面向智能電網的物聯網架構與應用方案研究

1.2 面向智能電網的物聯網分層網絡架構

面向智能電網的物聯網應用功能框架根據各大環節的不同特點提出了不同的應用需求。根據不同階段完成功能和支撐技術的差異，結合物聯網基本網絡模型，將面向智能電網的物聯網分為感知延伸層、網絡層和應用層三層網絡體系架構，如圖2所示。

(1)感知延伸層

感知延伸層的監測目標包括與電力環節相關的電力對象、家居對象和智能安防等其他對象。電力對象的感知范圍涵蓋輸、變、配、用四大環節中的氣象環境、設備狀態信息以及用戶用電信息;家居對象的感知則涵蓋家庭水熱電表和遠程操控的智能家電;而其他對象則包含各種負責安防監控的傳感器、攝像頭、RFID標簽等短距離通信設備。從感知對象上采集到的信息經過一定的分類和預處理，通過無線自組織傳感網、紅外通信、現場總線等多種短距離通信手段接入感知終端和互動終端，在終端設備上體現感知數據并實現與用戶的交互式操作。

(2)網絡層

網絡層又分為接入網和核心網。首先，感知終端和互動終端的信息通過網關屏蔽各網絡之間的差異，按數據類別和安全等級分別傳至電力接入專網和互聯網。電力接入專網主要包括電力光纖接入網和寬帶無線接入網，通過電力接入專網與電力核心網互聯，對采集數據進行實時、可靠地回傳;互聯網側包含以太網、ADSL、3G、xPON等多種接入方式。

(3)應用層

應用層針對智能電網各項業務的需求，搭建各種電力應用平臺。各應用平臺系統在通過傳感手段獲得的大量數據的基礎上提供更加細膩的管理和控制。另外，應該在現有電力應用平臺的基礎上搭建新型感知互動平臺，電網企業通過這個平臺與社會用戶進行相互的感知與互動。感知互動平臺與電力核心網之間的連接必須是在內外網相互隔離條件下，有強有力安全措施保障的間接互聯，因此，圖中對二者的相連選取了虛線連接，意為一種虛擬的、物理隔離條件下的互聯。

如表1所示，面向智能電網的物聯網平臺相較于現有電力通信網，在環境感知性、自愈性、互動性和安全性等方面都具有較大優勢，而這些優勢無疑是現有電網向著信息化、自動化和互動化的智能電網邁進的根本保障。

2 面向智能電網的物聯網應用方案

2.1 面向智能電網生產環節的傳感器網絡應用方案

面向智能電網的物聯網應用，其目的首先在于提高電力系統生產環節的信息化與自動化程度。這類應用的實現主要依托于物聯網末端的無線傳感器網絡，應用場景主要包括高壓輸電線路、變電站一、二次設備尤其是一次設備的在線監測等應用，通過對線路與設備運行狀態的連續感知及趨勢預測，提高電網的安全水準，降低電網的運行成本;也包括像配電網自動化及用電信息采集等電網需求側通信的應用。由于以上這些應用對通信的實時性要求不高，而通信節點數量龐大，非常適合采用低成本、低功耗和小型化的無線傳感器網絡技術。由大量的傳感器節點自主形成一個多跳網絡，實現物與物之間的直接通信。節點的較高密度分布使得監測數據能夠滿足一定的精度要求。每個傳感器節點采集的信息數據經無線傳感器網絡傳至網關節點，由于網關節點包含數據采集模塊、數據處理和控制模塊、通信模塊和供電模塊等，因此可自動進行數據的分類，選擇合適的預處理方式，對視頻信息、氣象信息、線路及設備的運行狀態信息進行集中分類和數據融合，這樣可以大大減少數據通信量，減輕網關節點的轉發負擔，減少節點能量消耗。但由于網關節點的處理能力有限，它所采集的數據在傳感器網絡內只能進行粗粒度的處理，因此信息數據必須傳至智能電網ICT分析處理平臺進行細粒度的處理分析，根據處理情況發送命令，做到故障的及時發現和解決。

圖3是一種適用于智能電網生產環節的傳感網系統結構示意圖。底層為部署在實際監測環境中的傳感器、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、接入網和核心網，最終連接至智能電網ICT平臺分析處理系統。無線傳感器網絡利用感知延伸終端的網絡節點采集輸電、變電和配電環節中的設備狀態信息、線路狀態信息、氣象環境信息和配用電一體化信息，將采集的數據匯聚至網關節點，網關節點將分類預處理后的數據信息傳至接入網，進而統一進入電力通信核心網。傳感數據通過電力通信專網發送至后臺數據處理中心進行信息的統一分類、分析和處理，數據經分析處理后由ICT平臺發出相關指令，按相同方式逆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。

2.2 面向智能用電的物聯網解決方案

智能電網的用戶除了包括居民用戶、工商業大用戶等傳統型用戶外，還將包括電動汽車充電系統等新型用戶。

在傳統型用戶的智能用電物聯網應用中主要的連接對象是用戶的智能雙向電表。電網企業根據用電性質與場合的不同選用不同功能的智能雙向電表，對用戶實現電能計量、電能質量監測、竊電檢測等多種應用(如表2所示)。通過智能雙向電表終端設備的引入，全方位采集用戶用電信息，實現從大用戶到普通居民用戶的全方位負荷監測與管理。智能電表通過傳感器網絡、電力線載波通信(PLC)或現場總線，再通過電力接入網和傳輸網，將電表數據上傳至用電信息采集等應用平臺。