物联网让电网更智能

金志刚，刘 佳

（天津大学电子信息工程学院，天津 300072）

物联网让电网更智能

金志刚，刘 佳

（天津大学电子信息工程学院，天津 300072）

物联网技术近年来已成为国内外研究的热点，其发展引起了我国政府的高度重视。本文首先介绍了物联网的发展，进而介绍了智能电网的概念。重点叙述了国内未来智能电网的发展模式，以及现阶段国内外物联网技术在智能电网中的应用。最后，指出我国面向智能电网的物联网技术发展存在的问题与挑战。

物联网；智能电网；传感器

1 物联网概述

物联网的最初概念产生于1999年。物联网（The Internet of Things，IOT）就是“物物相连的互联网”。物联网是通过射频识别（RFID）装置、全球定位系统、传感器系统与传感器网络等信息传感手段，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

电网和电力系统以及相关物品与设备等满足物联网中的“物物相连”的特征，而且电力系统的自动化水平与信息化水平高，基础通信条件好，有利于推进物联网应用的快速发展。

物联网的发展引起了我国政府领导层的高度关注。2009年8月，温总理在无锡视察了中国科学院相应的技术研发中心，并提出在无锡建立中国的传感网中心。2009年11月，温总理发表了《让科技引领中国可持续发展》的重要讲话，提出“着力突破传感网、物联网关键技术”［1］。

物联网是中央提出的“信息化带动工业化”的重要形式，是信息化与工业化融合的重要机遇。物联网将促进网络技术在工业、农业、电力、交通、物流、节能环保、医疗卫生、城市管理、国家安全等领域的应用，改造和提升传统产业、引领和促进新兴产业的发展，推动信息化在国民经济和社会生活及国防等方面的应用，优化国家重要基础设施的效能，促进节能减排和改进公共服务。

2 智能电网

进入21世纪以来，电力系统正面临全球变暖、能源压力和生态文明意识的提升等越来越多的挑战。面对这些挑战，为了支持未来能源发展，国内外电力企业、研究机构对未来电网的发展模式开展了研究与实践，新的电网智能化理念逐步萌发形成，美国电力科学研究院2001年就提出Intelligrid技术并进行相关研究，美国电力科学研究院的智能电网定义见图1。欧洲在2005年成立了Smart Grids欧洲技术论坛，对欧洲的智能电网发展战略进行研讨［2－4］，欧盟委员会的智能电网定义如图2。

目前我国政府正在研究中国智能电网的发展战略和投资规划，国家电网、南方电网也在积极准备建设智能电网，制订了相关的规划与建设进度安排，预计2020年投资超过7000亿元，实现我国电网的智能化。

智能电网是以物理电网为基础，将现代先进的电力电子技术、传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与发、输、变、用和信息等电网中各个环节高度集成而形成的新型电网。智能电网的核心内容是［5］：以先进的计算机、电子设备和智能元器件等为基础，通过引入通信、自动控制和其他信息技术，创建开放的系统和共享的信息模式，整合系统数据、优化电网管理，使用户之间、用户与电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现数据读取的实时、双向和高效，将大大提升电网的互动运转，提高整个电网运行的可靠性和综合效率。

图1 美国电力科学研究院的智能电网定义

图2 欧盟委员会的智能电网定义

智能电网涵盖以下领域及相关技术［6］。

（1）发电领域：主要包括大规模可再生能源、分布式能源、光伏发电等电源的接入和协调运行技术。

（2）输电领域：包括大电网规划技术、电力电子技术、输电线路运行维护技术、输电线路状态检修技术和设备全寿命周期管理技术等。

（3）调度领域：包括大电网安全稳定分析与控制技术、经济运行技术、综合预警和辅助决策技术、安全防御技术等。

（4）变电领域：主要包括变电站信息采集技术、智能传感技术、实时监测与状态诊断技术、自适应保护技术、广域保护技术、智能电力设备技术等。

（5）配电领域：主要包括配电网安全经济运行与控制、电能质量控制、智能配网设备研究、大规模储能、电动汽车变电站等技术。

（6）用电领域：主要包括高级量测技术、双向互动营销技术、用户储能技术、用电仿真技术等。

3 物联网让电网更智能

智能电网从根本上讲是将信息技术与传统电网高度“融合”，从而极大地提升电网的信息感知、信息互联和智能控制能力，提高电网品质，实现各种新的应用。它进行大量信息采集，并通过通信网络，形成实时、高速、双向的信息流，采用开放的系统和共享的信息模式，促进电力流、信息流、业务流的高度融合和统一，以保证包括从需求侧设施到广泛分散的分布式发电再到电力市场的整个电力系统及相关环节的正常运行，支撑各类业务正常运转。

