物联网及其在电力系统中的应用研究

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摘 要：传统互联网技术到物联网技术的发展，促进了“以物控物”目标的实现速度。文章介绍了物联网技术的体系结构及其关键技术。分析了目前电力通信系统中存在的重要问题，针对这些问题，提出了物联网技术在电力系统配网自动化、应急通信以及智能电网中的应用。以期通过研究争取进一步加快智能电网的建设步伐。

关键词：物联网；智能电网；传感技术；RFID

中图分类号：TP205 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）08-0067-03

0 引 言

近年，随着物联网技术的发展，物联网技术在包括智能电网、智能交通、工业监测、公共安全等多个领域内被广泛应用。而物联网技术的发展也使得物联网在信息传送效率提升、生产率提高、企业管理成本降低等方面起到了重要的作用[1]。比如，在2009年8月24日出版的《人民日报》19版《从互联网到“物联网”》一文中提到，国家电网江西供电公司将传感装置安装到分布在全省范围内的两万台配电变压器上，实时监测其运行状态，实现电力使用情况检查、电能质量监测、线路及设备负荷管理、线损管理和需求管理等一体化高效管理，从而使得每年可以降低1.2亿千瓦时电能损耗。

电厂、电网、变电站、供电局、供电所彼此间信息的传递通过电力通信及电力信息系统已经实现了的全覆盖，同时建立了传输网络、调度数据网络、综合数据网络等来适应不同的业务需求，从而使各层面间实现了通信网络的互联互通。未来的发展将利用物联网技术将这个网络延伸至配网，以及现实中的各种物体，实现物物通信。近年来，随着智能电网的发展，如何组建基于物联网技术的电力系统通信，已成为电力系统领域的研究热点之一。

1 物联网核心技术及体系结构

1999年美国麻省理工学院Auto―ID提出了“万物皆能通过网络相互联结”的观点，并对物联网的基本含义进行了阐述。ITU提出了物联网的基本定义为“通过RFID、红外传感器、GPS、激光扫描设备、气体感应器等传感设备，按照规定的一系列协议，将任意物品连接到互联网中，从而达到信息交换和通讯，用来实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理为目的网络[2]。”物联网中的交互实体是时间或空间上可移动的物理实体或虚拟物体，采用近场无线通信、无线传感与执行网络与RFID等技术的融合，连接物理世界与虚拟世界[3-4]。在物联网中，物体参与商业、社会和信息的活动，进行交互和通信；并感知环境，与环境交换数据和信息[5]。

1.1 物联网核心技术

以RFID和网络技术为关键技术的初期物联网主要用于对货物及商品的管理，随着技术的发展，实现了通过物联网技术对物的控制，进一步达到“以物控物”。物联网自身需具有一定程度的智能，通过感知周围环境的变化完成动态自适应。同时，材料技术的发展也促使物联网功能属性得到延伸，未来物联网的发展不仅能够准确操作宏观物体，而且还可以对微观物体进行精确控制。从目前来看，须通过网络融合技术的发展来克服传统网络的异构型对未来全球物联网的应用的形成造成的困难。综上所述，物联网具有以下五项核心技术：标识事物的RFID技术、传感器与探测技术、思考事物的智能控制技术、网络融合技术以及微缩事物的纳米技术。

标识事物的RFID技术就是RFID，即射频识别技术。它可以在一个复杂的环境中，无需人工干预，自动识别目标对象并获取相关数据。RFID由阅读器、标签和天线三部分组成，由这些组成部分完成对物体的控制、检测和跟踪。做为具有唯一电子编码的芯片和耦合元件的标签，进入由阅读器射频信号形成的磁场后，通过感应电流获取能量后将存储在芯片中的产品信息发出。通过射频产生的磁场，阅读器就可以对标签信息读取或写入。天线的作用是在标签和阅读器间传输射频信号。

传感器与探测技术是物联网感知环境和自身状态的核心技术，传感器与探测技术能够为网络系统进行处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。目前，传统传感器正逐渐的向微型化、信息化、智能化和网络化方向发展，并将传统传感器和智能传感器由嵌入式Web传感器逐渐取代。

智能控制技术的主要目的是为了物体具有一定的智能型，以智能系统植入物体中形成智能控制系统，再通过这个系统对物体的各种状况进行分析。智能控制的理论来源于认知计算，认知计算也是当前人工智能的最新研究方向。要想使物联网实现“以物控物”的目标，那么既需要事物能够感知学习外界环境信息，而且还要能够让物体觉察发现自身的行为习惯。

