第三章 物联网典型应用

3.1  智能电网

    电力工业是国家的经济命脉，是现代经济发展和社会进步的基础和重要保障，也是国家能源安全的基础组成部分，在国民经济的可持续发展中起着不可替代的支撑作用。进入21世纪以来，电力工业正面临全球变暖、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、研究机构和学者对未来电网的发展模式开展了一系列研究与实践，建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统已经成为全球电力行业的共同目标。电网作为能源供应体系的重要环节，必然会在节能减排、绿色低碳领域承担更加重要的任务。

    3.1.1  智能电网概述

    传统电网是一个刚性系统，电源的接入与退出、电能的传输等都缺乏弹性，致使电网没有动态柔性及可组性；垂直的多级控制机制反应迟缓，无法构建实时、可配置、可重组的系统；系统自愈、自恢复能力完全依赖于实体冗余；对客户的服务简单、信息单向；系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享。
    虽然局部的自动化程度在不断提高，但由于信息的不完善和共享能力的薄弱，使系统中多个自动化系统是割裂的、局部的、孤立的，不能构成一个实时的有机统一整体，所以整个电网的智能化程度较低，电网的发展也因此面临前所未有的机遇与挑战。
    能源供应长期以来主要依赖化石能源。化石燃料的大量开发，造成了环境污染和大气中温室气体的浓度显著上升。再加上近年来全球气候的变暖，致使环境问题变得越来越严峻。
    为满足可持续发展的要求，构建资源节约型、环境友好型社会，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，可以加快风电、光伏发电等绿色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。
    传统电网对于自愈能力体现较弱的缺点，对于外在的攻击体现自我恢复能力差的特性。面对电 网复杂度越来越高的特点，用户对电网也提出了更高的要求，它必须能够实时掌控电网运行状 态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患，并且在尽量少的人工干预下，快速隔离故障、自我恢 复。智能电网能容忍对电网多个部分的同时攻击，以及可能出现的多方面、交联、较长时间的攻 击。电网的安全协议包括阻止、预防、检测、响应等，将电网和经济的影响最小化。
    随着电网规模的日益增大，电网的运行与控制的复杂程度越来越高，对实现电能安全传输和可靠供应提出了更大的挑战，这要求我们从经济以及安全可靠性方面都要进行考虑。
    经济方面，优化资源配置，提高设备传输容量和利用率；在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口；支持电力市场竞争的要求，实行动态的浮动电价制度，实现整个电力系统优化运行。
    安全可靠性方面：更好地对人为或自然发生的扰动做出辨识与反应。在自然灾害、外力破坏 和计算机攻击等不同情况下，保证人身、设备和电网的安全。
    市场化改革的深入和用户身份的重新定位，使电力流和信息流由传统的单向流动模式向双向互动模式转变。信息的透明共享，电网的无歧视开放既体现了对价值服务的认同，同时也成为电网无法回避的挑战。
    实现与客户的智能互动，以最佳的电能质量和供电可靠性满足客户需求。系统运行与批发、零售电力市场实现无缝衔接，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。
    在科技发展日新月异的今天，由传统技术发展起来的电力网络已经不能完全符合现代化要求，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。
    电力物联网是指通过智能传感和通信装置在电力系统中实现有效的信息感知和获取，经由无线或有线网络进行可靠信息传输，并对感知和获取的信息进行数据挖掘和智能处理，实现信息自动化交互、无缝连接以及智能处理的网络。电力物联网可以在智能电网的发电、输电、变电、配电、用电、调度等各个环节的实时控制、精确管理和科学决策中发挥重要作用。
    电力物联网作为智能电网的长期有效的支撑平台，是提升电力系统智能化水平的重要手段，有利于对电力系统运行进行有效管理，实现“电力流、信息流、业务流”的一体化融合，是向以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济模式转型的有效技术支撑手段。
    智能电网的建成也将为电力物联网技术应用发展提供更加广阔的应用平台。以科学发展观为指导，电力物联网进步发展为契机，引领物联网及信息通信技术变革。

