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能源情报按：能源领域的概念更新快，从能源互联网到互联网+智慧能源，再到能源物联网，再到新的泛在电力物联网，概念的更新换代意味着商业的进化。与此同时，概念的进化跟具体落地之间尚有距离，传感器、数据收集和处理等技术并无改变。新的概念总是意味着一些新的变化、也就是新的商业机遇。 文/刘建明赵子岩季翔，中国电机工程学会 国网信通华为技术有限公司，物联网学报 1电力物联网关键技术 3.1感知层 3.1.1激光测距传感器 激光测距传感器用于测量输配电线路周边树木等危险物是否处于输配电线路的安全距离范围内，同时也可用于线路弧垂等辅助测量，如图2 所示。 3.1.2导线温度传感器 导线温度传感器是用于输电线路导线在线测温的装置，如图3 所示。测温终端采用微功耗技术，使用8 AH/3.6 V 的自消耗低、寿命长、耐高温的锂亚电池供电方式，能够使温度采集终端单元工作在5 年以上；锂亚电池与微功耗技术相结合，很好地解决了测温终端单元取电的问题。 3.1.3环境微气象传感器 输电线路气象在线监测系统是针对架空线路走廊局部气象环境监测而设计的一种多要素微气象测量系统，监测的气象参数主要包括风速、风向、气温、湿度、气压等。系统将采集到的各种气象参数及其变化状况通过网络实时地传送到中心监控分析系统，当出现异常情况时，系统会以多种方式发出预报警信息，提示管理人员应对报警点予以重视或采取必要的预防措施。环境微气象传感器如图4 所示。 3.1.4智能防盗螺栓 智能防盗螺栓是一款基于无线传感网络技术的多功能设备防盗传感模块，可以代替普通机械螺栓，用于配电设备的防盗预警，如图5 所示。 3.1.5电压测量传感器 电压变化测量传感器用于测量低压配电线路的电能质量信号，也可用于低压电力设备的防盗预警辅助设备，如图 6 所示。整机对接入的配网电信号进行电能质量检测，同时该信号也作为外部电源，实现对整机的供电。 3.1.6地埋式震动传感器 地埋式震动传感器用于探测输电线路杆塔周边土壤震动、水土流失等危害杆塔安全的土壤环境信息的检测和报警，如图7 所示。采用4 个高灵敏度的振动传感器，实时全向探测振动信号，确保可靠的实时探测性能和抗干扰性能。具备捆扎带、螺栓等多种固定方式，便于设备安装。 3.2网络层 3.2.1组网需求 电力传感器网络场景复杂，涉及通信技术种类多、协议复杂，给数据处理、数据共享与协同带来较大难度。为了实时感知电网运行状态，需要在各种电力设备上部署大量传感器，进行相关的信息和数据采集并上报给控制中心。智能电网传感器节点收集的数据包括多种类别，涵盖电流、电压、温度、压力、湿度等各类数据。通过上述数据分析电网整体运行态势、每个设备运行状态、资产及环境状态。为在电力环境下满足如上电网感知的需求，电力传感器网络所服务的对象及数据传输具有以下3 个独特的需求。 1)传输数据量大。传感器节点需周期性发送设备的用电或其他状态信息。由于传感器节点数量多，网络内所需传输的数据量很大。 3)<span style="font: 15px " normal;"="" 0,="" rgb(0,="" new="" times=""> 实时性要求高。对于电网运行与控制信息，需要实时传输至电力控制中心，对电网运行态势进行分析，以便迅速对存在故障的线路采取实时调控措施。 3.2.2智能电网传感器网络特性 结合电网输配电监控需求，智能电网传感网络应具有以下特性。 1)低移动性。传感器的低移动性适用于智能电网中不移动的传感器设备、不频繁移动的传感器设备，或只在限定区域内移动的传感器设备。 2)时间控制。传感器的时间控制特性适用于在智能电网中预先定义的时间段内收发数据的传感器设备，避免在这些时间段外产生不必要的信令。 3)小数据传输。智能电网中传感器收发的数据量都比较小，小数据传输特性非常适用于智能电网环境中的要求。 4)优先告警。