网络融合技术最早起源于电话网、数据网及因特网在业务层面的融合。随着网络技术的飞速发展，各种网络标准的不断涌现，异构网络和网络复杂度的提高等因素，严重阻碍了跨网络业务的发展。网络融合技术在网络层面对各种异构网络进行融合，消除网络间由于不同标准而形成的数字鸿沟，实现异构网络间的无缝切换。

纳米技术是对尺寸在0.1 nm～100 nm范围内的材料性质及应用进行研究的新兴技术，这一研究技术包括众多学科，如纳米化学、纳米力学、纳米体系物理学、纳米材料学等等。由于纳米材料所具有的的性质，所以用纳米材料制作的器材具有重量轻、硬度强、寿命长、设计方便、维修成本低等特点，从而使得纳米技术在最近几年发展迅速。纳米技术在物联网中的应用，可以使物联网从宏观走向微观，从而使“物”在物联网中“感知万物”、“以物控物”。

1.2 物联网体系结构

1.2.1 泛在网体系框架

目前，对物联网的体系结构大多采用由ITU-T在Y.2002建议中所描述的泛在网分层体系结构。在Y.2002建议中将物联网自下而上以此划分为分为五个层次：底层传感器网络、泛在传感器接入网络、泛在传感器基础骨干网络、泛在传感器网络中间件和泛在传感器网络应用平台。

1.2.2 M2M体系结构

在亚洲和欧洲的一些国家，M2M已经进入部分商用阶段，主要应用应用领域有安全监控、城市信息化、物流系统、公共交通等。在ETSI制定的M2M体系结构中，将物联网划分为三层：感知层、网络层和应用层。

1.2.3 通用物联网体系结构

目前，可运营管理的通用物联网体系结构尚处在初期研究阶段。ITU在文献[6]中对泛在传感网络进行了描述，认为泛在传感网络是一种通用的物联网体系结构，它将物联网分为四层，分别为感知层、网络层数据智能层和应用层，图1所示是一般物联网的分层结构图[1]。

图1中感知层的功能，通俗来讲，即在传统网络基础上将用户终端向“下”扩展和延伸，扩大通信对象范围，从原来的人与人之间的通信扩展到人与现实世界中万物之间的通信。感知层主要实现感知并采集数据，对物理世界中发生的事件进行感知，并捕获事件过程中的数据。因此，感知层是整个物联网的关键和核心。

网络层的建立以现有网络为基础，主要承载数据传输、数据汇聚、安全可靠地传递和处理信息，如同目前的电话通信网、移动通信网、互联网等。物联网的网络层是将传感器网络技术、互联网技术和移动通信技术相融合。

数据智能层包括智能处理中心、信息中心以及网络和数据管理中心等等。

应用层作为物联网发展的驱动力和主要目的，是为了实现物联网与具体行业技术的深度融合。应用层主要将感知和传输得到的信息进行分析处理，从而进行正确的控制和决策，服务于智能电力、智能交通、智能家居等行业，实现行业管理、应用、服务的智能化。

2 物联网技术在电力通信系统的应用

电力通信系统承载着电力系统中信息的传输业务，这些信息包括语音、数据、故障录播及视频等。电力通信系统的稳定性取决于通信设备能否正常运行。同时，在通信设备发生故障时能否及时发现，尤其在一些无人值守变电所业务出现故障时能否及时发现并得到处理关系着整个局部电力系统的运行。结合物联网技术和电力通信系统的特征，将物联网技术应用于电力通信系统，不仅可以节省人力资源，而且还能及时的获取中心及偏远变电所设备的运行状态。物联网技术在配电网通信、应急通信以及智能电网等方面可以为电网智能化提供必要的技术支持和保障。

2.1 配电网自动化

配电网大多是指等级在10 kV之下的电压网络，是相对于高压输变电网而言的。配电网具有电压等级多、配电设备多、支线较多、网络结构复杂、事故几率高、事故查找困难、变动频繁等特征。通过对国内外配电网可靠性实例的研究分析，发现解决上述问题的最佳方法是实时配网自动化。配电网自动化的功能包括配电网运行自动化和管理自动化两个方面。在配电网运行自动化操作过程中包括数据采集与监控、故障自动隔离及恢复供电和电压无功及无功管理；而对设备的管理、检修管理、停电管理和规划设计管理包括在配电网管理自动化中。

