宋艳;王笑棠;卢武;徐璟
【摘 要】物联网技术可以运用于智能配电网中,有效地整合优化电力资源,提高电力系统的信息化、自动化、互动化水平,增强现有电力设施的利用率。将整个智能配电网络规划为三层:在感知层采用基于物联网的配电一二次设备状态信息传感采集技术采集设备的状态信息、环境测量信息、用户用电信息;在传输层采用基于物联网的配电一二次设备状态信息传输通信技术传输感知层的信息到上层;在应用层采用基于物联网的一二次设备运行状态在线监测管理技术从收到的海量数据中抽取、分析有价值的信息,在管理平台上对配电网的各个环节能够实现三维立体的实时状态监测和预警功能。 【期刊名称】《电器与能效管理技术》
折叠式集装箱【年(卷),期】2018(000)021
【总页数】7页(P53-59)
【关键词】智能电网;物联网;智能终端;信息采集;状态监测和预警
浏阳霉素
【作 者】宋艳;王笑棠;卢武;徐璟
【作者单位】[1]国网浙江省电力公司丽水供电公司,浙江丽水323000;[1]国网浙江省电力公司丽水供电公司,浙江丽水323000;[1]国网浙江省电力公司丽水供电公司,浙江丽水323000;[1]国网浙江省电力公司丽水供电公司,浙江丽水323000;
【正文语种】中 文
【中图分类】TM73
0 引 言
随着我国经济社会的发展,用电需求不断增多,电网规模不断扩大,而用户对于用电能源的质量、安全性要求也越来越高,电力企业所面临的资源受限问题也日益严峻。在这样的背景下,智能电网建设便成为当务之急。智能电网因其强大的资源优化配置能力、绿环保的发电技术、与用户协作式的消费方式和稳定的运行状态受到广泛关注[1]。其中智能配电网作为智能电网的关键环节,被人们重点研究和讨论[2]。
通常110 kV及以下的电力网都被叫做智能配电网络。它是整个电力系统与分散用户的连接部分,能够实现与用户之间的互联互通。智能配电网[3]是利用计算机信息技术、现代通信技术、无线感知技术等将采集到的用户终端数据、设备状态数据、环境测量数据等信息进行信息的集成、分析与处理,通过多样化的通信手段实现系统主站与众多远方终端设备之间的互动交流,最终形成一个配电自动化的智能电力系统,能对整个系统设备进行有效的监测、控制、保护和管理。
由于智能配电网信息化、自动化、互动化的实现,首先依赖于配电网中各个环节里重要运行参数的实时感知和在线监测,那么基于信息感知的物联网(Internet of Things,IoT)技术便可运用于智能配电网中,成为推动智能电网发展的有效手段。物联网技术[4]是指所有物品通过多种信息感知设备,按约定的协议,把物品与互联网连接起来进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种物物相息的网络。物联网技术的问世,是在互联网基础上将用户端(个人电脑、数据中心等)延伸到任何物品与物品之间,打破传统的物理设备与IT行业毫无关系的固有思维,让物与物之间在网络中进行彼此的“交流”,共享信息。
1 系统设计框架
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目前,智能配电网与这种新一代的物联网技术相结合,通过RFID(射频识别)装置、二维码识读设备、智能信息传感器设备、红外感应器、激光扫描器、智能定位系统(GPS)等[5]信息感知设备,提出基于物联网的面向智能电网的3层系统框架——感知层、传输层、应用层[6]。在感知层,以基于物联网的配电一二次设备状态信息传感采集技术为核心,通过各种智能传感设备采集设备的状态信息、环境测量信息,是上两层的基础。在传输层,以基于物联网的配电一二次设备状态信息传输通信技术为核心,考虑具体的通信环境,选择光纤或载波通信的方式将感知层采集到的信息传输到应用层。在应用层,以基于物联网的一二次设备运行状态在线监测管理技术为核心,综合分析所收到的各种感知信息,判断其有效性和正确性,最终可实现全方位的监测管理功能和预警功能。基于物联网技术的智能配电网设计框架如图1所示。
