物聯(lián)網技術在配電網絡中的應用研究

王吉友++李鑫++范繼偉++付維峰++王蒙

摘 要：配用電監(jiān)測管理系統(tǒng)中，對物理設備數(shù)據(jù)的采集方案已經比較成熟，但在設備之間數(shù)據(jù)利用環(huán)節(jié)與網絡層傳輸環(huán)節(jié)還存在諸多不足。利用物聯(lián)網技術在各種電氣設備之間實現(xiàn)信息獲取、傳遞、存儲、融合、使用，將會為變電站管理、配用電設備監(jiān)測、狀態(tài)檢修提供高效、便捷、高速的數(shù)據(jù)支撐，從而有利于電力管理水平和服務水平的提高。

關鍵詞：配電設備 物聯(lián)網 中壓電力線載波

中圖分類號：TP205 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0063-02

我國物聯(lián)網應用總體上還處于發(fā)展初期，在許多領域上積極開展了物聯(lián)網的應用探索與試點，但在應用水平上與發(fā)達國家仍有一定差距。目前已開展了一系列的試點和示范項目，在電網、交通、物流、智能家居、節(jié)能環(huán)保、工業(yè)自動控制、醫(yī)療衛(wèi)生、精細農牧業(yè)、金融服務業(yè)、公共安全等領域取得了初步進展。在電網領域上，2009年國家電網公布了智能電網發(fā)展計劃、智能變電站、配網自動化、智能用電、智能調度、風光儲等示范工程先后啟動。

1 物聯(lián)網技術在電力行業(yè)的應用現(xiàn)狀

目前，物聯(lián)網中的射頻識別、無線傳感器網絡、全球定位技術等技術在電力系統(tǒng)生產、管理等各個環(huán)節(jié)都有所應用，協(xié)助實現(xiàn)有效的電網感知，提高了電力規(guī)范化管理能力。在發(fā)電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網技術已應用于環(huán)境監(jiān)測、設備狀態(tài)監(jiān)測、水情監(jiān)測等場景；在輸電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網技術已應用于線路狀態(tài)監(jiān)測、線路環(huán)境監(jiān)測、雷電定位、智能巡檢等場景；在變電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網技術已應用于變電環(huán)境監(jiān)測、設備狀態(tài)監(jiān)測、變電站安全防護等場景；在配電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網技術已應用于線路狀態(tài)監(jiān)測、設備狀態(tài)監(jiān)測、線路故障定位及報警等場景；在用電環(huán)節(jié)，物聯(lián)網技術已應用于用電信息采集、智能家居/小區(qū)、智能樓宇/園區(qū)等場景。

2 應用技術

2.1 物聯(lián)網感知層技術

物聯(lián)網感知層一般包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)短距離傳輸兩部分，其關鍵技術主要包括：無線傳感器網絡技術（WSN）、RFID技術、二維碼技術、藍牙（Blueteeth）技術等。

2.1.1 自組織組網技術

在物聯(lián)網感知層中應用到了自組織組網技術，自組織組網技術的起源可追溯到1968年的ALOHA網絡和1973年美國國防部高級研究計劃署（DARPA）資助研究的“無線分組數(shù)據(jù)網（PRNET）”。主要的特點是網絡拓撲結構動態(tài)變化，分布式控制方式，自組織性，多跳通信，節(jié)點的處理能力和能源受限，信道質量較差。在物聯(lián)網中主要是應用在一些企業(yè)中，它通過自組織組網技術，組織、創(chuàng)建了公司內部的網絡，在與外界進行信息交換，特別是在物聯(lián)網的應用中需要了解這樣的組網技術，以便于其公司信息的采集。

2.1.2 無線傳感器網絡技術

（1）無線溫度傳感器：實現(xiàn)溫度、溫升和相間溫差的高可靠實時在線監(jiān)測，實現(xiàn)設備運行溫度的自動管理，為設備的安全運行提供數(shù)據(jù)支持。

（2）無線水浸傳感器：實時在線監(jiān)測傳感器安裝位置（場所）是否浸（積）水，并實時地將水浸信息通過數(shù)據(jù)傳輸基站上傳到控制主機，以達到監(jiān)控告警的目的。

（3）無線桿塔傾斜傳感器：可以在線監(jiān)測桿塔傾斜狀態(tài)，當傾斜角度達到閥值時，向監(jiān)控主機發(fā)送告警信號。

（4）無線故障電流傳感器：主要實現(xiàn)現(xiàn)場的電流取樣及分析，判斷出當前的電流是否為故障電流，并采集周邊其他無線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過無線傳感網把電流、諧波等數(shù)據(jù)傳輸出去。后臺軟件結合GIS進行故障點的定位，從而通知檢修人員到現(xiàn)場進行故障排除。

（5）無線門磁傳感器：安裝在柜門上，與永磁鐵或電磁線圈等器件配合使用，能夠實時在線監(jiān)測柜門的開、關狀態(tài)以及開關次數(shù)。不影響柜門的正常使用。

（6）無線溫濕度傳感器：實時、準確地測量環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度。可以實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。

（7）配變綜測骨干節(jié)點：采用無線組網協(xié)議來實現(xiàn)節(jié)點之間的通信，同時具有線路電流、電壓、諧波等線路參數(shù)的在線測量功能，支持有線485通信和以太網通信，同時內部集成標準101和104通信協(xié)議。