在智能电网中，可以利用依靠物联网所建立数量庞大的终端传感器等采集设备，从输配电侧到用电侧的各类设备上采集所需数据信息，同时这些数据信息通过物联网和其上层的互联网技术进行传递和交换，为智能电网的各种应用提供数据支持［7］，有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，使信息通信基础设施资源服务于电力系统运行，提高电力系统信息化水平，改善现有电力系统基础设施的利用效率。物联网技术应用于智能电网，将能有效地为电网中发电、输电、变电、配电、用电等环节提供重要技术支撑，为国家节能减排目标做出贡献。

另一方面，电网和电力系统以及相关物品与设备等满足物联网的各种特征，且电力系统的自动化水平与信息化水平高，基础通信条件好，有利于推进物联网应用的快速发展，是物联网的重要应用领域。目前，智能电网目标明确，需求清晰，预期效果明显。智能电网的发展与建设将成为拉动物联网产业，甚至整个信息通信产业（ICT）发展的强大驱动力，并有力影响和推动其他行业的物联网应用和部署进度，进而提高我国工业生产、行业运作和公众生活等各个方面的信息化水平。

智能电网已成为未来电网的基本模式，也是中国电网现代化的核心，加快在智能电网的建设中应用物联网技术，将推进电力产业结构转型升级，推动相关产业发展，并提高人民的生活水平和质量。

（1）电网的可靠坚强。

应用物联网技术，在智能电网中将实现电网的不间断自我监测，及时发现处理可能危及电网、电力设备与人员安全的各种故障，对系统和运行提供充分的安全保障，明显提高连续性、稳定性等供电质量水平。

（2）能源显著节约，支持各种能源节约技术的应用。

应用物联网技术，将很好地支持采用大量节能技术的工业企业智能化供配电、智能楼宇和智能家庭等的智能电网应用，大幅度降低工业、商业和民用电的能耗，对能源起到了很好的控制和节约作用。

（3）可再生能源充分利用，满足国家电力能源结构调整目标的实现。

为满足我国的可持续发展，国家电力能源结构必须从传统的以煤为主，转变到多种能源，特别是新兴的可再生能源并存。智能电网的一个重要内容就是可大力支持可再生能源的接入，这与我国整个电力能源结构的调整目标相一致，采用物联网技术，可以加快风电、光伏发电等新能源发电及其并网技术研究，规范新能源的并网接入和运行，实现新能源和电网的和谐发展。

（4）电网智能功能不断拓展，生产生活方式发生改变。

随着物联网的引入，电网的功能不断扩展，使得电力系统从传统的生产业向生产服务业转变，它的功能不再局限于传统的能量提供，而是扩展到信息服务、信息互动、能量交换等很多方面，现代生产生活方式也将随之发生巨大变化。

（5）相关产业的带动。

智能电网是一个多学科交叉的范畴，也是多个行业共同发展的结果。促进物联网在智能电网中的应用既可以改造和提升包括电力运行、电气制造等传统行业，也可以加快发展因为物联网等信息技术的引入而关联的电子材料、新型传感、通信等新兴行业，为我国的产业升级目标提供支持。

（6）增强国际竞争力。

建设智能电网，促进物联网的应用，将对我国乃至世界的电力工业发展带来革命性的变革。通过引领和参与这场变革，极大推进电力及相关产业的技术革新和推广应用，促进电力工业管理和服务升级，有力巩固我国在输变电等领域的技术领先地位，增强我国在电网技术领域参与国际竞争的能力。

4 物联网技术在智能电网中的应用

在智能电网的建设过程中，物联网技术也得到很大应用，主要集中以下几个方面。

4.1 在智能家庭方面

2008年美国科罗拉多州的波尔得（Boulder）宣布成为了全美第一个智能电网城市，每户家庭都安排了智能电表，人们可以很直观地了解当时的电价，从而把一些事情，比如洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时间段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源。同时，变电站可以收集到每家每户的用电情况。

4.2 美国的电网智能化工程

“电网智能化”工程由美国能源部牵头，通过向现有的电力基础设施中安装远程通讯设备、传感器和计算机装置来改进美国电网的工程，以减少电费开支，减轻电网负荷［8］。

在工程的第一部分中，房主自己控制电器使用情况，既要从他们那里采集实时数据，又要平衡电网负载，实施起来最具挑战性。直至目前，华盛顿奥林匹克半岛共有200多个家庭已经安装了热水器和自动调温器，这些调温器与能接入互联网安装了专门软件的“网关盒”无线通信。这些联网的“网关盒”每五分钟一次监控电力消耗，相关功能还可以根据某一地区整体电力供需设定。

