引言
近年來，隨著堅強(qiáng)智能電網(wǎng)概念的提出，許多與智能電網(wǎng)相融合的新技術(shù)也不斷被提出，其中一個很典型的例子,就是面向智能電網(wǎng)（SmartGrid）的物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）技術(shù)的問世。智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合作為一種具有極高戰(zhàn)略意義的新型產(chǎn)業(yè)技術(shù)，被世界各國高度重視，我國也對其極其重視，將物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)列為國家戰(zhàn)略，并全面部署了眾多重大科技項目、示范工程的建設(shè)。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物，該技術(shù)的應(yīng)用，能有效地對電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行整合，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)通信水平，改善當(dāng)前電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率。
1 物聯(lián)網(wǎng)
1.1 概念
1999年，麻省理工學(xué)院的Auto-ID實驗室最早提出“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，它的定義較為簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。
最初提出的“物聯(lián)網(wǎng)”理念是指，通過裝置在各類物體上的電子標(biāo)簽，傳感器、二維碼等經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予智能，可以實現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實現(xiàn)物體與物體互相間的溝通和對話。這種將物體聯(lián)接起來的網(wǎng)絡(luò)被稱為“物聯(lián)網(wǎng)”。
1.2 特征
物聯(lián)網(wǎng)的核心是物與物以及人與物之間的信息通信。故而物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括以下三點：
?。?）可感知。通過射頻識別（RFID）、二維碼、傳感器等感知、捕獲、測量技術(shù)對物體進(jìn)行實時信息收集和獲取。
?。?）可互聯(lián)。先將物體接入信息網(wǎng)絡(luò)，再借助各種通信網(wǎng)絡(luò)（如因特網(wǎng)等），可靠地進(jìn)行信息實時通信和共享。
?。?）智能化。通過各種智能計算技術(shù)，對獲取的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，從而實現(xiàn)智能化決策和控制。
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的上述基本特征及其信息流程，可以得到如圖1的功能模型示意圖。
（1）信息獲取。包括信息感知和信息識別，信息感知是指對事物狀態(tài)信息的敏感和知覺；信息識別則是指把所感受到的事物狀態(tài)信息表示出來。
?。?）信息傳輸。包括信息發(fā)送、傳輸和接收等環(huán)節(jié)，最終完成把獲取的數(shù)據(jù)信息從空間（或時間）上的一點傳送到另一點的任務(wù)，即通常所說的通信過程。
（3）信息處理。指對信息的加工過程，其目的是獲取事物的狀態(tài)信息，實現(xiàn)對事物的認(rèn)知，并利用當(dāng)前狀態(tài)信息產(chǎn)生新的信息，即所謂的制定決策的過程。
?。?）信息施效。指信息發(fā)揮最終效用的過程，有很多實現(xiàn)形式，其中最重要的就是調(diào)節(jié)相關(guān)對象事物的狀態(tài)信息，從而使對象達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)。
2 面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)需求
智能電網(wǎng)中一個很重要的部分，就是處于網(wǎng)絡(luò)末端的傳感器，其原理及作用與物聯(lián)網(wǎng)的感知層是一致的，它是智能電網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用空間，是實現(xiàn)智能化不可或缺的關(guān)鍵部分。它應(yīng)用在電網(wǎng)建設(shè)、電網(wǎng)安全生產(chǎn)管理、運行維護(hù)、信息采集、安全監(jiān)控、計量及用戶交互等各個方面，可以全面提高智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的信息感知深度、廣度以及密度，提高電力系統(tǒng)的智能化程度，促進(jìn)以及“信息流、業(yè)務(wù)流、電力流的高度融合”的實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用環(huán)節(jié)，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
發(fā)電機(jī)組監(jiān)控、廠區(qū)監(jiān)控、污染物及氣體排放監(jiān)控、能耗監(jiān)控、抽水蓄能監(jiān)控、風(fēng)電廠監(jiān)控、功率預(yù)測、光伏發(fā)電站監(jiān)控、生物質(zhì)發(fā)電、儲能監(jiān)控、電源接入等方面都需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持。在輸電線路監(jiān)控、桿塔防護(hù)、智能變電站、配電自動化、狀態(tài)監(jiān)測、作業(yè)與設(shè)備管理等方面也對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用需求。甚至在智能表計及高級量測、智能用電、多網(wǎng)融合、電動汽車及充電、能效監(jiān)測與管理、電力需求側(cè)管理等也成為智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的主要方面。
隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)步伐的不斷加快，人們對于智能化用電的需求不斷提升。智能家電、智能小區(qū)等逐步走入人們的日常生活，這就使得智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的迫切性加劇，因此將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)中，是智能電網(wǎng)構(gòu)建過程中的必然。
3 物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的基本架構(gòu)
為了滿足物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)需求，物聯(lián)網(wǎng)需要一個開放的、分層的、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)大致分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層次，如圖3。
3.1 感知層
感知層是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“物物相聯(lián)，人物互動”的基礎(chǔ)，通常分為感知控制子層和通信延伸子層。其中，感知控制子層實現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理及自動控制；通信延伸子層通過通信終端模塊或其延伸網(wǎng)絡(luò)將物理實體聯(lián)接到其上面兩層。