2.1.3 RFID技術

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。

2.2 物聯(lián)網網絡層技術

2.2.1 中壓電力線載波

中壓電力線通信是指綜合運用多種調制解調技術、信道編碼技術、網絡通信技術、模擬前端技術以及耦合結合技術，實現(xiàn)以中壓配電網為傳輸介質的通信。

國內外相關企業(yè)一直致力于中壓配電線路的載波通信領域研究，在載波調制和組網技術研究方面進行不斷的探索，在傳輸速率、可靠性方面已取得了較大進展。

BPLC依托電力線，可部署在變電站、環(huán)網柜直至用戶建筑內，構成可靠的配用電網信息的傳輸網絡，傳輸距離超過500 m。提供配電信息等寬帶接入，同時兼顧原有設備低速業(yè)務（RS-232/ RS-485）數(shù)據(jù)的接入。

2.2.2 線通信技術

無線通信技術可根據(jù)使用者類型分為無線公網和無線專網。對于無線專網來說，需要自身架設整套通信網絡，包括基站、終端和網管等，而無線公網僅僅租用運營商的現(xiàn)有網絡通道，由運營商負責運維即可。

相比較光網來說，架設無線鏈路則無需架線挖溝，線路開通速度快；無線擴頻能隨時架設，隨時增加鏈路，安裝、擴容方便；無線通信覆蓋范圍大，幾乎不受地理環(huán)境限制。缺點是采用邏輯隔離，相比有線網絡的物理隔離，安全性較差；無線傳輸速率最高不超過幾百兆每秒，相比光網絡傳輸速率較低。

2.2.3 xPON無源光網絡

以太網無源光網絡是一種特殊光纖以太網組網模式，采用點到多點（P2MP）結構的單纖雙向光接入網絡，是常采用IEEE802.3以太網幀來承載業(yè)務的PON系統(tǒng)。PON技術經歷了APON、BPON、EPON、GPON等階段。其中的EPON技術已經比較成熟，產品已開始規(guī)模商業(yè)應用。

3 實現(xiàn)方案

傳感器采集配電設備的運行環(huán)境數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后通過自身的無線通信模塊傳輸?shù)骄徒亩叹嚯x無線傳輸骨干節(jié)點，通過多個骨干節(jié)點組成的自組織網絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸基站，然后通過配電自動化系統(tǒng)配套光通信ONU將配網設備狀態(tài)信息接入變電站，在變電站經數(shù)據(jù)匯聚控制器進入電力安全III區(qū)送至主站數(shù)據(jù)采集服務器。傳感器和骨干節(jié)點的傳輸頻率采用2.4 GHz，傳感器網路采用了WSN（無線自組織網絡）。骨干節(jié)點之間可以直接通信，采用MESH網絡。

現(xiàn)場作業(yè)終端采集的RFID設備標識信息，采用GPRS無線公網通信方式，通過安全接入平臺，訪問系統(tǒng)主站，獲取設備臺賬信息、監(jiān)測信息和運行信息；并可將現(xiàn)場收集的設備狀態(tài)信息、設備評價信息及時傳回主站系統(tǒng)。

其中感知層實現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一感知與表達，建立統(tǒng)一信息模型，規(guī)范感知層的數(shù)據(jù)接入，是對SG-ERP架構的補充和完善。網絡層將不同的通信技術屏蔽，按照規(guī)范化的統(tǒng)一通信規(guī)約實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳送，則豐富了SG-ERP架構。應用層完全遵循SG-ERP的體系架構，將多種數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理并向外提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務，支撐各類業(yè)務應用，基于統(tǒng)一應用平臺，開發(fā)各類電力物聯(lián)網應用服務，供其他業(yè)務系統(tǒng)調用。

感知層主要利用各種傳感識別設備實現(xiàn)信息的采集、識別和匯集。其重點是實現(xiàn)統(tǒng)一的信息模型，具體包括對統(tǒng)一標識、統(tǒng)一語義、統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達格式等方面。

網絡層主要負責由感知層獲取信息的傳輸和承載。網絡層旨在多種融合通信技術的引入，豐富通信方式。應用中傳感器與匯聚節(jié)點間多通過微功率無線通信等技術互聯(lián)，解決信息采集覆蓋及靈活性問題，匯聚節(jié)點與接入網關之間通過光網絡、PLC、無線寬帶等技術互聯(lián)，解決信息遠距離傳輸及可靠性問題。

應用層基于國網SG-ERP架構，研究電力物聯(lián)網的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)發(fā)布統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務并封裝系統(tǒng)功能，為現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)提供各類的統(tǒng)一應用服務，也可以為其他業(yè)務系統(tǒng)提供更高等級的服務功能。

4 結語

通過物聯(lián)網技術的在智能電網建設中的應用，將會在電網建設、安全生產管理、運行維護、信息采集、安全監(jiān)控、計量應用、用戶交互等方面發(fā)揮巨大作用，可以全方位地提高智能電網各個環(huán)節(jié)信息感知的深度和廣度，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化以及“信息流、業(yè)務流、電力流的高度融合”提供基礎數(shù)據(jù)支持。通過針對物聯(lián)網WSN（無線傳感器網絡）組網技術的研究，能夠實現(xiàn)智能電網通訊網絡的快速和智能組網，從而增強智能電網狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃裕梢苑奖憧旖莸卦黾泳W絡節(jié)點和監(jiān)控測點，加快智能電網建設的步伐。

參考文獻

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