智能电网中需要优先告警的传感器设备，例如，被盗、蓄意破坏或其他需要立即注意的情况。优先告警消息应该具有比其他优化分类更高的优先级。 5)非频繁传输。本特性适用于智能电网中部分非频繁传输的传感器设备（2 次数据传输之间有很长的间隔）。 6)特别低功耗。智能电网中特别低功耗的传感器特性会提升系统支持要求特别低功耗的传感器应用的能力。网络管理平台能够将传感器设备配置为特别低功耗模式。 7)衰落问题。智能电网中，由于输电线路、设备、杆塔环境内金属设备众多庞杂，会造成杆塔附近的场强分布不均匀和不稳定。 8)强电磁场干扰。在高压输电线路、杆塔、高压走廊的环境下都存在强工频电磁场干扰和闪烙、电晕干扰，强工频电磁场会阻塞通信信道，导致链路增益降低而影响通信可靠性，闪烙、电晕干扰是散弹噪声类干扰，其在时域表现为随机窄带脉冲，在频域表现为宽带白噪声，会严重干扰各频段通信链路。 3.2.3通信组网架构 智能电网中各个环节的无线传感器经通信网络空口直接上联或通过汇聚节点上联到基站设备，接入电信运营商的移动网络中。后台智能电网管理平台和相关业务平台也通过各种接入手段与移动核心网互联。相关数据从无线传感器收集上来以后，通过移动核心网传送到管理平台或业务平台来使用。 1)无线接入侧 传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，经过多跳路由到汇聚节点，最后到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量管理模块这4 个部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量管理模块对传感器节点运行所需的能量进行管理。 汇聚节点是一种多流传感器终端，多个传感器末端节点的传感器业务流集合到汇聚节点，通过移动通信空中接口上传到移动通信网络。汇聚节点可以采用2 种方式汇聚来自多个传感器末端节点的业务流汇聚，如图8 所示。 2)核心网侧 智能电网中的传感器通过网关或直连方式连接到无线接入网，并承载网络可能通过交互网关与服务器相连。智能电网中的各类传感器通过网关或直连方式连接至无线接入网，通过移动核心网与后台智能电网应用平台服务器（MTCServer）对接，并由MTC Server 提供智能电网必需的管理、控制及各种业务能力。在智能电网的各类应用中，需获取各类传感终端接入的有关信息，如接入时间、离线时间、接入位置点等。根据上述信息，MTC Server 可以精准判断终端的各种状态，例如，是否将传感器设备专用SIM 卡插入非传感器终端、终端是否在非许可时间接入网络、终端是否在非许可位置点接入网络、终端异常离线等状态。上述的状态信息属于接入层信息，由核心网通过特定的接口输出到MTC Server 上。对核心网而言，MSC/SGSN 能够方便地获取MTC Server 所需要的终端状态信息，而GGSN等则相对困难，通过MSC/SGSN 获取并提供MTC Server 所需要的终端状态信息是最佳选择。 考虑到智能电网应用平台直接接入运营商网络存在的安全风险，可以引入传感器网关（MTC GW）解决这一问题。MTC GW 能够有效屏蔽核心网的拓扑结构，实现核心网对智能电网应用平台接入的安全认证，并提供智能电网应用平台的各类应用的统一路由出口。图9 描述了在核心网实体和MTC Server 之间增加MTC GW 的架构示意。 通过MTC GW，能够实现对核心网拓扑结构的有效屏蔽，在MTC GW 和MTC Server 之间建立加密隧道，并向其提供统一、简单的API，极大降低了核心网接口的复杂性。 3.3应用层 在输变电系统的实时状态感知的基础上，把感知层感知的信息根据不同的应用与业务需求进行分析和处理，形成包括应用基础设施、中间件和各种应用的体系架构，并实现物联网的各种应用。电力传感器网络应用涉及智能电网全寿命周期的生产、管理环节，通过采用智能计算、模式识别等技术实现电网信息的综合分析和处理，实现智能化的决策、控制和服务水平的不断提升。