圖3面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)
具體而言，感知控制子層主要通過各種新型MEMS傳感器、基于嵌入式系統(tǒng)的智能傳感器、智能采集設(shè)備等技術(shù)手段，實現(xiàn)對物質(zhì)屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢等靜態(tài)或動態(tài)的信息進(jìn)行大規(guī)模、分布式的信息獲取。通信延伸子層所用技術(shù)比較廣泛，對于電網(wǎng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)基本采用光纖通信方式，而對于輸電線路在線監(jiān)測、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，除利用光纖傳遞信息外，也一定程度上應(yīng)用了無線傳感技術(shù)。在用電信息數(shù)據(jù)采集和智能用電方面，所用到的通信技術(shù)主要涉及到窄帶電力線通信、寬帶電力線通信、短距離無線通信、光纖復(fù)合低壓電纜及無源光通信、公網(wǎng)通信等。
3.2 網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層以電力光纖網(wǎng)為主，以電力線載波通信網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)為輔，從感知層設(shè)備采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)專用通信網(wǎng)絡(luò)之間的接入，主要用來實現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，以保證物聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)專用通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。
在智能電網(wǎng)應(yīng)用中，考慮到對數(shù)據(jù)安全性、傳輸可靠性及實時性的嚴(yán)格要求，物聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞、匯聚與控制主要借助于電力通信網(wǎng)實現(xiàn)，在條件不具備或某些特殊條件下也可依托于公眾電信網(wǎng)。其中，核心網(wǎng)主要由電力骨干光纖網(wǎng)組成，并輔以電力線載波通信網(wǎng)、數(shù)字微波網(wǎng)。而接入網(wǎng)則以電力光纖接入網(wǎng)、電力線載波、無線數(shù)字通信系統(tǒng)為主要的手段，從而電力寬帶通信網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了一個高速的雙向?qū)拵ǖ男啪W(wǎng)絡(luò)平臺。
3.3 應(yīng)用層
應(yīng)用層主要由應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施和各種應(yīng)用兩大部分組成。其中，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，并在此為基礎(chǔ)上實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。面向智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用涉及智能電網(wǎng)生產(chǎn)和管理中的各個環(huán)節(jié)，通過運用智能計算、模式識別等技術(shù)來實現(xiàn)電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的整合分析處理，進(jìn)而實現(xiàn)智能化的決策、控制和服務(wù)，最終電網(wǎng)各應(yīng)用環(huán)節(jié)的智能化水平得以提升。
4 物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用模型
2010年，世界博覽會在上海成功舉辦，世博園區(qū)各場館都應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，尤其是國家電網(wǎng)館，在向人們展示智能電網(wǎng)美好藍(lán)圖的同時，通過各種仿真模擬，讓人們體驗到了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能電網(wǎng)完美結(jié)合后的智能與便捷。
4.1 電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測
利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在常規(guī)機(jī)組內(nèi)部安置一定數(shù)量的傳感監(jiān)測點，于是可以實時了解機(jī)組運行情況，這包括它的各種技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)，從而提高常規(guī)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測水平。例如，通過在水電站壩體安裝傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以隨時監(jiān)測壩體變化情況，以規(guī)避水庫運行可能存在的風(fēng)險。同樣地，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也可以對風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電進(jìn)行在線監(jiān)測、控制以及功率預(yù)測等。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以大幅提高一次設(shè)備的感知能力，使其能與二次設(shè)備很好地結(jié)合，從而實現(xiàn)聯(lián)合處理、數(shù)據(jù)傳輸、綜合判斷等功能，極大地提高電網(wǎng)的技術(shù)水平和智能化程度。
此外，輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用，它也可以提高對輸電線路運行狀況的感知能力，包括氣象條件、覆冰、導(dǎo)地線微風(fēng)振動、導(dǎo)線溫度與弧垂、輸電線路風(fēng)偏、桿塔傾斜等內(nèi)容的監(jiān)測。輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)示意如圖4。
圖4電網(wǎng)線路在線監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)對電力設(shè)備的環(huán)境狀態(tài)信息、機(jī)械狀態(tài)信息、運行狀態(tài)信息進(jìn)行的實時監(jiān)測和預(yù)警診斷，提前做好相應(yīng)的故障預(yù)判、設(shè)備檢修等工作，從而提高了設(shè)備檢修、自動診斷和安全運行水平。
4.2 電力生產(chǎn)管理
因電力生產(chǎn)的管理較為復(fù)雜，管理電力現(xiàn)場作業(yè)難度相當(dāng)大，從而伴有誤操作、誤進(jìn)入等安全隱患存在。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行身份識別、電子工作票管理、環(huán)境信息監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，方便地實現(xiàn)了調(diào)度指揮中心與現(xiàn)場作業(yè)人員的實時互動。圖5為基于物聯(lián)網(wǎng)的電力現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)。
