基于無線傳感器網絡的智能電網信息管理平臺

郭洪月　關微　趙波　張津銘　張玉良　陳明非

摘 要：針對傳統電網缺乏信息共享等情況，應將物聯網有效、合理地與智能電網相結合，構建新一代智能電網信息管理平臺。相關單位應建立物聯網USN分層體系架構，制訂基于無線傳感器網絡的智能電網生產環節應用方案，從而提高電力系統生產環節的信息化、自動化水平，滿足智能電網高效、經濟、安全、可靠和社會感知互動的實際要求，這對電網的重大決策和高效管理有較大的現實意義。

關鍵詞：電網；物聯網；信息管理平臺；無線傳感器網絡

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.004

雖然我國現有電網的現代化、信息化水平在不斷提高，但仍然存在一些問題。為了提高電網的運行效率、可靠性，降低運行成本、改善環境質量和減少污染物的排放，需要對現有的長距離輸電網、配電網進行數字化升級，并優化電網的運行狀態，而組建安全、可靠、經濟、穩定、兼容的智能電網是解決這些問題的關鍵。通過充分利用可靠的雙向通信技術、無線傳感器技術和分布式計算技術，提升了智能電網的電力傳輸效率和用電效率，減少了故障停電損失，提高了電網的可靠性和安全性。近年來，如何有機結合智能電網與物聯網技術已被提升到國家經濟發展的戰略決策層面，成為電力發展中需要解決的重要問題。本文結合物聯網的USN基本網絡架構，對智能電網的輸電、變電、配電和用電四大環節進行了需求分析，提出了智能電網通信管理平臺的物聯網分層體系架構，并針對智能電網的生產環節提出了基于物聯網終端無線傳感器網絡的應用解決方案。

1 傳統電網和智能電網的特點

傳統電網完全按照發電、輸電、配電、用電橫向的傳輸方向配置，每一個業務面均由垂直多級的控制部分組成，屬于簡單的剛性系統，其基本構架如圖1所示。傳統電網的缺陷是在數據采集的終端上存在大量盲區，導致系統內部無法共享信息，形成多個信息孤島，當信息采集量較大時，會出現數據不一致的情況，降低了可用性和可信度。此外，傳統電網對信息的收集、利用水平較低，信息管理是分散的，整個電網的現代化、智能化程度較低，難以構成綜合的業務應用系統。

智能電網是一項復雜、龐大的系統工程，包括發電、輸電、變電、配電、用電和調度等環節，組織構架比傳統電網更緊密，可形成全電網的綜合優化體系，實現裝備最優技術經濟比運行，如圖2所示。智能電網的基本特征是在大量交互式數據的基礎上，實現精細化、智能化管理，使能源資源開發、發電、輸電、配電、供電、售電和用電等電網系統的各個環節實現節約成本

的目標。智能電網主要通過終端傳感器，在用戶之間、用戶與電網公司之間形成即時連接的智能互動網絡，實現高速、雙向的數據讀取效果，從而達到精確供電、互補供電、提高能源利用率、供電安全、節能減排的目標。目前，我國電網的特點為統一、堅強、智能，歐美國家智能電網的特點為綠色、清潔、環保、分布式?？傮w而言，信息通信、智能管理與決策和數據采集控制是智能電網不可或缺的三要素，而高速、實時、雙向的信息通信是智能電網首先要具備的基本要素。

2 智能電網通信管理平臺的構建

2.1 物聯網與智能電網的有機結合

1999年，美國麻省理工學院（MIT）首次提出了物聯網的概念，全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯網的特征。為了消除現有電力通信網中的數據采集盲區、信息孤島，實現實時監控、雙向互動的智能電網通信管理平臺，需要將物聯網與智能電網有機結合。因此，如何將物聯網的環境感知性、多業務性和多網絡融合性有效植入智能電網通信管理平臺，搭建全面感知、全景實時的智能電網信息管理平臺已成為相關研究人員的新課題。此外，建設智能電網必然會連帶產生世界上最大、最智能、信息感知最全面的物聯網。智能電網物聯網平臺與現有電力通信網的性能比較如表1所示。

物聯網是一種新型的通信網絡，具有智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能，已在物流管理、智能建筑、安全服務、健康醫療等多個領域試點應用，收到了良好的效果和經濟效益。物聯網通過射頻識別（RFID）、無線傳感器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，可將任何物品與互聯網相連，從而實現物與物、人與物之間的信息交互和通信。將物聯網引入新一代的智能電網通信管理平臺中，利用物聯網異構融合、兼容開放、自組織、自愈等特點，可重構現有電力通信網，利用無線傳感器網絡實現物與物之間的直接通信，降低了電網生產環節中的人工參與度，提升了電網的安全系數，實現了電網與社會的相互感知。智能電網物聯網平臺的應用體系如圖3所示?；谖锫摼W技術，可極大地擴大現有電力通信網的業務范圍，提高電力系統的安全性和抵御故障、災害能力，實現與用戶的信息交互，最終實現智能電網的節能減排、兼容互動、安全、可靠的目標。

