基于无线传感器网络的智能电网信息管理平台

郭洪月　关微　赵波　张津铭　张玉良　陈明非

摘 要：针对传统电网缺乏信息共享等情况，应将物联网有效、合理地与智能电网相结合，构建新一代智能电网信息管理平台。相关单位应建立物联网USN分层体系架构，制订基于无线传感器网络的智能电网生产环节应用方案，从而提高电力系统生产环节的信息化、自动化水平，满足智能电网高效、经济、安全、可靠和社会感知互动的实际要求，这对电网的重大决策和高效管理有较大的现实意义。

关键词：电网；物联网；信息管理平台；无线传感器网络

中图分类号：TM76 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.004

虽然我国现有电网的现代化、信息化水平在不断提高，但仍然存在一些问题。为了提高电网的运行效率、可靠性，降低运行成本、改善环境质量和减少污染物的排放，需要对现有的长距离输电网、配电网进行数字化升级，并优化电网的运行状态，而组建安全、可靠、经济、稳定、兼容的智能电网是解决这些问题的关键。通过充分利用可靠的双向通信技术、无线传感器技术和分布式计算技术，提升了智能电网的电力传输效率和用电效率，减少了故障停电损失，提高了电网的可靠性和安全性。近年来，如何有机结合智能电网与物联网技术已被提升到国家经济发展的战略决策层面，成为电力发展中需要解决的重要问题。本文结合物联网的USN基本网络架构，对智能电网的输电、变电、配电和用电四大环节进行了需求分析，提出了智能电网通信管理平台的物联网分层体系架构，并针对智能电网的生产环节提出了基于物联网终端无线传感器网络的应用解决方案。

1 传统电网和智能电网的特点

传统电网完全按照发电、输电、配电、用电横向的传输方向配置，每一个业务面均由垂直多级的控制部分组成，属于简单的刚性系统，其基本构架如图1所示。传统电网的缺陷是在数据采集的终端上存在大量盲区，导致系统内部无法共享信息，形成多个信息孤岛，当信息采集量较大时，会出现数据不一致的情况，降低了可用性和可信度。此外，传统电网对信息的收集、利用水平较低，信息管理是分散的，整个电网的现代化、智能化程度较低，难以构成综合的业务应用系统。

智能电网是一项复杂、庞大的系统工程，包括发电、输电、变电、配电、用电和调度等环节，组织构架比传统电网更紧密，可形成全电网的综合优化体系，实现装备最优技术经济比运行，如图2所示。智能电网的基本特征是在大量交互式数据的基础上，实现精细化、智能化管理，使能源资源开发、发电、输电、配电、供电、售电和用电等电网系统的各个环节实现节约成本

的目标。智能电网主要通过终端传感器，在用户之间、用户与电网公司之间形成即时连接的智能互动网络，实现高速、双向的数据读取效果，从而达到精确供电、互补供电、提高能源利用率、供电安全、节能减排的目标。目前，我国电网的特点为统一、坚强、智能，欧美国家智能电网的特点为绿色、清洁、环保、分布式。总体而言，信息通信、智能管理与决策和数据采集控制是智能电网不可或缺的三要素，而高速、实时、双向的信息通信是智能电网首先要具备的基本要素。

2 智能电网通信管理平台的构建

2.1 物联网与智能电网的有机结合

1999年，美国麻省理工学院（MIT）首次提出了物联网的概念，全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的特征。为了消除现有电力通信网中的数据采集盲区、信息孤岛，实现实时监控、双向互动的智能电网通信管理平台，需要将物联网与智能电网有机结合。因此，如何将物联网的环境感知性、多业务性和多网络融合性有效植入智能电网通信管理平台，搭建全面感知、全景实时的智能电网信息管理平台已成为相关研究人员的新课题。此外，建设智能电网必然会连带产生世界上最大、最智能、信息感知最全面的物联网。智能电网物联网平台与现有电力通信网的性能比较如表1所示。

物联网是一种新型的通信网络，具有智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能，已在物流管理、智能建筑、安全服务、健康医疗等多个领域试点应用，收到了良好的效果和经济效益。物联网通过射频识别（RFID）、无线传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，可将任何物品与互联网相连，从而实现物与物、人与物之间的信息交互和通信。将物联网引入新一代的智能电网通信管理平台中，利用物联网异构融合、兼容开放、自组织、自愈等特点，可重构现有电力通信网，利用无线传感器网络实现物与物之间的直接通信，降低了电网生产环节中的人工参与度，提升了电网的安全系数，实现了电网与社会的相互感知。智能电网物联网平台的应用体系如图3所示。基于物联网技术，可极大地扩大现有电力通信网的业务范围，提高电力系统的安全性和抵御故障、灾害能力，实现与用户的信息交互，最终实现智能电网的节能减排、兼容互动、安全、可靠的目标。

