面向智能电网的物联网架构与应用方案研究

1.2 面向智能电网的物联网分层网络架构

面向智能电网的物联网应用功能框架根据各大环节的不同特点提出了不同的应用需求。根据不同阶段完成功能和支撑技术的差异，结合物联网基本网络模型，将面向智能电网的物联网分为感知延伸层、网络层和应用层三层网络体系架构，如图2所示。

(1)感知延伸层

感知延伸层的监测目标包括与电力环节相关的电力对象、家居对象和智能安防等其他对象。电力对象的感知范围涵盖输、变、配、用四大环节中的气象环境、设备状态信息以及用户用电信息;家居对象的感知则涵盖家庭水热电表和远程操控的智能家电;而其他对象则包含各种负责安防监控的传感器、摄像头、RFID标签等短距离通信设备。从感知对象上采集到的信息经过一定的分类和预处理，通过无线自组织传感网、红外通信、现场总线等多种短距离通信手段接入感知终端和互动终端，在终端设备上体现感知数据并实现与用户的交互式操作。

(2)网络层

网络层又分为接入网和核心网。首先，感知终端和互动终端的信息通过网关屏蔽各网络之间的差异，按数据类别和安全等级分别传至电力接入专网和互联网。电力接入专网主要包括电力光纤接入网和宽带无线接入网，通过电力接入专网与电力核心网互联，对采集数据进行实时、可靠地回传;互联网侧包含以太网、ADSL、3G、xPON等多种接入方式。

(3)应用层

应用层针对智能电网各项业务的需求，搭建各种电力应用平台。各应用平台系统在通过传感手段获得的大量数据的基础上提供更加细腻的管理和控制。另外，应该在现有电力应用平台的基础上搭建新型感知互动平台，电网企业通过这个平台与社会用户进行相互的感知与互动。感知互动平台与电力核心网之间的连接必须是在内外网相互隔离条件下，有强有力安全措施保障的间接互联，因此，图中对二者的相连选取了虚线连接，意为一种虚拟的、物理隔离条件下的互联。

如表1所示，面向智能电网的物联网平台相较于现有电力通信网，在环境感知性、自愈性、互动性和安全性等方面都具有较大优势，而这些优势无疑是现有电网向着信息化、自动化和互动化的智能电网迈进的根本保障。

2 面向智能电网的物联网应用方案

2.1 面向智能电网生产环节的传感器网络应用方案

面向智能电网的物联网应用，其目的首先在于提高电力系统生产环节的信息化与自动化程度。这类应用的实现主要依托于物联网末端的无线传感器网络，应用场景主要包括高压输电线路、变电站一、二次设备尤其是一次设备的在线监测等应用，通过对线路与设备运行状态的连续感知及趋势预测，提高电网的安全水准，降低电网的运行成本;也包括像配电网自动化及用电信息采集等电网需求侧通信的应用。由于以上这些应用对通信的实时性要求不高，而通信节点数量庞大，非常适合采用低成本、低功耗和小型化的无线传感器网络技术。由大量的传感器节点自主形成一个多跳网络，实现物与物之间的直接通信。节点的较高密度分布使得监测数据能够满足一定的精度要求。每个传感器节点采集的信息数据经无线传感器网络传至网关节点，由于网关节点包含数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块和供电模块等，因此可自动进行数据的分类，选择合适的预处理方式，对视频信息、气象信息、线路及设备的运行状态信息进行集中分类和数据融合，这样可以大大减少数据通信量，减轻网关节点的转发负担，减少节点能量消耗。但由于网关节点的处理能力有限，它所采集的数据在传感器网络内只能进行粗粒度的处理，因此信息数据必须传至智能电网ICT分析处理平台进行细粒度的处理分析，根据处理情况发送命令，做到故障的及时发现和解决。

图3是一种适用于智能电网生产环节的传感网系统结构示意图。底层为部署在实际监测环境中的传感器、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、接入网和核心网，最终连接至智能电网ICT平台分析处理系统。无线传感器网络利用感知延伸终端的网络节点采集输电、变电和配电环节中的设备状态信息、线路状态信息、气象环境信息和配用电一体化信息，将采集的数据汇聚至网关节点，网关节点将分类预处理后的数据信息传至接入网，进而统一进入电力通信核心网。传感数据通过电力通信专网发送至后台数据处理中心进行信息的统一分类、分析和处理，数据经分析处理后由ICT平台发出相关指令，按相同方式逆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。

2.2 面向智能用电的物联网解决方案

智能电网的用户除了包括居民用户、工商业大用户等传统型用户外，还将包括电动汽车充电系统等新型用户。

在传统型用户的智能用电物联网应用中主要的连接对象是用户的智能双向电表。电网企业根据用电性质与场合的不同选用不同功能的智能双向电表，对用户实现电能计量、电能质量监测、窃电检测等多种应用(如表2所示)。通过智能双向电表终端设备的引入，全方位采集用户用电信息，实现从大用户到普通居民用户的全方位负荷监测与管理。智能电表通过传感器网络、电力线载波通信(PLC)或现场总线，再通过电力接入网和传输网，将电表数据上传至用电信息采集等应用平台。