在配网通信中，主要采用的通信方式有光纤以太网、配电载波、GPRS或3G，以及诸如无线扩频、ZigBee等。在这些通信方式中光纤以太网采用EPON或GPON使用较多，但是由于配网经常会变动，同时光纤施工难度较大、综合成本较高；配电载波传输质量较差，安全性比较低；GPRS等无线技术虽然通信质量较好，当容易受到路径的反射干扰，同时安全性也较差。

通过分析物联网技术发现，对于存在于配网中终端与通信的问题可以使用物联网技术很好地解决，仅需在配网设备及附件中加入传感器并将其联入互联网便可完成配网的通信工作，通过对数据的采集与监控即可实现“三遥”（遥测、遥信、遥控）等自动化技术。从而有效解决配网中终端多，而且经常变动的问题。

2.2 应急通信

在电力系统中，“发输配用”覆盖范围较广，设备终端多，在每一阶段都有可能随时随地发生事故，这就需要一个可靠的应急通信保障体系，在以往的工作中，一般只有事故发生会由抢险人员赶完现场检查并检测事故源，然后将结果汇报指挥中心，指挥中心根据事故原因制定相应处理方案并对事故进行处理。这将大大增加了抢险耗时。

物联网技术的应用使得抢险时间大大减少，并未指挥中心和调度中心的工作提供便捷。通过安装在终端设备的传感器，可以实时智能化检测电网运行状态以及各终端设备的运行状况。一旦发生事故，检测系统会发出报警信息，同时精确定位事故源，检查事故状况，并将准确的数据信息传送到指挥中心，并启动自我修复装置，若无法自我修复，也可以让抢险人员能够提前准备所需设备或更换零件赶赴现场进行抢险，大大提高了事故的处理效率。

2.3 智能电网

智能电网也称为电网的智能化，有时也用电网2.0来称呼。在美国能源部《Grid 2030》中，对智能电网的定义为：一个完全自动化的电力传输网络，能够监控电网中的每一个用户和电网节点，确保从发电到用电的整个输配电过程中，多个节点间信息和电能的双向流动。而我国国家电网中国电力科学研究院给出的智能电网的定义为：以物理电网为基础，将传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术等现代先进技术与物理电网高度融合而形成的新型电网。它可以充分满足电力用户对电力的需求、优化资源配置，确保电力供应安全性、可靠性和经济性，满足环保约束，保证电能质量，适应电力市场化发展的目的，实现用户对电力供应和增值服务的可靠、经济、清洁、互动等。

在智能电网中应用物联网技术，可以有效补充或增强传感器测量技术、通信技术、远程抄表技术、信息技术等，同时可以对在网设备进行实时检测，及时发现设备发生的事故并进行定位追踪，而且通过传感技术还可以对输电线路杆塔、线路覆冰情况、设备温度等进行实时监测。对于一些高压线路、海底电缆、配电房开关等难以通过通信方式有效收集的数据，借助物联网传感器就可以很轻松地实时收集并整合，从而提高应急的灵敏度和管理的效率。

3 结 语

伴随着智能电网的建设，电力物联网技术也在迅速的发展。在电力系统中应用物联网可以有效改善输电通信基础网络，提高电力系统网络的稳定性和可靠性。作为配电网络的重要途径还可以实现传统网络中无法实现的一些功能。物联网技术还能有效克服恶劣气候等一些自然灾害，加强对突发应急状况的检测和处理，保障电力通信体系。

但是，物联网技术目前还处于初步阶段，技术中还是很多不够完备的地方，一些关键技术还需要攻克。对于物联网技术和电力系统技术的深层次融合还需要更进一步的研究，从而加快智能电网的建设步伐。

参 考 文 献

[1]屈军锁 主编，物联网通信技术[M]，北京：中国铁道出版社，2011.

[2] ITU Internet Reports 2005： The Internet of Things-Executive Summary[EB/OL]，http：//www.itu.int/osg/spu/publications/internetofthings/InternetofThings_summary.pdf， 2010.7.

[3] JEONG S，KIM S H，HA M， et al.Enabling transparent communication with global ID for the Internet of things[C]，Proceedings of the 6th International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing.Piscataway： IEEE，2012：695-701.

[4] CONTI J P.The Internet of things[J].Communications Engineer，2006，4（6）：20-25；

[5] Internet of Things in 2020： Roadmap for the future[EB/OL]. http：//www.smart-systems-integration. org/public/internet-of-things.2010.7.

[6] ZHILBERT T.Ubiquitous Sensor Networks（USN）[R].Geneva：ITU-T，2008.