物聯(lián)網應用案例智能電網

第十四章

物聯(lián)網應用案例-智能電網魏旻重慶郵電大學Contents01.智能電網概述02.智能電網體系架構03.智能電網典型案例：核心網絡04.智能電網典型案例：智能電表05.智能電網典型案例：家庭網絡本章學習要點1.什么是智能電網？2.智能電網體系架構如何？3.智能電網中的輸電配電是怎樣的？4.智能電網在家庭中有哪些應用？物聯(lián)網應用案例-智能電網01智能電網概述傳統(tǒng)能源日漸短缺和環(huán)境污染問題日益嚴重是人類社會持續(xù)發(fā)展所面臨的最大挑戰(zhàn)。各種低碳技術的大規(guī)模應用主要集中在可再生能源發(fā)電和終端用戶方面，使傳統(tǒng)電網的發(fā)電側和用戶側特性發(fā)生了重大改變，并給輸、配電網的發(fā)展和安全運行帶來了新的挑戰(zhàn)。在這樣的發(fā)展背景下，智能電網的概念應運而生，并在全球范圍內得到廣泛認同，成為世界電力工業(yè)的共同發(fā)展趨勢。智能電網背景物聯(lián)網應用案例-智能電網智能電網概述

傳統(tǒng)能源日益短缺和環(huán)境污染日趨嚴重等問題使得世界各國紛紛大力發(fā)展環(huán)境友好的新能源，以減少對傳統(tǒng)能源的依賴性，減少因能源需求對環(huán)境的污染，確保社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展。風能及太陽能是公認的可規(guī)?；_發(fā)和利用的一類新能源。然而，由于以風能及太陽能為代表的新能源具有隨機性和間歇性特征，大量新能源電力集中或分布接入電網，必然會對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的安全性及可靠性產生各種不利影響。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)結構僅適用于接入具有可控且集中發(fā)電特征的電源，并經過輸電及配電環(huán)節(jié)將電力從電源端輸送到終端負荷用戶。大量新能源電力集中或分布接入電網后，其具有的隨機性和間歇性特征導致新能源電力的不可控性及波動性，從而使得傳統(tǒng)電力系統(tǒng)無法適應大量新能源接入的需求。電網只有具有智能化后，才能滿足大量新能源集中或分布式接入的需要，并確保系統(tǒng)的安全性及可靠性需求。由此提出了從傳統(tǒng)電網轉變?yōu)橹悄茈娋W的需求。智能電網的定義物聯(lián)網應用案例-智能電網智能電網概述歐盟智能電網特別工作組