按照电力系统的组成环节，基于智能电网的传感器网络应用验证系统主要包括以下8 类重要系统： 1)输电线路多维感知在线监测系统； 2)输电、变电、配电巡检系统； 3)电气设备状态在线监测系统； 4)电力设施防护及安全保电支撑平台； 5)配电现场作业监管系统； 6)智能用电服务系统； 7)用电信息采集系统； 8)智能电网传感网信息处理及一体化管理平台。 电力物联网应用系统体系架构如图10 所示。 1)输电线路多维感知在线监测系统 高压架空输电线路是电网的重要组成部分，由于微风造成的微风振动、导线风偏是造成高压架空输电线路疲劳断股的主要原因；强风条件造成的线路舞动对高压输电线路会造成极大破坏；同时低温天气造成的线路覆冰，且杆塔拉线更容易结冰且对称的拉线结冰往往不平衡，会导致杆塔的倾斜甚至倒塔，这些都是输电线路安全保障的巨大隐患。 通过在整条输电线路上部署多功能骨干节点、MEMS 加速度（陀螺仪）传感器节点，并在高压杆塔上布设泄漏电流传感器节点、通信骨干节点构成一个传感器簇，多个这样的簇构成线状网络并通过通信骨干节点构成整个智能电网输电线路在线监测系统，实现了对输电线路的各种状态，如覆冰、污秽、温度、舞动、微气象等的多方位可视化实时监控和故障预警。基于传感网络的智能电网输电线路在线监测系统架构如图11 所示。 2)输电、变电、配电巡检系统 电网的输电、变电、配电环节设备种类多，运维工作量大，通常需要大量人力开展日常巡检的工作。通过无线传感器和RFID 标签结合，实现对各种电力设备日常运行过程中的运行参数、设备状态异常、设备破损、性能降低等参数的观察和记录。同时，通过对采集数据的分析，对隐患进行评估和预警，避免电网设备出现故障。输电、变电、配电巡检系统的架构如图12 所示。 系统基于传感器网络技术及RFID 射频识别技术，实现了巡检人员到达现场并按预定路线巡视的监督功能；同时，辅助加入了环境信息与状态监测传感器，精确检测设备工作环境与状态，能够精准确认巡检人员并且采集电力设备的运行环境信息、工作状态信息，大幅提升了巡检的工作质量。 3）电气设备状态在线监测系统 变电站是电力系统的重要组成部分，是电网基础运行数据的采集源头和命令执行单元，变电设备安全运行以及变电站安全直接影响电网的安全运行。开展输变电设备状态检修，以提高设备利用率，延长设备寿命，减少停电次数/停电时间，提高输电效率。输变电设备状态监测也将作为辅助的设备状态的诊断手段，在输变电设备状态检修中发挥巨大作用。通过多传感器集成、多信息采集、信息融合及抗强电磁干扰等技术建立了智能电网变电站状态监测系统，实现了对变电站内各类设备及安全防护的实时监控，包括变压器油气、局放在线监测，断路器动特性、微水在线监测，互感器、避雷器绝缘在线监测，变电站安防监测，互感器动态计量在线监测等。变电站采集层网络传感架构如图13 所示。 在线监测系统通过对变电站各种状态量采集，将数据传输到后台专家系统进行分析与决策，能准确反映出变电站的各种状态，提供安全评价。 4)电力设施防护及安全保电支撑平台 基于电力物联网，运用多种传感器组成协同感知网络、无线传感器网络技术，在户外线路、杆塔、配电变压器等设备上按照一定的策略部署、安装振动、位移、电压变化、红外线等传感器，采集、处理现场信息，报警并协同处理，能够有效地实现对电网状态信息及设备的运行状态信息监测、预警防护。系统一般由地埋固定无线振动传感器节点、移动无线振动传感器节点、杆塔无线倾斜传感器节点、杆塔无线（声）振动传感器节点、无线防拆卸螺栓传感器节点、无线被动红外线传感器节点、智能视频传感器节点、TD-SCDMA 通信骨干节点等组成，电力设施防护及安全保电支撑平台系统架构如图14 所示。 通过多种传感器组成协同感知，实现对电网主要基础设施（如设备、配电线路、杆塔等）破坏、盗窃行为的有效定位、监测和预警，对监控范围内配电设备进行全方位防护。 