基于物聯技術的配電網智能化研究

國網江蘇省電力有限公司無錫供電分公司 許 歡 胡曉青 許吉強 魯玉普 惠 煒

1 引言

物聯網技術是信息技術時代綜合運用的必然發展產物，其特點是高度集成、滲透性較強、能起到帶動作用，核心是整體綜合效益較好，物聯網技術的運用可以促進和改善人們的生產和生活方式，隨著物聯網技術的不斷發展和提高，物聯網技術將實現智能化更強，同時逐步趨于精細化和網絡化，物聯網技術融合云計算、大數據、物聯網、人工智能、三維數字化建模、虛擬現實等的數字技術，為實現電力系統供配電、營銷和企業智能管理等場景智能應用提供支撐。

2 物聯網三大要素及兩大特征

2.1 三大要素

一是通過利用傳感器以及二維碼等使物體的信息能夠隨時隨地獲取全面感知。二是通過電信、互聯網、物體的融合，能夠達到實時準確地將物體的信息可靠傳遞。三是利用各種智能計算技術，如云計算、模糊識別等，進行數據、信息和物體分析實施智能處理。

2.2 物聯網兩大特征

一是能夠使傳感器網絡部署和通信網絡覆蓋泛在化。二是在協同處理和決策支持以及算法和專家庫等方面智能化。

3 智能電網解譯

智能電網內含各種智能的傳感器和電力設備，控制和應用系統，所以其數字化程度高，基于統一的信息平臺，在數據和應用方面能自動完成整合，在電網的可觀性和可控性方面得到增強和擴大，基于商業智能分析系統，能夠智能進行對電網運行數據分析和處理，對設備狀況進行相關的監測和分析，同時對決策提供輔助支持，從而來優化運行和管理[1]。

4 智能電網的特點及功能

4.1 特點

一是靈活性。組建自我平衡，自我監視的電網，將人工干預減少到最低程度。二是可接入性。可接受任何能源（煤，太陽能，風能）并將其轉化為最終用戶的使用（供熱，照明，熱水），將對環境的累計影響減到最小。三是可靠性。可以感知系統的某一部分過負荷，可控制潮流改變走向以減少過負荷并防止潛在的停運的發生。四是盈利性。使得電力消費者和電力公司之間的實時通信成為可能，可以基于環境和價格的優惠優化消費者對電能使用。

4.2 功能

一是能針對電網運行狀態，采集并傳輸價格和電網狀態信息，將電網從中央控制轉換為集體網絡控制。二是通過采取自我恢復措施，處理緊急狀況下的各種問題，盡量滿足能源市場和電廠的需求。三是具有智能的基礎設施，能夠提供及時、安全的信息流，有效提供數字化經濟下的電力供應。

5 智能電網與傳統電網的差別

5.1 智能電網的技術創新點

一是將信息網絡融入傳統電網。二是將電力的信息網絡延伸到每個小的電力供應商。三是將電力的信息網絡延伸到每家每戶[3]。

5.2 智能電網的優點

一是通過信息網絡，及時了解各家用電情況，有利于電力調配。二是通過信息網絡，新興綠色發電可以并網。三是通過信息網絡，動態調配電力，保證電力網安全。

6 智能電網關鍵技術

6.1 發電領域

主要包括常規大電源基地（大煤電、大水電、大核電）、清潔能源（風電、光發電站）和大容量儲能應用等電源的接入和協調運行技術。

6.2 輸電領域

主要包括特高壓和柔性交直流輸電技術、輸電線路智能化巡檢、檢修和運行維護技術和輸電設備狀態監測及維護管理技術等。

6.3 調度領域

主要包括在線安全穩定分析評估和輔助決策技術、運行控制自動化技術、電網運行監測全景化及可視化技術、運行數據的測量及網絡傳輸技術、大電網控制技術、安全防御技術以及運行管理技術等。

6.4 變電領域

主要包括變電站信息采集、智能傳感、實時監測、狀態診斷、自適應/自優化保護、廣域保護、協調控制和站內智能一次設備等技術等。

6.5 配電領域

主要包括配電網自愈、智能預警、輔助決策、安全控制、設備管理、智能終端、電能質量監測、能量管理以及儲能等技術[2]。

6.6 用電領域

主要包括智能測量技術、智能采集技術、信息通信技術、智能分析與決策技術、雙向智能交互技術以及智能用能服務技術等。

7 物聯技術的配電網智能化研究

7.1 智能傳感測量技術研究

研究滿足智能電網要求的智能傳感器設計及功能模塊一體化技術、智能傳感器完整系統（芯片能）和微處理器芯片技術等。首先，建立智能傳感器的通用模塊模型，搭建功能復用模塊，合理劃分各模塊功能，建立智能傳感測量采集系統，具備補償校正和數據處理以及通信功能，達到人機界面劃分和任務調度的要求，設計出一系列通用的IP 核，滿足IP 功能復用。其次，運用宏模塊功能，將若干宏模塊用在芯片上構建成復雜系統，制定各模塊之間的接口協議與標準，為實現智能電網數據采集和處理打下基礎，最后，將通用需要的IP 核搭建整合為構成完整的智能傳感器系統。

7.2 嵌入式自主處理技術研究

在智能電網中，嵌入式自主處理技術研究有較高的地位，嵌入式智能設備Agent 技術的測試方法，對智能設備在測試過程中進行模擬和控制，模擬和控制對象是被測試、測試者和網絡環境，可以起到對屏蔽嵌入式智能設備的復雜性進行屏蔽，使測試效率和腳本的可重用性得到提高，從而使整個測試系統和電器設備的測試生命周期得到進一步拓展和支持。