而在電力巡檢管理上，利用射頻識別（RFID）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)以及無線通信網(wǎng)，對設(shè)備的運行環(huán)境及其運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)識別標(biāo)簽輔助設(shè)備定位，實現(xiàn)了人員的到崗監(jiān)督，從而監(jiān)督工作人員參照標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的工作流程，進(jìn)行輔助狀態(tài)檢修和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。在塔基下、桿塔上及輸電線路上安裝地埋振動傳感器、壁掛振動傳感器、傾斜傳感器、距離傳感器、防拆螺栓等設(shè)備，并結(jié)合輸電線路狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對重要桿塔較好的實時監(jiān)測和防護(hù)。如圖6為桿塔防護(hù)系統(tǒng)。
4.3 電力資產(chǎn)全壽命周期管理
在電力設(shè)備中應(yīng)用射頻識別和標(biāo)識編碼系統(tǒng)，對資產(chǎn)進(jìn)行身份管理、狀態(tài)監(jiān)測、全壽命周期管理，自動識別目標(biāo)對象并獲取數(shù)據(jù)，從而在技術(shù)上為實現(xiàn)電力資產(chǎn)全壽命周期管理、提高運轉(zhuǎn)效率、提升管理水平提供了更好的支撐。
4.4 智能用電
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有利于智能用電雙向交互服務(wù)、用電信息采集、家居智能化、家庭能效管理、分布式電源接入以及電動汽車充放電的實現(xiàn)，同時也是實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的雙向互動、提高供電可靠性與用電效率以及節(jié)能減排的技術(shù)保障。
在電動汽車、電池、充電設(shè)施中安裝傳感器和射頻識別裝置，實時感知電動汽車運行狀態(tài)、電池使用狀態(tài)、充電設(shè)施狀態(tài)以及當(dāng)前網(wǎng)內(nèi)能源供給狀態(tài)，實現(xiàn)電動汽車及充電設(shè)施的綜合監(jiān)測與分析，并保證電動汽車運行在穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效運行。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也方便于家居智能化的實現(xiàn)。借助于在各種家用電器中內(nèi)嵌的智能采集模塊和通信模塊，可以實現(xiàn)家用電器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，完成對家用電器運行狀態(tài)的監(jiān)測、分析以及控制；借助于在家中安裝門窗磁報警、紅外報警、可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測等傳感器，可以實現(xiàn)家庭安全防護(hù)；借助于應(yīng)用無線、電力線載波技術(shù)，可以實現(xiàn)水、電、氣表自動抄收；借助于光纖復(fù)合低壓電纜、電力線載波以及智能交互終端，可以實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的交互，以及相關(guān)的通信服務(wù)、視頻點播和娛樂信息等服務(wù)。如圖7為物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用。
5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合有著眾多的優(yōu)點，得到各界的大力宣傳與研究，但由于其研究還處于起步階段，各方面研究還并不深入，因而它也面臨著眾多的挑戰(zhàn)。
?。?）標(biāo)準(zhǔn)化體系的缺失。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國的發(fā)展還剛剛起步，即使在全世界范圍內(nèi)，也沒有形成一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。標(biāo)準(zhǔn)的缺失將大大限制相關(guān)技術(shù)的正常發(fā)展和產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用的步伐。因此，標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立，已然成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要先決條件，也是制約物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。
（2）擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)亟待突破。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)得以可持續(xù)發(fā)展的根本驅(qū)動力，如果沒有掌握關(guān)鍵的核心技術(shù)，產(chǎn)業(yè)就不具備有核心競爭力，因而在未來的國際競爭中也會處處受制于人。因此，迅速建立起國家級和區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)研究中心，研究并掌握擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
?。?）國家安全和個人隱私保護(hù)需要得到保障。由于電力是關(guān)系國際民生的基礎(chǔ)性行業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，因此維持電力安全是所有事業(yè)的根本前提，而從目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展水平來講，其中的一系列安全問題還沒有得到解決，也沒有形成較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案。所以從某種程度上講，物聯(lián)網(wǎng)的安全性是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個很大阻礙，加強(qiáng)對物聯(lián)網(wǎng)安全性的研究，也關(guān)乎物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的成敗。
6 結(jié)語
在智能電網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，體現(xiàn)了智能電網(wǎng)信息化、自動化、互動化的特征，是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然選擇。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能電網(wǎng)的相互融合以及廣泛應(yīng)用，能通信基礎(chǔ)設(shè)施資源和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行有效整合，大幅提高電力系統(tǒng)信息化水平、安全運行水平、可靠供電及優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平，降低線損、提高電能傳輸效率和使用效率。隨著它的進(jìn)一步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將與智能電網(wǎng)有著更多的滲透與融合，也必將給未來電網(wǎng)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。