5)配电现场作业监管系统 由于电力系统运维的复杂性，电力现场作业管理难度大，常会出现误操作、误进入等安全隐患。在智能电网技术中，利用物联网技术可以进行身份识别、电子工作票管理、环境信息监测、远程监控等，实现调度指挥中心与现场作业人员的实时互动，进而消除安全隐患。 基于电力物联网技术的配电现场作业监管系统，通过安装在作业车辆上的视频监视设备和设备上的RFID 标签，远程监控作业现场情况、现场核实操作对象和工作程序，紧密联系调度人员、安监人员、作业人员等多方情况，使各项现场工作或活动可控、在控，减少人为因素或外界因素造成的生产损失，从而有力保障人身安全、设备安全、系统安全，并大幅提高工作效率。配电现场作业监管系统架构如图15 所示。 6)智能用电服务系统 智能用电服务作为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，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。通过对公变、低压工商户、低压居民户用电信息的采集，实现线损考核、预付费业务管理。通过对智能开关、智能家电的自动化监控，将通信网络延伸到用户家庭，可实现用户用电信息、电力交易信息发布及用户用电智能管理等智能电网用户服务功能。 智能用电服务系统通过智能交互终端或交互机顶盒实现用户与电网之间的互动，实现能效管理、物业管理、增值服务、社区医疗等一系列特色服务，体现出良好的交互性和智能化特色，应用物联网的技术，组建家庭内部网络，实现电热水器、空调、电冰箱等家庭灵敏负荷的用电信息采集和控制，建立集紧急求助、燃气泄漏、烟雾探测、红外探测于一体的家庭安防系统。智能用电服务系统架构如图16 所示。 7）用电信息采集系统 用电信息采集系统的采集对象包括专线用户、各类大中小型专用变压器用户、各类380/220V 供电的工商业用户和居民用户、公用配电变压器考核计量点。用电信息采集系统主要功能包括数据采集、数据管理、自动抄表管理、费控管理、有序用电管理、异常用电分析、线/变损分析、安全防护等，为智能用电双向互动服务提供数据支持。系统分为主站层、通信信道层、采集设备层。用电信息采集系统架构具体如图17 所示。 主站层实现了营销采集业务应用、前置采集平台、数据库管理3部分功能，为电力营销业务提供相应的支撑；通信信道层是连接主站和采集设备的纽带，提供可用的有线和无线的通信信道，主要采用的通信信道有光纤专网、GPRS/CDMA 无线公网、230 MHz 无线专网；采集设备层是用电信息采集系统的信息底层，完成用户用电信息的采集。该层可分为终端子层和计量设备子层。 8)智能电网传感网信息处理及一体化管理平台 电力物联网支撑了诸多智能电网应用，建立统一的、面向服务的传感信息共享与应用服务体系，能够实现电力物联网应用的一体化数据资源组织、信息共享、数据加密、高性能的协同分析处理，智能电网各类基于物联网的业务应用提供统一、规范、共享的数据采集与信息服务。 智能电网传感网信息处理及一体化管理平台通过建立统一的、面向服务的智能电网传感网络应用系统一体化信息共享平台，实现了不同场景的物联网采集数据的多源/多类型/异构数据一体化组织和管理，将智能电网传感网络信息和已有电网、地理空间数据进行一体化组织，实现输、变、配电网信息作为“一张电网”的协同管理与融合共享。同时，在数据共享的基础上，优化图形浏览和分析的服务引擎，提供高效的平台可视化功能。智能电网传感网信息处理及一体化管理平台架构如图18 所示。 4电力物联网示范工程建设 4.1示范工程情况 针对课题的研究内容和应用验证工作，立足我国电网的实际情况，依托江苏省电力公司无锡供电公司的应用验证和工程实施，建立面向智能电网的无线传感器网络应用验证系统。无锡验证系统建设地点在无锡新区，涉及的电网部分包括变电站3 个，超高压、高压输电线路2 条，10kV 线路20 条，线路长度97.534 km，其中，电缆29.259 km，架空68.275 km。