微型压力传感器芯片图1 基于物联网技术的智能配电网设计框架单板层积材
2 感知层
面向智能电网的物联网感知层将具有多源化信息采集能力,利用各类仪表、传感器、无线模块联合检测与传输关键信息,并在本地完成采集、感知、识别、汇聚、融合等功能。感知层需要感知对象主要包括配电变压器、配电电源、配电开关柜、远方终端设备、外部电缆导
线等[7]。该层的技术核心是基于物联网的配电一二次设备状态信息传感采集技术,主要过程是以射频标签和EPC码为基础,将写有EPC码的射频标签通过读写器自动上传EPC码,完成对EPC码的采集,所得的EPC码信息再由嵌有信息采集软件的上位机进行数据核对与处理[8]。总体来说,用各种智能传感器、新型MEMS传感器对一二次设备中关键的电量信号和非电量信号进行采集,感知对象的实时状态,是整个系统框架的入口。电网物联网终端模块设计示意图如图2所示,主要包括电源、传感数据获取、控制单元、数字信号处理与数据传输五大模块。
文献[9-10]针对电网数据的特点,提出适用于电力网络数据传输的节点协作补偿方案,主要对节点协作与路由选择进行研究。文献[11]从电能量采集系统构成出发,分别从智能电能量采集终端的设计要求及其结构模型详细分析,同时对电能远程抄表系统现场数据传输模式、远程抄表设计方案等进行了详细分析,主要对终端设计进行研究。文献[12]提出了可延时负荷跟踪调度信号的日前优化模型,探讨了能反映发电侧调度要求的调度信号的选取原则,主要对节点协作调度进行研究。
图2 电网物联网终端模块设计示意图
由上述内容可知,关于感知层聚合技术的研究主要集中在节点之间协作补偿模式和终端能量受限两个重要问题上。大量数据通过感知采集的方式进入网络,网络流量呈现漏斗状分布,智能电网中网络规模大、数据流量多,给予传输层接入的压力就越大,发生拥塞和阻塞的可能性就越大,会严重影响网络性能。且由于智能电网的实际应用过程中,位置接近的相关传感器信息往往具有较高的相似程度,重复的发送冗余信息会造成额外的消耗,因此节点之间的协作补偿冗余消除就显得尤为重要。将较高相似度的设备信息进行合并处理,如文献[9]中,基于簇层次划分的网络结构,将所有簇内节点的采集数据汇总到簇首节点,适宜地在簇内进行数据处理与冗余消除;亦如文献[10]中将数据融合与路由选择相结合,边传输边数据融合,生成最优化路由的方法。在终端能量消耗方面,需要探讨融合处理与直接转发之间的能量权衡问题,对数据传输过程中的最优聚合点和聚合条件给出详细的决策依据。基于物联网的智能电网变/配电监测信息汇聚方案示意图如图3所示。
变/配电过程中,传感器节点一般置于相对安全的设备固定部位,传感器又具备多种不同的监测感应模块,获取多类型的状态信息,如设备的温度信息(避免热损老化)、湿度信息(避免放电漏电)、振动信息(监测异常振动)、泄漏电流信息等[13]。系统中包含各类信息检测的传感器、固定sink节点与移动sink节点的方案,其中sink节点一般作为网络接入汇聚与去冗余的
实际采用与接入端口。移动sink节点一般通过智能可携带设备由工作人员随身携带,用于电路设备的日常维护与巡查。当移动sink节点移动靠近相关传感器时,将主动扫描其通信范围内传感节点数据,节点通过ZigBee、RFID等无线协议进行数据的回传,完成全网线路上数据的巡查采集工作。固定sink设备一般部署于变/配电站点内,对站点内的每个电力设备的工作状态信息有一个全景式的了解,并且能组织多跳网络传输,满足应急特殊情况的传输需求,同时固定sink节点具有较强的数据处理能力和完善的通信功能,可以将数据进行汇聚处理和判决。