    3.1.2  智能电网系统与技术需求

    目前，面向智能电网的物联网在逻辑功能上抽象为3层：感知互动层、网络传输层和应用服务层。
    （1）感知互动层
    感知互动层主要通过无线传感网络、RFID、全球定位系统等信息传感终端，实现对智能电网各 应用环节相关信息的采集，包括传感器等数据采集设备以及数据接入到网关之前的传感器网络， 例如RFID标签和用来识别RFID信息的扫描仪、视频采集的摄像头、各种传感器以及由短距离传 输技术组成的无线传感网。
    电力物联网感知互动层以传感网和通信网的结合为切入点，通过异构网络实现协同工作以形成可管理的感知网。感知互动层可进一步划分为两个子层，首先是通过传感器、智能视频识别等设 备采集数据，然后通过RFID、工业现场总线、微功率无线、红外等短距离传输技术传输数据。感  知互动层是电力物联网发展和应用的基础，RFID技术、感知和控制技术、短距离无线通信技术是 感知互动层涉及的主要技术，其中又包括芯片、通信协议、RFID材料、智能节点等细分领域。
    目前，感知互动层的无线传感网技术标准众多，但电力物联网的标准和规范较少，一方面是由 于物联网技术在电力系统中的应用刚起步，尚处于探索阶段；另一方面，物联网设备在强电磁环境下应用的可行性以及对电力设备的潜在影响需进行严格论证和验证。
    （2）网络传输层
    网络传输层以电力光纤网、电力无线专用网为主，辅以电力线载波通信网、无线通信公网，实现感知互动层各类电力系统信息的广域或局部范围内的信息传输。这些数据可以通过电力专网、电信运营通信网、国际互联网、小型局域网等网络传输，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。
    网络传输层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括传感网数据的存储、查询、分析以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网传输层的重要组成部分，也是应用服务层众多应用的基础。
    （3）应用服务层
    应用服务层主要采用数据挖掘、智能计算、模式识别以及云计算等技术，协同各系统共同运作，实现电网海量信息的综合分析和处理，实现智能化的决策、控制和服务，从而提升电网各个应用环节的智能化水平。
    应用服务层解决的是信息处理和人机界面的问题，由网络传输层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理。应用服务层也可以按照形态直观地划分为两个子层，一个是应用程序层，进行数据处理；另一个是终端设备层，提供人机界面。电力物联网的应用服务架构如图3-1所示。
    智能电网的建设和应用有以下几方面的需求。
    1．发电与储能
    在智能电网的发电环节，目前存在电源结构和布局不合理，电网的调节手段和调峰能力不足等问 题，发电机控制系统的技术水平和国外相比有一定差距，储能技术应用研究也处在起步阶段。
     为了加快能源结构转型步伐，国家制定了能源发展目标，鼓励发电企业采用先进、高效的多元  化发电技术，实现电源发展方式集约化、结构布局科学化、并网接入标准化、运行控制智能化，  提高电源支撑能力，提升机网协调水平，保障系统安全稳定，实现资源优化配置。国家能源发展 战略目标的制定为物联网技术提供了良好的发展机遇和应用前景。
    为了实现能源发展战略目标，需要以自主创新为主导，将自主研发与引进吸收相结合，提升机 网协调水平，深入研究各类电源的运行和控制技术，提升电源的信息化、自动化和互动化水平， 保证电力系统安全稳定经济运行。

    智能发电环节大致分为常规能源、新能源和储能技术这3个重要组成部分。常规能源包括火 电、水电、燃气机组等。物联网技术的应用可以提高常规机组状态监测的水平，结合电网运行的 情况，实现快速调节和深度调峰，提高机组灵活运行和稳定控制水平。在常规机组内部布置传感  监测点，有助于深入了解机组的运行情况，包括各种技术指标和参数，并和其他主要设备之间建 立有机互动，能够有效地推进电源的信息化、自动化和互动化，促进机网协调发展。
结合物联网技术，可以研究水库智能在线调度和风险分析的原理和方法，开发集实时监视、趋势 预测、在线调度、风险分析为一体的水库智能调度系统。根据水库来水和蓄水情况及水电厂的运 行状态，对水库未来的运行进行趋势预测，对水库异常情况下水库调度决策进行实时调整，并提 供决策风险指标，规避水库运行可能存在的风险，提高水能利用率。