美國能源部

中國國家電網公司智能電網利用數字化技術改進電力系統(tǒng)的可靠性、安全性和運行效率可以智能化地集成所有接于其中的用戶的行為和行動，保證電力供應的可持續(xù)性、經濟性和安全性。目前國際范圍尚未形成統(tǒng)一的智能電網定義。國際組織和一些國家性組織從智能電網采用的主要技術和具有的主要特性的角度對其進行了描述以特高壓電網為骨干網架、各級電網協(xié)調發(fā)展的堅強網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、自動化、互動化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環(huán)節(jié)，涵蓋所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合，具有堅強可靠、經濟高效、清潔環(huán)保、透明開放和友好互動內涵的現代電網。美國強調了數字化技術在智能電網中的重要作用，認為現代數字化技術和新能源技術的結合是智能電網發(fā)展的動力，也是帶動新型產業(yè)發(fā)展、增加就業(yè)的機遇，而這正是美國發(fā)展智能電網的驅動力之一；歐洲主要強調了對Prosumer的服務和管理，原因在于歐洲分布式能源和電動汽車發(fā)展迅速，配電網面臨巨大的壓力和挑戰(zhàn)，這是歐洲發(fā)展智能電網的最主要驅動力之一。中國由于電力工業(yè)仍處在快速發(fā)展時期，國家電網公司強調在增強電網智能化水平的同時，需要建設堅強的輸電網，并強調各級電網協(xié)調發(fā)展。關于智能電網性能的描述，三方基觀點相近，建設經濟、環(huán)保、安全、高效的新型電網，是中美歐發(fā)展智能電網的共同追求。常用術語物聯(lián)網應用案例-智能電網核心電網：包含由發(fā)電到配電的網絡。包括初級和次級變電站。鄰居區(qū)域網絡(NAN)：是指變電站到家庭之間的網絡。它包括集中器和智能電表。家庭網絡(HAN)：家庭網絡包括智能家電，家庭能源控制器（HEC）等。物聯(lián)網應用案例-智能電網02智能電網體系架構智能電網體系系架構電網智能化的的基礎是信息息交互，借用用美國標準技技術委員會(NIST)智能電網工作作組發(fā)布的智智能電網信息息交互模型，描述如下智能電網體系系架構智能電網的主主要技術要求求具有堅強的電電網基礎體系系和技術支撐撐體系能夠抵御各類類外部干擾和和攻擊，能夠夠適應大規(guī)模模清潔能源和和可再生能源源的接入，電電網的堅強性性得到鞏固和和提升。柔性交/直流輸電、網網廠協(xié)調、智智能調度、電電力儲能、配配電自動化等等技術的廣泛泛應用，使電網運行行控制更加靈靈活、經濟，，并能適應大大量分布式電電源、微電網網及電動汽車車充放電設施施的接入。實現實時和非非實時信息的的高度集成、、共享與利用用，為運行管理展展示全面、完完整和精細的的電網運營狀狀態(tài)圖，同時時能夠提供相相應的輔助決決策支持、控控制實施方案案和應對預案案。信息技術、傳傳感器技術、、自動控制技技術與電網基基礎設施有機機融合，可獲取電網網的全景信息息，及時發(fā)現現、預見可能能發(fā)生的故障障。故障發(fā)生生時，可以快快速隔離故障障，實現自我我恢復，從而而避免大面積積停電的發(fā)生生。通信、信息和和現代管理技技術的綜合運運用，將大大提高高電力設備使使用效率，降降低電能損耗耗，使電網運運行更加經濟濟和高效。建立雙雙向互互動的的服務務模式式，用戶可可以實實時了了解供供電能能力、、電能能質量量、電電價狀狀況和和停電電信息息，合合理安安排電電器使使用；；電力力企業(yè)業(yè)可以以獲取取用戶戶的詳詳細用用電信信息，，為其其提供供更多多的增增值服服務。。