物联网技术在电力系统的发电、输电、变电、配电和用电等环节，在电网的建设、安全管理、运维、信息采集、安全监控、计量和用户用电交互等方面具有广阔的发展空间，将产生巨大的经济效益和社会效益。

2.2 智能电网信息管理平台的结构

智能电网不同环节的应用需求不同，因此，确立了智能输电、智能变电、智能配电和智能用电四大应用模块。根据不同阶段的完成功能和支撑技术的区别，采用了物联网的USN基本网络模型。USN体系结构按照功能层次较为清楚地定义了物联网的组成，自下而上分为5层网络体系架构，即感知网、接入网、网络基础设施、中间件和应用平台。修改该体系结构后，提出了一些经过演化的物联网体系结构，如图4所示。感知网用于环境信息的全方位采集和传输，利用自身的通信延伸子层、感知控制子层采集机械状态信息、环境状态信息和电量信息，并将物理实体与网络层、应用层连接；接入网由网关或汇聚节点组成，可为感知网与外部网络、控制中心间的通信提供基础设施；网络基础设施负责信息的传递和控制，基于后IP技术的下一代互联网（NGN）可实现多种组网方式的异构融合和协同工作；中间件由负责大规模数据采集和处理的软件组成；应用平台是实现智能电网中物联网相关应用的基础，可提高人们生产和生活的效率。基于物联网的体系结构，搭建智能电网通信管理平台，可实现与用户的信息双向互动，从而满足高效、经济、安全、可靠和互动的要求。

2.3 智能电网生产环节的应用方案

为了提高电力系统生产环节的信息化、自动化水平，物联网在智能电网通信管理平台上的应用主要基于物联网终端的无线传感器网络（WSN）。无线传感网络作为智能电网的信息感知末梢，是智能电网建设中不可或缺的基础环节之一，可全方位地提高智能电网各个环节的信息感知深度和广度，为智能电网“信息流、业务流与电力流”的高度融合提供技术支持。无线传感器网络是由大量的传感器节点自主形成的多跳网络，可实现物与物之间的直接通信，较高密度的节点分布使监测数据可满足一定的精度要求，具有低成本、低功耗和小型化的优点，非常适合通信实时性要求不高，但通信节点数量庞大的网络。结合多种近程通信技术，在智能电网输、变、配、用四大环节搭建了无线传感网络，主要应用于高压输电线路，变电站一、二次设备，尤其是一次设备的在线监测以及配电网自动化、用电信息采集等方面，具体如图5所示。

在图5中，最底层为部署在实际监测环境中的各类传感器、智能终端、RFID标签等输入、输出实体，向上依次为无线传感器网络、网关节点、光纤或宽带无线接入网和核心网，最终连接至智能电网通信管理平台分析处理中心。无线传感器网络通过感知延伸终端的每个传感器节点，采集输电、变电和配电各个环节的设备状态、线路状态、气象环境和配用电一体化等信息，采集到的大量数据会传送至网关节点，网关节点中的数据采集、数据预处理和控制模块、通信模块会自动对数据进行集中分类和融合。合适的数据预处理可大大减少数据通信量，减轻网关节点的转发负担，减少节点的能量消耗。但网关节点的处理能力有限，只能进行粗粒度的处理，分类预处理后的数据信息会传至接入网，并统一进入核心网，最终发送至后台数据分析处理中心进行细粒度分析处理，再由智能电网通信管理平台发出相关指令，按相同的方式将数据反向传输至终端网络节点，实现对全网的实时监测和故障处理。无线传感器网络技术在智能电网的检测、分析、控制中起着基础性作用，提高了智能电网的可观测性。

3 结论

本文充分考虑了智能电网的特性和需求，将物联网有效、合理地植入了智能电网通信管理平台，构建了面向智能电网的物联网分层体系架构，提出了基于无线传感器网络的智能电网生产环节应用解决方案，得出了以下结论：①搭建的高度集成的开放式智能电网通信管理平台实现了电网的安全、稳定、经济、优质和高效运行，充分发挥了传感器技术、计算机技术、网络通信技术和信息技术在电网重大决策和现代化管理中的作用，对国民经济的快速发展具有巨大的推动作用。②将物联网融入到智能电网通信管理平台中是一项长期工程，既要立足于实际，又要兼顾发展前景；既要满足近期需求，又要适应未来的发展。因此，需要不断提高电网信息化的程度和物联网标准化的程度。③物联网USN体系结构未对各层之间的接口，比如感知网与接入网的通信接口、中间件与应用平台的数据接口等作出统一的规则和定义，有待于进一步完善。④基于物联网的智能电网通信管理平台建设已成为我国电网发展的主要方向，但在实际应用中仍存在标准化体系缺失、信息集成有待进一步完善、信息安全保障不足等问题。因此，需要从智能电网自身的特性和需求出发，合理应用物联网技术，从而促进电力系统物联网技术体系的形成。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