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    物联网技术的发展和进步，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。
    利用电力物联网技术，可以对不同类型风电机组的稳态特性和动态特性及对电网电压稳定性、 暂态稳定性进行实时监控，建立风能实时监测和风电功率预测系统、风电机组/风电场并网测试体 系，研究变流器、变桨控制、主控及风电场综合监控技术。
    物联网技术同样有助于开展钠硫电池、液流电池、锂离子电池的模块成组、智能充放电、系统 集成等关键技术研究；逐步开展储能技术在智能电网安全稳定运行、削峰填谷、间歇性能源柔性  接入、提高供电可靠性和电能质量、电动汽车能源供给、燃料电池以及家庭分散式储能中的应用研究和示范。加强大型压缩空气储能等多种储能技术的研发，在重大技术突破的基础上开展试点 应用。
    2．智能输电
    输电环节是智能电网中一个极为重要的环节，虽然已经开展大量研究和示范工作，但依然存在 许多问题，主要有：电网结构仍然薄弱，设备装备水平和健康水平仍不能满足建设坚强电网的要  求；设备检修方式较为落后；系统化的设备状态评价工作刚刚起步。
    因此，在输电可靠性、设备检修模式以及设备状态自动诊断技术上，和国际水平相比还存在一 定的差距。在智能电网的输电环节中有许多应用需求亟待得到满足，需要结合物联网的相关技 术，提高智能电网中输电环节各方面的技术水平。
    电网技术改造工作将持续开展，改造范围包括线路、杆塔和电容器等重要一次设备，保护、安 稳和通信等二次设备，以及营销和信息系统等。可以结合物联网技术，提高一次设备的感知能 力，并很好地结合二次设备，实现联合处理、数据传输、综合判断等功能，提高电网的技术水平 和智能化程度。
    输电线路状态检测是输电环节的重要应用，主要包括雷电定位和预警、输电线路气象环境监测 与预警、输电线路覆冰监测与预警、输电线路在线增容、导地线微风振动监测、导线温度与弧垂 监测、输电线路风偏在线监测与预警、输电线路图像与视频监控、输电线路运行故障定位及性质判断、绝缘子污秽监测与预警、杆塔倾斜在线监测与预警等方面。
    这些方面都需要物联网技术的支持，包括传感器技术、分析技术和通信技术等。利用物联网技术加强这些高级应用，可以进一步提高输电环节的智能化水平和可靠性程度。
    3．智能变电
    变电环节也是智能电网中一个十分重要的环节，目前已经开展了许多相关的工作，包括全面规 范开展设备状态检修，全面开展资产全寿命管理工作研究，全面开展变电站综合自动化建设。
    变电环节存在的问题主要有：设备装备水平和健康水平仍不能满足建设坚强电网的要求；变电 站自动化技术尚不成熟；智能化变电站技术、运行和管理系统尚不完善；设备检修方式较为落 后；系统化的设备状态评价工作刚刚起步。
    我国电网变电环节的自动化和数字化水平、设备检修模式以及设备状态自动诊断技术和国际水 平相比还存在一定的差距。在变电环节中有许多应用需求亟待得到满足，需要结合物联网的相关 技术，提高电网变电环节各方面的技术水平。
    设备状态检修工作正在全面推进。以110千伏及以上电压等级变压器、断路器设备为重点，设 备检修工作逐步过渡到以状态检修为主的管理模式。需要物联网技术将重要设备的状态通过传感 器感知到管理中心，实现对重要设备状态的实时监测和预警，提前做好设备更换、检修、故障预判等工作。
    智能化变电站的建设也需要全面推进。近年来，随着数字化技术的不断进步和IEC6 1850标准在国内的推广应用，变电站综合自动化的程度也越来越高。将物联网技术应用于变电站的数字化建设，可以提高环境监控、设备资产管理、设备检测、安全防护等应用水平。
    4．配电自动化
    配电自动化系统，又称配电管理系统，通过对配电的集中监测、优化运行控制与管理，达到高  可靠性、高质量供电，降低损耗和提供优质服务的目标。
电力设备的状态检修是工业化国家普遍推行的一种科学的设备检修管理策略。长期以来，我国电 力设备大多采用传统的计划检修模式，耗费巨大，工效不佳。科学、合理地安排检修，降低检修 成本及工作量，保证系统的高可靠性，提高设备有效利用率，是国内电力全行业所面临的困难与挑战。
    物联网在配电网设备状态监测、预警与检修方面的应用主要包括：对配电网关键设备的环境状 态信息、机械状态信息、运行状态信息的感知与监测；配电网设备安全防护预警；对配电网设备 故障的诊断评估和配电网设备定位检修等方面。
    目前，我国配电网设备的检修方式还普遍落后，有必要使用先进的物联网技术实现突破。
    由于我国配电网的复杂性和薄弱性，配电网作业监管难度很大，常出现误操作和安全隐患。切 实保障配电网现场作业安全高效是智能配电网建设一个亟需解决的问题。
    物联网技术在配电网现场作业监管方面的应用主要包括：身份识别、电子标签与电子工作票、 环境信息监测、远程监控等。 
    基于物联网的配电网现场作业管理系统主要用于实现确认对象状态，匹配工作程序和记录操作 过程的功能，减少误操作风险和安全隐患，真正实现调度指挥中心与现场作业人员的实时互动。
    随着电网规模的扩大，输、变、配、用电设备数量及异动量迅速增多且运行情况更加复杂，对  巡检工作提出了更多更高的要求，而目前的巡检工作主要还是依靠人力或离线电子设备进行巡 视， 面对更艰巨的巡检任务，针对巡检人员的监督机制成为生产管理的薄弱环节，需要更加完善的技术手段监督巡检人员确实到达巡检现场并按预定路线进行巡检。同时，由于电网规划、管   理、分析、维护系统的高度集成，迫切需要一种更加信息化、智能化的辅助手段以进一步提升巡检工作的效率。
    5．智能用电
    智能用电环节作为智能电网直接面向社会、面向客户的重要环节，是社会各界感知和体验智能电网建设成果的重要载体。
    目前，我国的部分电网企业已在智能用电方面开展相关技术研究，并建立了集中抄表、智能用 电等智能电网用户侧试点工程，主要包括利用智能表计、交互终端等，提供水电气三表抄收、家  庭安全防范、家电控制、用电监测与管理等功能。
    但是目前用电环节还存在许多不足，主要有：低压用户用电信息采集建设较为滞后，覆盖率和 通信可靠性都不理想；用户与电网灵活互动应用有限；分布式电源并网研究与实践经验较匮乏； 用户能效监测管理还未得到真正应用。
    随着我国经济社会的快速发展，发展低碳经济、促进节能减排政策的持续深化，电网与用户的 双向互动化、供电可靠率与用电效率要求的逐步提高，电能在终端能源消费中的比重不断增大， 用户用能模式发生着巨大转变，大量分布式电源、微网、电动汽车充放电系统、大范围应用储能 设备接入电网。这些不足将成为制约我国智能电网用电环节的瓶颈，因此，迫切需要研究与之相适应的物联网关键支撑技术，以适应不断扩大的用电需求与不断转变的用电模式。

