物联网技术及其在电力系统通信中的应用

物联网(Internet of Things)的定义是指所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。物联网概念的问世，打破了之前的传统思维，过去的思路一直是将物理基础设施和 IT 基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。而在物联网时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在其上进行，包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。

当今，电力通信、信息系统已经实现了电厂、电网、变电站、供电局、供电所的覆盖，根据业务需求的不同建立了传输网络、调度数据网络、综合数据网络等，实现各层面之间通信网络的互联互通。下一步将这个网络延伸至配网，直至生活中的各种物体，实现物体之间的通信，这就需要通过物联网的功能。

1、物联网的技术

物联网的实质是利用 RFID(Radio Freq uency Identi-fication，射频自动识别)、无线数据通信等技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。物品能够在无需人工干预的条件下，在网络里彼此进行“交流”，通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。下面重点介绍物联网的组成架构和关键技术。

1 .1组成架构

物联网网络的组成架构包括：用户层、应用控制层、承载网络、接入层、应用采集控制(末梢节点)层，其中承载网络由计算机网络和通信网络构成。

用户层主要是为用户提供物联网应用的用户界面接口，包括如电脑、手机、客户端、传感器等用户设备。应用控制层由应用服务器及数据库服务器组成，具有汇集、转换、分析数据的功能，以及用户层呈现的适配和实践的触发等。承载网络是指通信网络，如互联网络、移动通信网络等，完成物联网接入层与应用控制层之间的信息通信功能。承载网络结构主要有端到端、环型网、树状网、交叉网等方式，联网方式可以简单分成有线和无线两种，有线方式主要包括光纤、互联网的数据线、语音通信线缆等，无线方式主要包括集群网、W iMAX (Worldwide Interoperabilityfor Microwave Access，全球微波接入互操作标准)、McW ill(Multi-Carrier W ireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路)等。末梢节点与接入层构成了物联网的信息采集和控制。接入层由接入网关和基站节点组成，末梢节点由各种类型的采集和控制模块组成，接入层负责应用末梢节点信息的组网控制和信息汇集，以及向末梢节点下发信息的转发等功能。物联网网络的组成示意图如图1 所示。

1 .2关键技术

国际电联报告提出物联网主要有四个关键性的应用技术：标识事物的 R F ID 射频识别技术，感知事物的传感网络技术 (Sensortechnologies)，思考事物的智能技术(Smarttechno logies)，微缩事物的纳米技术 Nanotechnolo-gy-RFID。

R F ID 通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，是可以在恶劣环境下工作的一种非接触式自动识别技术。R F ID 由 3 部分组成，分别是：① 标识(T a g)：由芯片及耦合元件组成，标识是具有唯一性的电子编码，附着在物体上识别目标对象;② 读写器(Reader)：读取 \ 写入标识信息的设备;③ 天线(A n te n n a)：在标识和读写器间传递射频信号。R F ID 技术主要研究：① R F ID 反碰撞防冲突问题;②R F ID 天线;③ 选择合适的工作频率;④ 安全与隐私。传感器网络与检测技术中，无线传感器网络(WSN ，Wireless Sensor N e twork)是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统，具有低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点。传感器网络节点的基本组成包括传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU 、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)及电源，可选的其他单元包括定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。传感器网络技术研究包括先进的测试技术及网络化测控、智能化传感器网络节点研究、传感器网络组织结构及底层协议研究、对传感器网络自身的检测与控制、传感器网络的安全。

智能技术是通过在物体中植入智能系统，使得物体具备一定的智能性，将物体“讲话”的内容解析，利用计算机自动处理。智能技术的研究内容包括计算机实现智能的原理、人工智能、智能控制技术与系统、智能信号处理等。纳米技术是研究结构尺寸在 0.1 ～100nm 范围内材料的性质和应用，主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这 7个学科主要归纳为纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这 3 大研究领域。

2、物联网在电力系统通信的应用

基于物联网的技术特点，并结合电力系统通信的特点，物联网主要的应用将集中在电力系统应急通信、配网自动化、智能电网等方面，为电网智能化管理提供较好的技术手段。

2 .1应急通信

应急通信发生的时间和地点具有不确定性，导致无法确定指挥中心和事故地点，各类需要接入点的随机性非常大。这往往需要抢修人员到达现场后，检查现场情况，通过电话、视频回传等手段及时向调度中心及应急指挥中心报告现场情况。而物联网能使调度中心或应急指挥中心通过对电网状态信息、各种设备运行状态的智能监测，为调度中心的日常管理和应急指挥提供实时准确的数据信息。当应急情况发生时，通过物联网能够准确定位事故现场，清楚现场设备及部件、杆塔的损坏情况，以便及时调拨合适型号的设备到现场进行更换。同时，结合光纤及无线通信技术提供电话及视频通信，现场人员能够提前做好抢修准备，接受在应急指挥中心的调度及指挥，更快的对事故进行抢修，提高事故处理能力。

