智能电网关键技术及其与物联网技术的融合

唐 忠，杨春旭，崔昊杨

(上海电力学院计算机与信息工程学院，上海 200090)

随着燃料等非再生资源的大量消耗和地球环境的不断恶化，新能源分布式发电得到了广泛应用，这也使得电网的复杂程度越来越高，为解决这些问题，智能电网应运而生［1］.现在的计算机、网络、测量、通讯、自动化等先进技术，也为实现智能电网提供了有力支持［2］.此外，飞速发展的物联网技术保证了智能电网为用户提供更高的供电质量和更优质的服务.

1 智能电网发展和特征及研究目标

1.1 智能电网概念的发展过程

到目前为止，智能电网的概念发展经历了3个阶段:一是2006年美国IBM公司提出的“智能电网”解决方案，主要是解决电网安全运行、提高可靠性;二是奥巴马上任后提出的能源计划，建立了横跨美国4个时区的统一电网，发展智能电网产业，最大限度发挥美国国家电网的价值和效率［3］;三是中国能源专家武建东提出的“互动电网”，即在开放和互联的信息模式下，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电，以及客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业、技术和管理的综合性的效率变革［3，4］.

1.2 智能电网在我国的发展阶段

2009～2020年，我国“坚强智能电网”将分为3个发展阶段，从初期的规划试点阶段到“十二·五”期间的全面建设阶段，再到“十三·五”时期的引领提升阶段.其间智能电网建设总投资规模约为4×1012元.2011～2015年为规划的全面建设阶段，投资约为2×1012元，2016～2020年为智能电网基本建成阶段，投资约为1.7×1012元.

1.3 智能电网的特征

(1)自愈 通过对电网运行状态进行实时在线评估，采取预防性的控制手段，及时发现、快速诊断并消除故障隐患;故障发生时，在没有或者少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电［5］.

(2)互动 系统运行与批发、零售电力市场实现无缝连接，支持电力交易的有效开展，实现资源的优化配置;同时通过市场交易更好地激励电力市场主体参与电网安全管理，从而提升电力系统的安全运行水平.

(3)坚强 智能电网的安全性高，对基础设施的威胁通常有两种:可抵制物理(爆炸、武器)攻击和网络(黑客)攻击.

(4)优质 智能电网的高级组件应用超导、材料、储能、电力电子等方面最新的研究成果来提高电能质量，其高级控制方法将监测必要的组件，以实现电能质量问题的快速诊断和完善解决.

(5)兼容 智能电网不仅能兼容大型集中的电厂，还能兼容不断增加的分布式能源(DER)，包括可再生能源、分布式电源和储能.

(6)优化 实现资产规划、建设、运行维护等全寿命周期的优化，合理安排设备的运行与检修，提高资产的利用效率，有效降低运行维护成本和投资成本，减少电网损耗.

(7)集成 通过不断的流程优化及信息整合，以实现企业管理、生产管理，以及调度自动化与电力市场管理业务的集成，形成全面的辅助决策支持体系，不断提升电力企业的管理效率.

1.4 智能电网的研究目标

智能电网的研究目标包括以下4点:

(1)以抵御事故扰动为目的，实现安全稳定运行，降低大规模停电的风险;

(2)使分布式电源(包含分布式发电、分布式储能和电力用户的需求响应)得到有效利用;

(3)提高电网资产的利用率;

(4)提高用户用电效率、可靠性和电能质量［6］.

2 智能电网的关键技术和系统构成

2.1 智能电网依赖的关键技术及设施

实现智能电网，需要获得以下技术及设施的支持.

(1)集成通信 是智能电网关键技术的基础.首先必须全面地定义每个集成通信所需要的技术指标，如带宽、冗余、可靠性等.其次在发展集成通信的同时要加快统一标准的制订［7］.

(2)传感与测量 在智能电网中要对大量的设备参数进行测量，需根据实际需要选择传感器，传感器应满足智能电网的要求，如高性价比、易安装维护等.

(3)高级电力设施 在智能电网中起着非常重要的作用，它将应用超导、储能、电力电子和微电子等技术领域的最新研究成果，为实现智能电网更大的输电容量、更优质稳定的电能质量、更高的电力效率和更准确的实时诊断系统发挥积极的作用［8］.

(4)高级控制方法 是用来分析、诊断和预测智能电网状况的装置和算法，同时能决策和采用正确的动作去排除、缓解或避免电力短缺和电能质量问题.

(5)决策支持 智能电网需要广阔、无缝、实时的电力设备信息以帮助管理人员快速作出决定.

2.2 智能电网的系统构成

智能电网主要由高级量测体系(AMI)、高级配电运行体系(ADOI)、高级输电运行体系(ATOI)和高级资产管理体系(AAMI)［9］4 大部分构成.

