面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構與應用方案研究

1.2 面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)分層網(wǎng)絡(luò )架構

面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應用功能框架根據各大環(huán)節的不同特點(diǎn)提出了不同的應用需求。根據不同階段完成功能和支撐技術(shù)的差異，結合物聯(lián)網(wǎng)基本網(wǎng)絡(luò )模型，將面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)分為感知延伸層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層三層網(wǎng)絡(luò )體系架構，如圖2所示。

(1)感知延伸層

感知延伸層的監測目標包括與電力環(huán)節相關(guān)的電力對象、家居對象和智能安防等其他對象。電力對象的感知范圍涵蓋輸、變、配、用四大環(huán)節中的氣象環(huán)境、設備狀態(tài)信息以及用戶(hù)用電信息;家居對象的感知則涵蓋家庭水熱電表和遠程操控的智能家電;而其他對象則包含各種負責安防監控的傳感器、攝像頭、RFID標簽等短距離通信設備。從感知對象上采集到的信息經(jīng)過(guò)一定的分類(lèi)和預處理，通過(guò)無(wú)線(xiàn)自組織傳感網(wǎng)、紅外通信、現場(chǎng)總線(xiàn)等多種短距離通信手段接入感知終端和互動(dòng)終端，在終端設備上體現感知數據并實(shí)現與用戶(hù)的交互式操作。

(2)網(wǎng)絡(luò )層

網(wǎng)絡(luò )層又分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。首先，感知終端和互動(dòng)終端的信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)屏蔽各網(wǎng)絡(luò )之間的差異，按數據類(lèi)別和安全等級分別傳至電力接入專(zhuān)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。電力接入專(zhuān)網(wǎng)主要包括電力光纖接入網(wǎng)和寬帶無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)，通過(guò)電力接入專(zhuān)網(wǎng)與電力核心網(wǎng)互聯(lián)，對采集數據進(jìn)行實(shí)時(shí)、可靠地回傳;互聯(lián)網(wǎng)側包含以太網(wǎng)、ADSL、3G、xPON等多種接入方式。

(3)應用層

應用層針對智能電網(wǎng)各項業(yè)務(wù)的需求，搭建各種電力應用平臺。各應用平臺系統在通過(guò)傳感手段獲得的大量數據的基礎上提供更加細膩的管理和控制。另外，應該在現有電力應用平臺的基礎上搭建新型感知互動(dòng)平臺，電網(wǎng)企業(yè)通過(guò)這個(gè)平臺與社會(huì )用戶(hù)進(jìn)行相互的感知與互動(dòng)。感知互動(dòng)平臺與電力核心網(wǎng)之間的連接必須是在內外網(wǎng)相互隔離條件下，有強有力安全措施保障的間接互聯(lián)，因此，圖中對二者的相連選取了虛線(xiàn)連接，意為一種虛擬的、物理隔離條件下的互聯(lián)。

如表1所示，面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺相較于現有電力通信網(wǎng)，在環(huán)境感知性、自愈性、互動(dòng)性和安全性等方面都具有較大優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢無(wú)疑是現有電網(wǎng)向著(zhù)信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化的智能電網(wǎng)邁進(jìn)的根本保障。

2 面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應用方案

2.1 面向智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節的傳感器網(wǎng)絡(luò )應用方案

面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應用，其目的首先在于提高電力系統生產(chǎn)環(huán)節的信息化與自動(dòng)化程度。這類(lèi)應用的實(shí)現主要依托于物聯(lián)網(wǎng)末端的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，應用場(chǎng)景主要包括高壓輸電線(xiàn)路、變電站一、二次設備尤其是一次設備的在線(xiàn)監測等應用，通過(guò)對線(xiàn)路與設備運行狀態(tài)的連續感知及趨勢預測，提高電網(wǎng)的安全水準，降低電網(wǎng)的運行成本;也包括像配電網(wǎng)自動(dòng)化及用電信息采集等電網(wǎng)需求側通信的應用。由于以上這些應用對通信的實(shí)時(shí)性要求不高，而通信節點(diǎn)數量龐大，非常適合采用低成本、低功耗和小型化的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。由大量的傳感器節點(diǎn)自主形成一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現物與物之間的直接通信。節點(diǎn)的較高密度分布使得監測數據能夠滿(mǎn)足一定的精度要求。每個(gè)傳感器節點(diǎn)采集的信息數據經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳至網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，由于網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)包含數據采集模塊、數據處理和控制模塊、通信模塊和供電模塊等，因此可自動(dòng)進(jìn)行數據的分類(lèi)，選擇合適的預處理方式，對視頻信息、氣象信息、線(xiàn)路及設備的運行狀態(tài)信息進(jìn)行集中分類(lèi)和數據融合，這樣可以大大減少數據通信量，減輕網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的轉發(fā)負擔，減少節點(diǎn)能量消耗。但由于網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的處理能力有限，它所采集的數據在傳感器網(wǎng)絡(luò )內只能進(jìn)行粗粒度的處理，因此信息數據必須傳至智能電網(wǎng)ICT分析處理平臺進(jìn)行細粒度的處理分析，根據處理情況發(fā)送命令，做到故障的及時(shí)發(fā)現和解決。

圖3是一種適用于智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節的傳感網(wǎng)系統結構示意圖。底層為部署在實(shí)際監測環(huán)境中的傳感器、智能終端、RFID標簽等輸入、輸出實(shí)體，向上依次為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，最終連接至智能電網(wǎng)ICT平臺分析處理系統。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )利用感知延伸終端的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采集輸電、變電和配電環(huán)節中的設備狀態(tài)信息、線(xiàn)路狀態(tài)信息、氣象環(huán)境信息和配用電一體化信息，將采集的數據匯聚至網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)將分類(lèi)預處理后的數據信息傳至接入網(wǎng)，進(jìn)而統一進(jìn)入電力通信核心網(wǎng)。傳感數據通過(guò)電力通信專(zhuān)網(wǎng)發(fā)送至后臺數據處理中心進(jìn)行信息的統一分類(lèi)、分析和處理，數據經(jīng)分析處理后由ICT平臺發(fā)出相關(guān)指令，按相同方式逆向傳輸至終端網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，實(shí)現對全網(wǎng)的實(shí)時(shí)監測和故障處理。

2.2 面向智能用電的物聯(lián)網(wǎng)解決方案

智能電網(wǎng)的用戶(hù)除了包括居民用戶(hù)、工商業(yè)大用戶(hù)等傳統型用戶(hù)外，還將包括電動(dòng)汽車(chē)充電系統等新型用戶(hù)。

在傳統型用戶(hù)的智能用電物聯(lián)網(wǎng)應用中主要的連接對象是用戶(hù)的智能雙向電表。電網(wǎng)企業(yè)根據用電性質(zhì)與場(chǎng)合的不同選用不同功能的智能雙向電表，對用戶(hù)實(shí)現電能計量、電能質(zhì)量監測、竊電檢測等多種應用(如表2所示)。通過(guò)智能雙向電表終端設備的引入，全方位采集用戶(hù)用電信息，實(shí)現從大用戶(hù)到普通居民用戶(hù)的全方位負荷監測與管理。智能電表通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò )、電力線(xiàn)載波通信(PLC)或現場(chǎng)總線(xiàn)，再通過(guò)電力接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)，將電表數據上傳至用電信息采集等應用平臺。