123456智能電電網體體系架架構為了支支撐電電力流流、信信息流流和業(yè)業(yè)務流流高度度融合合，構構建以以信息息化、、自動動化、、數字字化、、互動動化為為特征征的統(tǒng)統(tǒng)一堅堅強智智能化化電網網，美國電電氣與與電子子工程程師協(xié)協(xié)會(IEEE)和美國國國家家標準準技術術研究究院(NIST)聯(lián)合制制定了了智能能互動動電網網的標標準和和互通通原則則(簡稱IEEEP2030)，提出基于物物聯(lián)網網的智智能電電網參參考架架構物聯(lián)網網應用用案例例-智能電電網03智能電電網典典型案案例：：核心心網絡絡基于智智能電電網的的配電電自動動化物聯(lián)網網應用用案例例-智能電電網基于智智能電電網的的配電電自動動化配電自自動化化系統(tǒng)統(tǒng)層次次結構構圖配電自自動化化系統(tǒng)統(tǒng)最突突出的的一個個優(yōu)點點是：：它具具有非非常好好的靈靈活性性，變變電站站在初初期建建設的的過程程中可可以使使用中中型配配電自自動化化系統(tǒng)統(tǒng)，而而且可可以裝裝設與與之相相應的的主站站、子子站和和終端端等。。當需需要擴擴展配配電系系統(tǒng)的的時候候，可可以在在目前前主站站系統(tǒng)統(tǒng)的基基礎上上增加加數量量，再再將其其中一一個主主站作作為該該系統(tǒng)統(tǒng)的中中心站站。通通過不不同的的層次次結構構，系系統(tǒng)主主要分分成三三個層層次：主站自自動化化系統(tǒng)統(tǒng)、子站自自動化化系統(tǒng)統(tǒng)以及終端系系統(tǒng)自自動化化。根據據實際際需要要可以以將第第二層層以下下結構構進行行適當當的擴擴展。?；谥侵悄茈婋娋W的的配電電自動動化主站自動化系統(tǒng)配電主站系統(tǒng)：當主前置服務器發(fā)生故障的時候，系統(tǒng)能夠自動配置一臺代替服務器，在一定程度上可以有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行配電應用軟件子系統(tǒng)：為使系統(tǒng)滿足技術發(fā)展要求，必須通過聯(lián)機調試來測試系統(tǒng)故障恢復的能力配電管理系統(tǒng)：分析與顯示電力設備空間的定位數據，與此同時也能夠分析相應的屬性資料。子站自動化系統(tǒng)配電系統(tǒng)中需要監(jiān)控很多電氣設備，其中與配電主站直接關聯(lián)的設備監(jiān)控難度比較大，所以必須通過中間級進行監(jiān)控，而中間級就是配電子站系統(tǒng)。配電子站的主要功能是采集數據以及監(jiān)控系統(tǒng)。除此之外，還可以實時監(jiān)控傳輸到配電主站的通信處理器內的實時數據。終端系統(tǒng)自動化對于城市配電系統(tǒng)來說，其終端系統(tǒng)自動化的功能主要是：實時監(jiān)控系統(tǒng)中的各類設備，它不但需要完成遙測、遙控以及遙調的功能，還必須識別和控制系統(tǒng)出現的故障，通過配合主站和子站，檢測和優(yōu)化電力系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，而后重新構造網絡隔離故障?；谖镂锫?lián)網網的輸輸電線線路在在線監(jiān)監(jiān)測系系統(tǒng)物聯(lián)網網應用用案例例-智能電電網基于物物聯(lián)網網的輸輸電線線路在在線監(jiān)監(jiān)測系系統(tǒng)符合智智能電電網要要求的的輸電電線路路狀態(tài)態(tài)信息息至少少、應應當包包括基基礎信信息、、運行行信息息、災災害預預警信信息和和環(huán)境境監(jiān)視視信息息4個方面面，如下下表所所示：：類別子類內容基礎信息