在工程的第二部分中，被称为“电网友好型电器工程”（Grid Friendly Appliance），其设计非常简单。它将使西北的电力公司能自动监视家用电器的能耗需要，并统一规划电力分布。目前，150个家庭安装了配有监视芯片的涡流干衣机，当电网友好型干衣机内的芯片记录到比电网正常频率低的频率时干衣机加热部件就会停止工作，当电网稳定后又恢复工作，其作用等同于自动实施低周减载。

4.3 高级计量

在输电侧，作为美国电力市场典型的独立系统运行机构（ISO），PJM负责美国13个州的电网调度运行和电力市场组织，因此其智能电网实施主要放在调度和电力市场业务建设。PJM目前主要从同步相量技术和高级控制中心（AC2）着手开展智能输电网研究工作［9］。

在配用电领域，国外电力公司开展了大量的智能化实践，包括智能表计、用户电压控制、动态储能等。例如：意大利电力公司和法国电力公司（EDF）通过安装“智能电表”，使用户跟踪自己用电情况，并能进行远程控制；加拿大安大略省政府已经确立了到2010年为安大略省所有商业和家庭用户安装智能电表的目标。

4.4 设备、线路监测

欧、美、日等工业发达国家率先在电网装备状态监测方面取得了较大突破和进展，采用不同的传感器技术实现对电网设备的监测。目前，容性设备介损及泄露电流的在线监测、充油设备油中溶解气体的在线监测、变压器／发电机／GIS等局部放电的在线监测、交联电缆泄露电流及温度的在线监测、红外／紫外温度及电晕的在线监测、输电线路（覆冰、舞动、视频、绝缘子等）的在线监测等，已经逐渐达到实用化的技术水平，并得到了一定的应用。

4.5 国内物联网在智能电网的应用举例

目前国内物联网在智能电网中已有主要应用举例如下，物联网在智能电网中的应用见图3。

（1）智能电力设备。

智能电力设备是作为构建电网的基本设备，将智能电力设备作为智能电网中电力网络和信息网络共同的“节点”，利用智能电力设备的电能控制能力和信息处理功能，实现智能电网中信息技术与传统电网技术的高度融合。目前包括变电站综合自动化系统、智能断路器、开关与变压器在线监测系统在内的多种智能电力设备已经在电网中大量安装，大大提高了电网的自动化水平与可靠性。

（2）集中抄表系统。

图3 物联网应用于智能电网

电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节，而传统的电量结算是依靠人工定期到现场抄取数据，在实时性、准确性和应用性等方面都存在诸多不足之处。目前部分电力公司使用了基于无线传感网络的远程抄表系统，结合使用现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术，通过电力通信网、移动通信网络将电量数据和其它（所需）信息实时可靠的采集回来，通过应用具有智能化分析功能的系统软件，实现用户用电量的统计、用电情况的分析及用户的使用状态。

（3）智能用电。

智能用电服务作为智能电网用电环节的关键部分，是实现电网与用户之间实时交互响应，增强电网综合服务能力，满足互动营销需求，提升服务水平的重要手段。目前，国家电网公司已开始组织进行智能用电小区的试点工程［10］，通过传感器网络和宽带通信平台，加强用户与电网之间的信息集成共享和实时互动，实现用电的智能化、互动化，进一步改善电网运营方式和用户对电能的利用模式，提高终端用户用能效率。

（4）电力智能巡检。

我国变电站设备巡检主要依靠巡检人员定期定时进行人工巡检。由于受气候条件、环境因素等多方面客观因素的制约，巡检质量和到位率无法保证。为切实解决无人值班变电站设备巡检中的质量监督的难题，我国部分电力企业采用了智能变电巡检系统［11］，该系统通过可识别标签辅助设备定位，实现到位监督，从而指导巡检人员执行标准化和规范化的工作流程［12］。

（5）高压输电线路监测。

我国于2006年开始开展500k V输电线路状态检修和在线监测系统应用研究，在输电线路上安装气象传感器、温度传感器、触碰及震动传感器等，实现对输电线路的在线监测。