图3 基于物联网的智能电网变/配电监测信息汇聚方案示意图
3 传输层
文献[14]考虑到经济性,因地制宜地进行通信,主要研究传输层通信的经济性。文献[15]依据一般用户家庭环境,采用电力线载波通信(PLC)、电力复合光纤到户(PFTTH)、无线宽带通信等通信方式相结合的宽带通信平台来实现信息流的双向传输,主要研究传输层与家庭智能产品相结合。文献[16]提出了基于光传送网(Optical Transport Network,OTN)技术的大容量光传输网络的传输层通信方案,主要研究传输层容量在大数据时代受限问题。文献[17]基于
传输层协议,设计了一种动态附加传输通道保障机制,主要研究传输层中通信遇到的阻碍问题。文献[18-19]针对电网数据的特性,提出相应的传输方案,从而提高数据传输的可靠性,主要研究传输层中数据传输的QOS问题。
由上述内容可知,传输层主要的任务是将感知层的信息实时可靠地传输到应用层中。该层的技术核心是基于物联网的配电一二次设备状态信息传输通信技术。在我国,传输层主要是以光纤专网作为信息传输的主要通道,以其他电力线载波通信网、微波通信网、卫星通信网、无线宽带网为辅助[20]。为了让从感知层采集的信息进行有效传输,对路由进行正确的选择和控制,应该在该层充分依托现有的城市公众电信网,根据实际的通信环境,因地制宜,选择合适的通信网络,让电力主站与分散的用户之间实现双向信息流,节省额外建设通信网络成本。如文献[14]中就充分考虑实施便利性和投资经济性,在具备光纤网络的站所,采用以太网无线数据接入EPON网络的ONU,进行数据传输。在未配备光纤网络的站所,依据现场条件选择不同的无线方式进行通信。文献[15]中讨论面向智能电网应用——智能家居系统的传输层通信方式,依据一般用户家庭环境,采用电力线载波通信、电力复合光纤到户(PFTTH)、无线宽带通信等通信方式相结合的宽带通信平台来实现信息流的双向传输。智能电网技术目前在逐步的推进和发展,许多新的传输层通信技术被研究来实现电力系统的可靠信息传递
与路由控制。文献[16]中分析了传统的SDH通信网已无法满足电力系统中大容量、高带宽的大颗粒业务承载和传送需求,为了提高配电网传输层的传输性能,满足不断增长的数据业务需求,采用光复用段层的网络结构,提出了基于OTN技术的大容量光传输网络的传输层通信方案。文献[17]认为智能电网的传输层关键技术在于用户侧信息的可靠接入,传统的无线通信多址接入方式虽然在理论上能够有效传输感知层信息,但在实际运行过程中,由于用户侧环境的复杂多变性,经常使得无线通信信道受到阻碍,重新传送率大幅增多。对此,基于传输层协议,设计了一种动态附加传输通道保障机制。它主要采用的是漂白技术,节点Vi和Vj会沿着以往的传输通道回溯到向源和目的节点之中,S(V0,Vi)以红着,S(Vj,VDAPi)则为蓝,并将其定义为永久,不会出现褪现象。然后,代理Ag-Red再从Vi出发,Ag-blue则从另一端出发,沿着自身的复合量数据进行探究,选取最佳的附加通道。想要实现通道传输的高质量特性,避免出现抖动,使其性能达到最佳。代理器在整个传送的过程中一定要保证好复合量度,并由残余带宽进行接收。传输层动态通道保障机制还运用了二类代理器,使其与二类通道成功建立了保证DSTC算法较高成功率的手段,并进一步分析了该算法的时间复杂情况。通过两级嵌套过程的建立,避免节点出现多次访问现象。它能够在传输出现拥堵问题的时候,唤起第二代代理器,判断出最佳的参数传送方向,并开展单独游历,实现结合物联网无线通信传输层的快速运转。