10 kV 配电所（开闭所）1 座，10 kV 变电所（小区公配所）31座，环网柜12 个，箱变8 个，系统覆盖高压（10 kV）用户148 户，低压居民用户19 123 户，低压非居民用户2 454 户，以点、线、面的模式逐级建设课题的应用验证系统规划。基于无线传感网络的智能电网监控验证系统范围如图19 所示。 电力传感器网络示范区建设示意如图20 所示。该应用示范区涉及电网输、变、配、用4 个环节的具体应用，具体涉及的电力设备及设施包括以下内容。 变电站：500kV 梅里变电站、220k V 荆同变电站、110 kV 梅村变电站。 输电线路：220 kV 梅东线、110kV 荆协线。 配电线路：10 kV 泰伯122 线、10 kV 梅村123线、10 kV 曲尺116 线、10 kV 华泰121 线、10 kV新梅117 线。 公配所：梅里水晶城公配所、梅满嘉园10 kV吴越之星1 号站、梅满嘉园10 kV 吴越之星2 号站、城色佳园1 号站、香梅人家6 号站。 开闭所：高荣开闭所、高典2 号站、10kV 光明站、天鹅开闭所、10 kV 周泾站。 环网柜：10 kV 梅村123 线1~5 号环网柜。 用电小区：梅满嘉园、城色佳园、梅里水晶城。 4.2示范工程成效 电力物联网示范工程的建设起到了显著成效，具体体现在以下几个方面。 在输电环节，通过输电线路在线监测系统的建立，实现了线路运行状态、杆塔防护的实时监控，增强了输电线路、杆塔及设备的防护，保障了电网安全运行。线路巡检质量的提高可大大减少变压器、输电线路、杆塔的被盗率，同时，通过故障预警功能对线路和设备及时维护，保障电网安全运行。 在变电环节，变电环节信息管理平台与电气设备状态在线监测系统，实现了变电设备状态监测，对多种传感数据、电网基础数据进行综合分析并提供友好标准数据接口，为生产管理等系统提供数据服务和信息服务，有利于充分挖掘电网数据价值，为电网企业全面掌握电网运行信息和综合决策提供基础数据和技术支撑，为企业的安全生产运行提供保障，减少了企业管理内耗，提高了综合经济效益和管理效益。 在配电环节，基于物联网技术和无线传感器网络技术，实现了电力配电环节的智能巡检。通过在智能传感网络部署，实现了对输电线路、电气设备等在线监测及电网关键参数实时监控和故障预警，提高电网安全监控及应急处置能力；通过传感器采集环境信息与状态监测信息，实现了巡检数据深入、自动化的分析和决策，有助于指导巡检工作，提高缺陷管理能力，实现缺陷和故障早期预警，减少因设备隐患和缺陷造成的事故损失。 在用电环节，通过建设基于物联网和传感器网络的高可靠性智能用电信息采集系统，推进营销计量、抄表、收费模式标准化建设和信息化建设。为提升快速响应市场变化、快速反映客户需求，从客户用电信息的源头提供数据支持，为分时电价、阶梯电价、全面费控的营销业务策略实施提供支撑平台，并为智能电网配电、用电侧的全面建设提供基础和技术保障，对提升电网服务质量和水平起到了重要作用。 5结束语 本文中电力物联网相关核心技术的研究与示范系统建设将电力通信网网络不断向电网生产现场及用户延伸，对于构建覆盖电网生产、经营、管理、服务的各类节点的泛在感知网络具有重要的指导和示范价值。一方面，泛在感知的电力物联网实现了更多节点的覆盖，能够全面提升电网生产、电网服务、电网管理的全面感知、数据采集及服务互动能力；另一方面，电力物联网的建设及大量用于物联网采集的传感器、终端、系统的研制为数据采集提供了便捷的手段，极大降低了电力物联网感知各类数据的成本，为智能电网大数据采集与大数据规模开发和应用奠定了技术、装置和网络基础。随着电力物联网规模的不断发展和采集数据规模的累积和增加，后续工作将进一步开发和研究基于电力物联网采集数据的跨专业融合、深度共享与精准用户服务技术，能够为电网的生产、经营、管理提供更科学、高效、智能的辅助决策支撑。 转自搜狐
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