臺賬信息、地理信息、管理信息運行管理日常管理

實時情況缺陷信息、故障信息、隱患信息

載流能力、導線溫度、接頭溫度、孤垂情況、外絕緣情況、風偏情況、荷載情況災害預警

雷電預警、強對流天氣預警、冰災預警、臺風預警環(huán)境監(jiān)測

微氣象監(jiān)測、山火監(jiān)測、人為破壞情況監(jiān)測基于智智能電電網的的配電電自動動化檢測系系統(tǒng)的的基本本結構構應用系系統(tǒng)層層：由多個個單獨獨的應應用系系統(tǒng)組組成，，每個個單獨獨的應應用系系統(tǒng)反反映線線路運運行狀狀況的的一個個方面面數據中中心層層：將上層層各獨獨立應應用系系統(tǒng)的的數據據集成成起來來，進進行統(tǒng)統(tǒng)一管管理、、集中中處理理、綜綜合分分析，，實現現多系系統(tǒng)的的數據據融合合。數據應應用層層：將基于實實時監(jiān)監(jiān)測數數據建建立輸輸電線線路的的虛擬擬現實實模型型，并并利用用三維維平臺臺構建建線路路關鍵鍵點的的虛擬擬現實實對象象，實實現監(jiān)監(jiān)測系系統(tǒng)的的可視視化。?；谖镂锫?lián)網網的輸輸電線線路在在線監(jiān)監(jiān)測系系統(tǒng)檢測系系統(tǒng)的的通信信方式式為了保保證通通信通通道的的可靠靠性和和魯棒棒性，，考慮慮采用用光纖纖復合合架空空地線線OPGW冗余的的纖芯芯中的的4根組成成通信信系統(tǒng)統(tǒng)兩變電電站間間的同同步數數字體體系（（SDH）設備光纖自自愈環(huán)環(huán)網拓拓撲結結構+=光纖交交換機機作為為現場場OPGW接入裝裝置，，通過過多個個光纖纖交換換機級級聯(lián)組組成OPGW通信系系統(tǒng)環(huán)環(huán)網提供以以太網網方式式的100M的數據據接入入服務務，對于于沒有有OPGW接續(xù)盒盒的桿桿塔則則采用用無線線Wi-Fi的方式式進行行數據據中繼繼基于云云計算算的智智能電電網信信息平平臺物聯(lián)網網應用用案例例-智能電電網基于云云計算算的智智能電電網信信息平平臺基于云云計算算的智智能電電網信信息平平臺的的體系系結構構基礎設設施層層:是經虛虛擬化化后的的硬件件資源源和相相關管管理功功能的的集合合,通過虛虛擬化化技術術對計計算機機、存存儲設設備與與網絡絡設備備等硬硬件資資源進進行抽抽象,實現內內部流流程自自動化化與資資源管管理優(yōu)優(yōu)化。。平臺層層:是具有有通用用性和和可重重用性性的軟軟件資資源的的集合合,為云應應用提提供軟軟件開開發(fā)套套件與與應用用編程程接口口等開開發(fā)測測試環(huán)環(huán)境，Web服務器器集群群、應應用服服務器器集群群與數數據庫庫服務務器集集群等等構成成的運運行環(huán)環(huán)境,以及管管理監(jiān)監(jiān)控的的環(huán)境境。業(yè)務應應用層層:是云上上應用用軟件件的集集合,對于智智能電電網信信息平平臺而而言,這些軟軟件包包括電電力安安全生生產與與控制制、電電力企企業(yè)經經營管管理和和電力力營銷銷與市市場交交易等等領域域的業(yè)業(yè)務軟軟件,以及經經營決決策智智能分分析等等智能能分析析軟件件。服務訪訪問層層:作為一一種全全新的的商業(yè)業(yè)模式式,云計算算以IT即服務務的方方式提提供給給用戶戶使用用,包括基基礎即即服務務（IaaS）、平平臺即即服務務(PaaS)和軟件件即服服務(SaaS),能夠在在不同同應用用級別別上滿滿足電電力企企業(yè)用用戶的的需求求?；谠圃朴嬎闼愕闹侵悄茈婋娋W信信息平平臺智能電電網狀狀態(tài)監(jiān)監(jiān)測云云計算算平臺臺的設設計采用廉廉價的的服務務器集集群，以降降低成成本借助虛虛擬機機實現現資源源的虛虛擬化化,提高設設備的的利用用率因為機機器故故障率率大,因此采采用分分布式式的冗冗余存存儲系系統(tǒng)來來存儲儲數據據,保證數數據的的可靠靠性因為數數據量量極大大,且可靠靠性和和實時時性要要求高高，不不采用用傳統(tǒng)統(tǒng)的關關系數數據庫庫,而采用用基于于列存存儲的的數據據管理理模式式,來支持持大數數據集集的高高效管管理。。