7.3 智能電網專用芯片技術研究

智能電網專用芯片是實現智能電網的公共基礎技術。開展嵌入式CPU 核及SoC 設計方法學，系統芯片及EDA 工具算法研究；電路單元模塊的定制設計技術研究，高速電力算法IP 庫開發、通用接口IP 庫開發及高速片上總線技術研究；VLSI 可測試性設計技術；電力專用ASIC/SoC 檢測和評估技術等研究；設計低成本的具備采集計量功能的通信控制芯片，應用于智能配電或用電終端設備的研制。

7.4 智能輸電技術研究領域

輸電線路智能監測終端設備研究與開發，建立輸電線路智能化綜合監測信息平臺，綜合實現設備運行狀態監測、風險評估、故障診斷和定位、在線預警和輔助決策，使輸電設備在運行和維護以及生產管理水平得到全面提升，研究開發成本降低，全面高可靠性和集成度、能適應各種惡劣環境、遵守標準通信規約的導線狀態智能監測裝置和桿塔智能監測裝置。在導線上安裝導線狀態監測裝置，監測導線的溫度、弧垂、風偏、舞動、振動等運行狀態的組合或集成，桿塔監測裝置安裝在桿塔上，實現對微氣象、導線覆冰、絕緣狀態、桿塔傾斜、桿塔振動、張力、閃絡的組合或集成監測[3]。

7.5 智能變電技術研究領域

變電設備智能化監測、診斷與狀態評估技術研究，研制安全、可靠、抗干擾能力強的適合于電力系統現場的智能傳感器；提交智能化的變電設備監測、診斷與狀態評估統一平臺和管理系統。分析變電站中變壓器、斷路器、高抗、HGIS、GIS 等主要設備需監測的有效關鍵參量；基于關鍵參量的類型，研究適用于電力系統現場的智能型傳感器技術；在智能傳感器的基礎上綜合考慮現場通訊方式、監測系統構架和工作原理，提出變電主要設備智能監測的實現方案；圍繞各類設備的主要監測項目，研究監測參量及其變化與被測設備絕緣老化的關系，利用出廠試驗數據和歷史運行數據研究并開發具有自學習功能的變電主要設備智能診斷專家系統；基于診斷結果建立基于風險的預測模型和檢修策略模型，研究設備的剩余壽命估算方法；融合監測、診斷和狀態評估三個環節，建立智能化的變電設備監測、診斷與狀態評估統一平臺和管理系統。

7.6 智能配電技術研究領域

配電網智能終端設備的研究與開發，研制智能配電終端的樣機，制定智能配電終端的技術規范，分析智能配電網條件下智能配電終端的功能需求，研究設計滿足分布式電源接入情況下，完成配電網智能配電終端設備的監控和保護、故障信息交互、在線和電能質量監測等綜合功能。研究智能配電終端設備在各種應用條件下的通信技術，研究遵循IEC61850標準的智能配電網監控技術，并研發遵循該標準的智能配電終端樣機。

7.7 智能用電技術研究領域

智能表計與用電終端的研究與開發，提出低成本、安全可靠、多功能、模塊化的智能表計和用電終端技術方案，研制智能表計與用電終端，實現多電價機制支持、自動抄表與現場控制、信息雙向互動等功能。研究智能電網條件下客戶用電新需求，研究需求側管理、增值服務對現場計量、監測設備的影響；研究與配電網智能終端相配合的智能用電綜合監控終端；研究低成本、多功能、模塊化的計量終端關鍵技術；研究分布式電源接入、諧波、電動汽車充電站等復雜電磁條件下對電能計量的影響；研究用電數據加密技術；研究用電數據采集系統安全認證技術、信息安全傳輸技術等；研究智能用電終端信息交互技術及信息展現技術[4]，智能用電系統信息流程如圖1所示。

8 物聯網在智能電網中的應用

8.1 輸電線路在線監測

一是線路上部署溫/濕度傳感器、拉力傳感器、三維加速度傳感器（MEMS 陀螺）、環境溫濕度傳感器、風速傳感。

二是高壓桿塔上布設傾斜傳感器、Sink 節點 （含無線通信模塊）構成一個傳感器簇，無線傳感在線監測如圖2所示。

圖2 無線傳感在線監測

三是實現對導線舞動、導線風偏、導線微氣象變化、導線微風震動、導線溫度和覆冰以及視頻等在線監測。

8.2 電力設施全方位防護及保電支撐

可以有效抵御人為破壞和不可抗力產生的自然災害對電網安全運行的影響；全面提升電網設 備、線路、桿塔和其他資產的智能化作業水平、巡檢水平以及電網的感知能力，確保電網在安全和高效狀態下運行以及節約成本和優化調度方面得到可靠的支撐，如圖3所示。

圖3 全方位防護及支撐

8.3 輸電、變電、配電智能巡檢

巡檢人員的定位功能、設備信息的感知功能、狀態檢修提供輔助手段、標準化作業指導功能。

8.4 電力系統現場作業管理

現場作業遠程視頻監控，現場作業操作防誤與事件記錄，現場防誤入間隔，防止觸電，安全作業、文明施工，同時能起到設備的安全保障作用，如圖4所示。

圖4 現場作業

9 結語

物聯智能配電技術正處在高速發展時期，新技術、新功能將實現更加精準、可靠的管理，促進配網自動化應用與時代同步，物聯網與配電網的結合，將促進運維系統的更新，使得設計系統對配電網的信息采集更加全面，保證了配電網的安全運行。