    3.1.3  智能电网应用与市场预期

    发电的应用主要包括：对大规模新能源，如风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等可再 生能源的发电与并网的监测，对电动汽车和储能设备的运行状态监控。
    智能巡检的应用主要包括：巡检人员的定位、设备运行环境和状态信息的感知、辅助状态检修 和标准化作业指导等。
    智能电网中的变电环节有多种应用和技术改进的需求，结合物联网技术，可以更好地实现各种  高级应用，提高变电环节的智能化水平和可靠性程度。物联网也将在变电环节中实现具有较大规模的产业化应用。
    物联网技术在智能用电环节拥有广泛应用空间，主要有：智能表计及高级量测、智能插座、智 能用电交互与智能用电服务；电动汽车及其充电站的管理；绿色数据中心与智能机房；能效监测 与管理和电力需求侧管理等。
    面向智能电网的物联网应用，应当以实际需求为牵引，凭借技术和标准优势，在智能电网发、输、配、变、用等环节推动广泛应用。通过试点工程的验证示范作用，促进技术和产品的成熟，降低技术风险和商业风险，进而形成大规模、广辐射的应用体系。预计到2015年，全国将有5～10个面向智能电网应用的物联网应用的智能城市，产业规模达到2000亿元，带动相关产业的规模达到万亿级。