2 .2配网通信

配网相对于高压输变电网，特别是 1 0 k V 及以下电压等级网络具有结构复杂、电压等级多、配电设备数量多、支线多、分布广、变动频繁等特点。根据配网自动化层次要求，整个配网通信可分为通信子站、配网主站、区调分站层3层，如图2所示。

通信子站层：指配网 F T U 、T T U 、D T U 等终端到通信子站层的通信，通信子站通常设置在 1 1 0 k V 或 2 2 0 k V变电站。

配网主站层：指上述通信子站与配电主站之间的通信层，根据电监会二次安全防护及相关要求，该层数据承载在调度数据网中。

区调分站层：该层主要是区调分站与配电主站的通信层面。该层数据量相对较大，承载在调度数据网中。

根据配网通信的特点，目前配电网通信无法用单一的通信方式实现，而主要是采用光纤通信、载波通信、租用无线公众网通信及无线宽带技术实现。无线公网(G P R S /C D M A)与载波通信的安全性稍差，光纤专网是作为主干覆盖到 1 1 0 k V 变电站，由于配电网改动频繁，在市区内光纤的施工难度较大，很难做到灵活的改动，而郊外光纤的施工成本太高，无线宽带技术 W iM A X 、M c W ill可以作为配电网最后一段的补充，但是 W iM A X 技术也会受到天气及多路径反射影响，而支持 McWill 的企业和系统丰富程度并不高，不利于推广使用。物联网能较好地解决配电终端、配电主站之间的通信，可以通过把配电网的所有设备及部件连上物联网，轻松地完成配网通信任务，同时能实现配网自动化“三遥”(遥信、遥测、遥控)信息，目前采用的 G P R S 、载波等通信技术由于带宽不足仅能实现“两遥”(遥信、遥测)信息。而且物联网能较好地解决配电终端数量多、变动频繁等问题。

2 .3智能电网

智能电网是一个具有先进技术水平的安全、可靠、高效、灵活的现代化电网。在智能电网中，各电压等级的电网协调发展，先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、控制技术和决策支持技术与电网有机融合，电网安全、可靠、高效运行，能有效满足现代“低碳社会”发展的新需要。智能网络构架图如图3 所示。

物联网技术能够为智能电网提供较好的测量技术、通讯技术、控制技术，实现远程抄表、电网负荷节能控制、电网设备状态在线监测、事故准确定位跟踪、输电线路杆塔、线路监测(覆冰监测、温度检测)等。例如电网底层的数据包括配电房的开关、电缆沟的信息，这些信息目前无法用有效的通信方式采集，而如果通过物联网有效的联合，就可以实时地把各种各样的底层信息采集上来，使电网管理从事后处理变成事前预防，大大提高电网管理和应急的效率。

2 .4社会服务及社会管理

物联网还可以应用到智能交通、工业监控、市政设施管理、远程医疗、环境治理、数字家庭等涉及社会服务及管理的众多领域。

2 .5存在的问题

目前物联网还仅仅是应用在物流领域，而且其技术体系尚未完善，除需要突破上述提到的四大关键技术外，还要有地理信息系统、微型定位系统、全球定位系统等做支撑。另外还需要制定物联网的标准和规范，统一所有物品的编码，信息安全也是物联网技术中难点及重大课题。

3、应用展望

电力系统中的物联网，既可以作为输电通信基础网络的补充，加强输电通信网的可靠性，也可以作为配电网络主要通信方式，弥补目前公网及无线通信网络无法实现的功能，同时能作为抵御极端天气的电力应急通讯方案和通信抗灾体系的有效手段。物联网就其本身而言，代表了下一代信息技术的发展，而目前其发展正处于起步阶段，仍然面临技术完备性不足、产品成熟度低、成本偏高、规划管理、无线电频率资源合理安排及分配等诸多因素的制约，但随着各方面的共同努力，物联网将迎来美好的未来，对经济起到积极的推动作用。