構成.

(1)AMI 其工作原理及工作過程見圖1.

圖1 AMI結構示意

(2)ADOI和ATOIADOI包括高級配電自動化，配電快速仿真與模擬，分布式電源運行，AC/DC微網運行，新興電力電子裝置，配電SCADA，配電地理系統(GIS)7個部分.ATOI主要包括輸電阻塞管理，輸電SCADA，輸電GIS技術，EMS高級報警可視化，輸電系統仿真與模擬，WAMS等6個部分.文獻［10］詳細分析了高級配電和輸電運行體系各部分間的關系.

(3)AAMT 主要實現電力資產管理，大大改進了電網的運行和效率，主要分為用戶層、業務邏輯層、應用服務層和系統服務層等4個層次.另外，其主要的管理分為設備資產管理、缺陷管理、發電計劃及項目管理、檢修管理，以及備品備件管理等.

綜上所述，構成智能電網的4個體系的主要功能包括:AMI授權給用戶，使系統與負荷建立起聯系，并使用戶能夠支持電網運行;ADOI可使系統自愈;ATOI強調阻塞管理;AAMI可以大大改善資產管理.

3 智能電網與物聯網

3.1 物聯網簡介

物聯網(又名傳感網)被認為是繼計算機、互聯網之后的第3次數字技術革命，備受國內外關注.它是通過射頻識別(RFID)、傳感器、全球定位系統等技術手段，按約定的協議，把物品與網絡連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤監控和管理.

智能電網作為物聯網最主要的應用對象之一，受到業界廣泛關注.物聯網為實現智能電網提供有力的通信技術.將物聯網作為實現智能電網的主要技術手段是21世紀電力科技創新與發展的重要趨勢.

2009年9月，國家電網信息通信有限公司開始全面部署物聯網在智能電網中應用的研發，并組建了專門的研發團隊.

3.2 物聯網與智能電網的異同

物聯網與智能電網的相同之處包括:一是以翔實可靠的信息傳輸為基礎;二是以海量信息的智能處理為手段;三是以終端設備實時響應處理為初期目標;四是支撐技術大部分趨向成熟.

物聯網與智能電網的不同之處在于:一是智能電網的建設以能源的節約與替代為目標，而物聯網的建設目的是信息傳遞的處理與控制;二是智能電網的建設主體為政府與電力企業，而物聯網的建設主體為政府與通訊電子企業;三是智能電網主要應用在電信息采集控制及用電服務系統等方面，而物聯網主要應用在實體屬性信息及控制信息交互等方面.

3.3 面向智能電網的物聯網發展戰略

針對智能電網的需求和發展，國家電網公司提出了物聯網應用和發展的方向.在未來幾年，將通過聯合開發、共同攻關，依托重大科技專項和示范工程，打造智能電網物聯網的5大技術體系［11］.

(1)電力智能感知基礎體系 其目的在于提高面向智能電網的物聯網信息感知能力，推動電力信息采集裝備的智能化，引導智能感知裝備制造技術的發展，研制并推出具有更多種類，更高級、可靠、靈活的智能感知裝備［12］.

(2)電力物聯網技術支撐體系 其目的在于建設滿足未來智能電網需求的可靠通信平臺.

(3)智能電網應用體系 其目的在于配合我國智能電網建設，建立涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電及電力資產管理的面向智能電網的物聯網應用體系［13］.

(4)標準規范體系 大力開展面向智能電網的物聯網標準研究，積極跟蹤國內外物聯網標準的制定工作，推動電力物聯網相關標準的制定［14-17］.

(5)建立物聯網的邊界安全 將其接入規范體系，保證發電、輸電、變電、配電、用電等環節傳感節點及信息的統一安全接入［18］.

因此，物聯網在智能電網應用過程中，依托關鍵技術的發展與成熟，必將具備多種特色服務功能［15］.見表 1.

表1 物聯網在智能電網建設過程中的典型應用展望

2010年12月30日，我國首座將物聯網技術與高壓強電控制技術全面融合的220 kV新建智能變電站——西涇智能變電站在江蘇無錫竣工投運，標志著物聯網智能電網的發展進入實質性應用階段［18］.

4 結論

(1)智能電網發展迅速，目前已經經歷了3個階段，我國將在“十二五”期間大力發展智能電網.與傳統電網相比，智能電網具有自愈、互動、堅強、優質、兼容等優點.

(2)集成通訊、傳感與測量、高級電力設施、高級控制方法、決策支持等相關技術和設施為智能電網的實現提供了支持.AMI，ADOI，ATOI，AAMI 4大體系的配合實現了智能電網高效、優質的運行.

(3)物聯網與智能電網的結合，無論是從技術上還是從體系上都可以為智能電網提供強大的支持.

(4)智能電網是經濟和技術發展的必然產物，也是電力系統發展的必由之路，應大力發展.

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