(1)AMI 其工作原理及工作过程见图1.

图1 AMI结构示意

(2)ADOI和ATOIADOI包括高级配电自动化，配电快速仿真与模拟，分布式电源运行，AC/DC微网运行，新兴电力电子装置，配电SCADA，配电地理系统(GIS)7个部分.ATOI主要包括输电阻塞管理，输电SCADA，输电GIS技术，EMS高级报警可视化，输电系统仿真与模拟，WAMS等6个部分.文献［10］详细分析了高级配电和输电运行体系各部分间的关系.

(3)AAMT 主要实现电力资产管理，大大改进了电网的运行和效率，主要分为用户层、业务逻辑层、应用服务层和系统服务层等4个层次.另外，其主要的管理分为设备资产管理、缺陷管理、发电计划及项目管理、检修管理，以及备品备件管理等.

综上所述，构成智能电网的4个体系的主要功能包括:AMI授权给用户，使系统与负荷建立起联系，并使用户能够支持电网运行;ADOI可使系统自愈;ATOI强调阻塞管理;AAMI可以大大改善资产管理.

3 智能电网与物联网

3.1 物联网简介

物联网(又名传感网)被认为是继计算机、互联网之后的第3次数字技术革命，备受国内外关注.它是通过射频识别(RFID)、传感器、全球定位系统等技术手段，按约定的协议，把物品与网络连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪监控和管理.

智能电网作为物联网最主要的应用对象之一，受到业界广泛关注.物联网为实现智能电网提供有力的通信技术.将物联网作为实现智能电网的主要技术手段是21世纪电力科技创新与发展的重要趋势.

2009年9月，国家电网信息通信有限公司开始全面部署物联网在智能电网中应用的研发，并组建了专门的研发团队.

3.2 物联网与智能电网的异同

物联网与智能电网的相同之处包括:一是以翔实可靠的信息传输为基础;二是以海量信息的智能处理为手段;三是以终端设备实时响应处理为初期目标;四是支撑技术大部分趋向成熟.

物联网与智能电网的不同之处在于:一是智能电网的建设以能源的节约与替代为目标，而物联网的建设目的是信息传递的处理与控制;二是智能电网的建设主体为政府与电力企业，而物联网的建设主体为政府与通讯电子企业;三是智能电网主要应用在电信息采集控制及用电服务系统等方面，而物联网主要应用在实体属性信息及控制信息交互等方面.

3.3 面向智能电网的物联网发展战略

针对智能电网的需求和发展，国家电网公司提出了物联网应用和发展的方向.在未来几年，将通过联合开发、共同攻关，依托重大科技专项和示范工程，打造智能电网物联网的5大技术体系［11］.

(1)电力智能感知基础体系 其目的在于提高面向智能电网的物联网信息感知能力，推动电力信息采集装备的智能化，引导智能感知装备制造技术的发展，研制并推出具有更多种类，更高级、可靠、灵活的智能感知装备［12］.

(2)电力物联网技术支撑体系 其目的在于建设满足未来智能电网需求的可靠通信平台.

(3)智能电网应用体系 其目的在于配合我国智能电网建设，建立涵盖发电、输电、变电、配电、用电及电力资产管理的面向智能电网的物联网应用体系［13］.

(4)标准规范体系 大力开展面向智能电网的物联网标准研究，积极跟踪国内外物联网标准的制定工作，推动电力物联网相关标准的制定［14-17］.

(5)建立物联网的边界安全 将其接入规范体系，保证发电、输电、变电、配电、用电等环节传感节点及信息的统一安全接入［18］.

因此，物联网在智能电网应用过程中，依托关键技术的发展与成熟，必将具备多种特色服务功能［15］.见表 1.

表1 物联网在智能电网建设过程中的典型应用展望

2010年12月30日，我国首座将物联网技术与高压强电控制技术全面融合的220 kV新建智能变电站——西泾智能变电站在江苏无锡竣工投运，标志着物联网智能电网的发展进入实质性应用阶段［18］.

4 结论

(1)智能电网发展迅速，目前已经经历了3个阶段，我国将在“十二五”期间大力发展智能电网.与传统电网相比，智能电网具有自愈、互动、坚强、优质、兼容等优点.

(2)集成通讯、传感与测量、高级电力设施、高级控制方法、决策支持等相关技术和设施为智能电网的实现提供了支持.AMI，ADOI，ATOI，AAMI 4大体系的配合实现了智能电网高效、优质的运行.

(3)物联网与智能电网的结合，无论是从技术上还是从体系上都可以为智能电网提供强大的支持.

(4)智能电网是经济和技术发展的必然产物，也是电力系统发展的必由之路，应大力发展.

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