面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與應(yīng)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(gòu)

面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能框架根據(jù)各大環(huán)節(jié)的不同特點(diǎn)提出了不同的應(yīng)用需求。根據(jù)不同階段完成功能和支撐技術(shù)的差異，結(jié)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(yīng)用層三層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，如圖2所示。

(1)感知延伸層

感知延伸層的監(jiān)測目標(biāo)包括與電力環(huán)節(jié)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(jié)中的氣象環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)信息以及用戶用電信息;家居對象的感知則涵蓋家庭水熱電表和遠(yuǎn)程操控的智能家電;而其他對象則包含各種負(fù)責(zé)安防監(jiān)控的傳感器、攝像頭、RFID標(biāo)簽等短距離通信設(shè)備。從感知對象上采集到的信息經(jīng)過一定的分類和預(yù)處理，通過無線自組織傳感網(wǎng)、紅外通信、現(xiàn)場總線等多種短距離通信手段接入感知終端和互動終端，在終端設(shè)備上體現(xiàn)感知數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)與用戶的交互式操作。

(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，感知終端和互動終端的信息通過網(wǎng)關(guān)屏蔽各網(wǎng)絡(luò)之間的差異，按數(shù)據(jù)類別和安全等級分別傳至電力接入專網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。電力接入專網(wǎng)主要包括電力光纖接入網(wǎng)和寬帶無線接入網(wǎng)，通過電力接入專網(wǎng)與電力核心網(wǎng)互聯(lián)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時、可靠地回傳;互聯(lián)網(wǎng)側(cè)包含以太網(wǎng)、ADSL、3G、xPON等多種接入方式。

(3)應(yīng)用層

應(yīng)用層針對智能電網(wǎng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的需求，搭建各種電力應(yīng)用平臺。各應(yīng)用平臺系統(tǒng)在通過傳感手段獲得的大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提供更加細(xì)膩的管理和控制。另外，應(yīng)該在現(xiàn)有電力應(yīng)用平臺的基礎(chǔ)上搭建新型感知互動平臺，電網(wǎng)企業(yè)通過這個平臺與社會用戶進(jìn)行相互的感知與互動。感知互動平臺與電力核心網(wǎng)之間的連接必須是在內(nèi)外網(wǎng)相互隔離條件下，有強(qiáng)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(xiàn)有電力通信網(wǎng)，在環(huán)境感知性、自愈性、互動性和安全性等方面都具有較大優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢無疑是現(xiàn)有電網(wǎng)向著信息化、自動化和互動化的智能電網(wǎng)邁進(jìn)的根本保障。

2 面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案

2.1 面向智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案

面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，其目的首先在于提高電力系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化與自動化程度。這類應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)主要依托于物聯(lián)網(wǎng)末端的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用場景主要包括高壓輸電線路、變電站一、二次設(shè)備尤其是一次設(shè)備的在線監(jiān)測等應(yīng)用，通過對線路與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)感知及趨勢預(yù)測，提高電網(wǎng)的安全水準(zhǔn)，降低電網(wǎng)的運(yùn)行成本;也包括像配電網(wǎng)自動化及用電信息采集等電網(wǎng)需求側(cè)通信的應(yīng)用。由于以上這些應(yīng)用對通信的實(shí)時性要求不高，而通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，非常適合采用低成本、低功耗和小型化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)自主形成一個多跳網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物與物之間的直接通信。節(jié)點(diǎn)的較高密度分布使得監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠滿足一定的精度要求。每個傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、通信模塊和供電模塊等，因此可自動進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類，選擇合適的預(yù)處理方式，對視頻信息、氣象信息、線路及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行集中分類和數(shù)據(jù)融合，這樣可以大大減少數(shù)據(jù)通信量，減輕網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)擔(dān)，減少節(jié)點(diǎn)能量消耗。但由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理能力有限，它所采集的數(shù)據(jù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只能進(jìn)行粗粒度的處理，因此信息數(shù)據(jù)必須傳至智能電網(wǎng)ICT分析處理平臺進(jìn)行細(xì)粒度的處理分析，根據(jù)處理情況發(fā)送命令，做到故障的及時發(fā)現(xiàn)和解決。

圖3是一種適用于智能電網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。底層為部署在實(shí)際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器、智能終端、RFID標(biāo)簽等輸入、輸出實(shí)體，向上依次為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)節(jié)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(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用感知延伸終端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集輸電、變電和配電環(huán)節(jié)中的設(shè)備狀態(tài)信息、線路狀態(tài)信息、氣象環(huán)境信息和配用電一體化信息，將采集的數(shù)據(jù)匯聚至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將分類預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息傳至接入網(wǎng)，進(jìn)而統(tǒng)一進(jìn)入電力通信核心網(wǎng)。傳感數(shù)據(jù)通過電力通信專網(wǎng)發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行信息的統(tǒng)一分類、分析和處理，數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)的實(shí)時監(jiān)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)的用戶除了包括居民用戶、工商業(yè)大用戶等傳統(tǒng)型用戶外，還將包括電動汽車充電系統(tǒng)等新型用戶。

在傳統(tǒng)型用戶的智能用電物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中主要的連接對象是用戶的智能雙向電表。電網(wǎng)企業(yè)根據(jù)用電性質(zhì)與場合的不同選用不同功能的智能雙向電表，對用戶實(shí)現(xiàn)電能計量、電能質(zhì)量監(jiān)測、竊電檢測等多種應(yīng)用(如表2所示)。通過智能雙向電表終端設(shè)備的引入，全方位采集用戶用電信息，實(shí)現(xiàn)從大用戶到普通居民用戶的全方位負(fù)荷監(jiān)測與管理。智能電表通過傳感器網(wǎng)絡(luò)、電力線載波通信(PLC)或現(xiàn)場總線，再通過電力接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)，將電表數(shù)據(jù)上傳至用電信息采集等應(yīng)用平臺。