（6）电力抢修管理。

为了加强电力抢修车辆管理，提高车辆运行效率，加强运行作业调度，目前我国部分电力企业建立了电力抢修车辆监控调度系统，结合卫星定位技术、移动通信技术、地理信息技术（GIS）、移动车载设备和计算机信息管理网络等先进科技，将电力客户的报修信息、车辆调度信息、卫星定位信息等通过移动通信网络的短信息平台在电力抢修车辆和电力系统控制总台之间双向传递，实现对抢修车的状态监视、有效调度、信息查询等功能，并有效提高客户报修的响应速度，降低车辆到达现场的时间，加强了对车辆的管理。

5 电网中物联网应用的问题与挑战

我国面向电网的物联网发展也面临着挑战，存在差距，主要表现在以下几方面。

（1）我国物联网的应用缺乏规范和技术标准的指引，在智能电网领域应用的物联网技术标准化工作也暂未开展。物联网是一个多设备、多网络、多应用、互相融合的一个大网，既有RFID标签、RFID读写器、无线传感器，又有各种通信网络融合，所有的接口、标准、通信协议都需要有统一的标准指引。

（2）我国电力通信发展不平衡，输电通信基本实现主干通道光纤化、数据传输网络化，建设了覆盖全国的电力综合通信业务网，但配电网缺乏可靠、经济、实用化的通信方式。

（3）国内核心技术研发能力低，特别是在芯片IC领域。国内使用的射频IC和传感器IC几乎都是国外产品，国内同类替代产品在技术指标和稳定性上跟国际水平还是有相当的差距。物联网核心芯片的国产化制约了物联网在智能电网中应用的发展。

（4）各地区发展很不平衡，区域差距大，城市电网和农村电网的设备水平和管理水平差距大。

（5）由于电网企业只有2家，将来的物联网应用的投资和利益主体不够明确，可能会有如何投资，如何收回成本等问题，且在推动“三网融合”到“四网融合”等整合和全面信息化，物联网深入发展过程中，会有很多体制障碍和政策问题。

［1］新华社.国务院总理温家宝：让科技引领中国可持续发展［EB／OL］.2009－11－23.http：／／www.gov.cn／ldhd／2009－11／23／content＿1471208.htm.

［2］EPRI.1009102 Power delivery system and electricity markets of the future［R］.Palo Alto，CA：EPRI，2003.

［3］EPRI.1014600 Electricite de France research and development，profiling and mapping of intelligent grid r＆d programs［R］.Palo Alto，CA：EPRI，2006.

［4］European Commission.European technology platform smart grids：vision and strategy for Europe’s electricity networks of the future［EB／OL］.2008－10－10.http：／／ec.europa.eu／research／energy／pdf／smartgrids＿en.pdf.

［5］人民网.马宗林.加快发展智能电网抢占新一轮能源革命制高点［EB／OL］.2010－03－11.http：／／power.people.com.cn／GB／173316／11123366.html.

［6］国家电网公司.智能电网关键技术研究框架.2009，6.

［7］李铁臣，刘淑玲，肖政.智能电网在物联网中的应用［J］.中国电力企业管理，2011.（1）：64.

［8］System Interfaces for Distribution Management－Advance copies of parts 11 and 12（IEC 61968－11 and 61968－12）.

［9］PJM.PJM manual 01 control center and data exchange requirements［EB／OL］.http：／／www.pjm.com／Media／documents／manuals／m01－redline.pdf.

［10］国家电网.我国电力光纤到户和智能小区的现状与未来——访国网信息通信有限公司智能电网ICT中心主任赵丙镇［EB／OL］.http：／／www.sgcc.com.cn／ztzl／newzndw／cyfz／06／248156.shtml，2011－06－02.

［11］RFID世界网.电力智能巡检系统应用于南方电网案例［EB／OL］.2009－11－19.http：／／success.rfidworld.com.cn／2009＿11／20091119942215657.html2009－11－19.

［12］李祥珍，刘建明.面向智能电网的物联网技术及其应用［J］.电信网技术，2010，8（8）.

Made power grid smarter by IOT

JIN Zhi－gang，LIU Jia

（SchoolofElectronicInformationEngineering，TianjinUniversity，Tianjn300072，China）

IOT is the fucus of research and the government pays attention to it.This paper gives the development of IOT and smart grid.The future of China smart grid and the application of IOT in smart grid are discussed.In this paper，the challenge in IOT for smart grid is also gived.

IOT；Smart grid；Sensor

TP393

：A

1001－9383（2011）03－0005－05

2011－06－30

金志刚（1972－），男，博士，教授，主要从事无线网络、物联网技术研究.