物聯網技術在電力系統的發電、輸電、變電、配電和用電等環節，在電網的建設、安全管理、運維、信息采集、安全監控、計量和用戶用電交互等方面具有廣闊的發展空間，將產生巨大的經濟效益和社會效益。

2.2 智能電網信息管理平臺的結構

智能電網不同環節的應用需求不同，因此，確立了智能輸電、智能變電、智能配電和智能用電四大應用模塊。根據不同階段的完成功能和支撐技術的區別，采用了物聯網的USN基本網絡模型。USN體系結構按照功能層次較為清楚地定義了物聯網的組成，自下而上分為5層網絡體系架構，即感知網、接入網、網絡基礎設施、中間件和應用平臺。修改該體系結構后，提出了一些經過演化的物聯網體系結構，如圖4所示。感知網用于環境信息的全方位采集和傳輸，利用自身的通信延伸子層、感知控制子層采集機械狀態信息、環境狀態信息和電量信息，并將物理實體與網絡層、應用層連接；接入網由網關或匯聚節點組成，可為感知網與外部網絡、控制中心間的通信提供基礎設施；網絡基礎設施負責信息的傳遞和控制，基于后IP技術的下一代互聯網（NGN）可實現多種組網方式的異構融合和協同工作；中間件由負責大規模數據采集和處理的軟件組成；應用平臺是實現智能電網中物聯網相關應用的基礎，可提高人們生產和生活的效率?；谖锫摼W的體系結構，搭建智能電網通信管理平臺，可實現與用戶的信息雙向互動，從而滿足高效、經濟、安全、可靠和互動的要求。

2.3 智能電網生產環節的應用方案

為了提高電力系統生產環節的信息化、自動化水平，物聯網在智能電網通信管理平臺上的應用主要基于物聯網終端的無線傳感器網絡（WSN）。無線傳感網絡作為智能電網的信息感知末梢，是智能電網建設中不可或缺的基礎環節之一，可全方位地提高智能電網各個環節的信息感知深度和廣度，為智能電網“信息流、業務流與電力流”的高度融合提供技術支持。無線傳感器網絡是由大量的傳感器節點自主形成的多跳網絡，可實現物與物之間的直接通信，較高密度的節點分布使監測數據可滿足一定的精度要求，具有低成本、低功耗和小型化的優點，非常適合通信實時性要求不高，但通信節點數量龐大的網絡。結合多種近程通信技術，在智能電網輸、變、配、用四大環節搭建了無線傳感網絡，主要應用于高壓輸電線路，變電站一、二次設備，尤其是一次設備的在線監測以及配電網自動化、用電信息采集等方面，具體如圖5所示。

在圖5中，最底層為部署在實際監測環境中的各類傳感器、智能終端、RFID標簽等輸入、輸出實體，向上依次為無線傳感器網絡、網關節點、光纖或寬帶無線接入網和核心網，最終連接至智能電網通信管理平臺分析處理中心。無線傳感器網絡通過感知延伸終端的每個傳感器節點，采集輸電、變電和配電各個環節的設備狀態、線路狀態、氣象環境和配用電一體化等信息，采集到的大量數據會傳送至網關節點，網關節點中的數據采集、數據預處理和控制模塊、通信模塊會自動對數據進行集中分類和融合。合適的數據預處理可大大減少數據通信量，減輕網關節點的轉發負擔，減少節點的能量消耗。但網關節點的處理能力有限，只能進行粗粒度的處理，分類預處理后的數據信息會傳至接入網，并統一進入核心網，最終發送至后臺數據分析處理中心進行細粒度分析處理，再由智能電網通信管理平臺發出相關指令，按相同的方式將數據反向傳輸至終端網絡節點，實現對全網的實時監測和故障處理。無線傳感器網絡技術在智能電網的檢測、分析、控制中起著基礎性作用，提高了智能電網的可觀測性。

3 結論

本文充分考慮了智能電網的特性和需求，將物聯網有效、合理地植入了智能電網通信管理平臺，構建了面向智能電網的物聯網分層體系架構，提出了基于無線傳感器網絡的智能電網生產環節應用解決方案，得出了以下結論：①搭建的高度集成的開放式智能電網通信管理平臺實現了電網的安全、穩定、經濟、優質和高效運行，充分發揮了傳感器技術、計算機技術、網絡通信技術和信息技術在電網重大決策和現代化管理中的作用，對國民經濟的快速發展具有巨大的推動作用。②將物聯網融入到智能電網通信管理平臺中是一項長期工程，既要立足于實際，又要兼顧發展前景；既要滿足近期需求，又要適應未來的發展。因此，需要不斷提高電網信息化的程度和物聯網標準化的程度。③物聯網USN體系結構未對各層之間的接口，比如感知網與接入網的通信接口、中間件與應用平臺的數據接口等作出統一的規則和定義，有待于進一步完善。④基于物聯網的智能電網通信管理平臺建設已成為我國電網發展的主要方向，但在實際應用中仍存在標準化體系缺失、信息集成有待進一步完善、信息安全保障不足等問題。因此，需要從智能電網自身的特性和需求出發，合理應用物聯網技術，從而促進電力系統物聯網技術體系的形成。

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〔編輯：張思楠〕