因為智智能電電網需需要在在狀態(tài)態(tài)數據據基礎礎上進進行各各種電電力系系統(tǒng)計計算與與應用用，所所以提提出基基于MapReduce的狀態(tài)態(tài)數據據并行行處理理系統(tǒng)統(tǒng),可以為為狀態(tài)態(tài)評估估、診診斷與與預測測提供供高性性能的的并行行計算算能力力以及及通用用的并并行算算法開開發(fā)環(huán)環(huán)境物聯(lián)網網應用用案例例-智能電電網04智能電電網典典型案案例：：智能能電表表智能電電網典典型案案例：：智能能電表表智能電表與中央SCADA應用之間信息交互內容細節(jié)動態(tài)定價負荷曲線斷路器驅動對計量故障關閉和延遲報警重設在斷路重新開啟之前的通信延時SCADA應用從智能電能表接收到的數據每小時功耗的價格（每千瓦的價格）啟動報警歷史報警日志電源電池剩余壽命電量數據斷路器狀態(tài)智能電表參數如編號，制造商，電表類型等智能電表額外提供的公共事業(yè)類的服務跟蹤電表的位置，自動檢測在低壓網絡上的變化，自動將數據上傳至新加入的電表中。網格監(jiān)控，可以用于電網監(jiān)控。實時報告附近停電狀況，進行故障定位的能力提供任一相位上的負載曲線給網絡工程師，以減少消耗與壓降電表通通過增增加新新的特特性使使得其其功能能大大大增強強，新新的電電表不不需要要像很很久以以前的的電表表一樣樣，計計量管管理需需通過過定期期對每每個電電表進進行人人工讀讀數。。智能電電表第第一個個增強強的特特性為為自動動抄表表智能能電表表進一一步為為電表表增加加更多多的高高級功功能，，例如如電能能質量量監(jiān)測測和故故障報報告的的感知知，從從而有有了先先進計計量基基礎設設施（（AMI）的概概念。。智能電電表將將在未未來進進行大大規(guī)模模部署署，并并實現現支持持范圍圍廣泛泛的服服務，，如實實時功功耗，，可在在任何何給定定的時時間內內最大大數量量的改改變功功率的的能力力，打打開和和關閉閉電源源的能能力，，停電電自動動檢測測，等等等。。物聯(lián)網網應用用案例例-智能能電電網網05智能能電電網網典典型型案案例例：：家家庭庭網網絡絡用電電信信息息采采集集系系統(tǒng)統(tǒng)物聯(lián)聯(lián)網網應應用用案案例例-智能能電電網網用電電信信息息采采集集系系統(tǒng)統(tǒng)是是建建設設智智能能電電網網的的物理理基基礎礎，其其應應用用高高級級傳傳感感、、通通信信、、自自動動控控制制等等技技術術，，實實現現數數據據采采集集、、數數據據管管理理、、電電能能質質量量數數據據統(tǒng)統(tǒng)計計、、線線損損統(tǒng)統(tǒng)計計分分析析，，及及時時采采集集、、掌掌握握用用戶戶用用電電信信息息，，發(fā)發(fā)現現用用電電異異常常情情況況，，對對電電力力用用戶戶的的用用電電負負荷荷進進行行監(jiān)監(jiān)測測和和控控制制，，為為實實現現階階梯梯電電價價、、智智能能費費控控等等營營銷銷業(yè)業(yè)務務策策略略提提供供了了技技術術支支持持。。用電電信信息息采采集集系系統(tǒng)統(tǒng)基于于物物聯(lián)聯(lián)網網的的智智能能用用電電信信息息采采集集系系統(tǒng)統(tǒng)總總體體架架構構主站站系系統(tǒng)統(tǒng)：：通過過光光纖纖、、TD-SCDMA、電電力力寬寬帶帶無無線線等等與與集集中中器器通通信信，，實實現現一一個個供供電電區(qū)區(qū)域域或或整整個個供供電電企企業(yè)業(yè)配配網網信信息息的的實實時時采采集集與與管管理理集中中器器：：負責責主主站站和和智智能能采采集集網網關關之之間間的的數數據據交交互互，，是是本本系系統(tǒng)統(tǒng)的的樞樞紐紐裝裝置置采集集網網關關：：主要要負負責責電電能能信信息息采采集集和和電電表表控控制制，，并并負負責責與與智智能能電電表表、、集集中中器器、、家家庭庭智智能能互互動動終終端端之之間間的的通通信信，，同同時時也也可可作作為為自自動動中中繼繼轉轉發(fā)發(fā)器器使使用用智能能電電表表：：用于于電電能能計計量量以以及及通通過過無無線線傳傳感感網網絡絡，，實實現現與與采采集集網網關關的的通通信信，，能能夠夠對對有有功功、、無無功功電電能能進進行行雙雙向向計計量量；；在在特特定定情情況況下下，，智智能能電電表表也也可可直直接接與與集集中中器器通通信信，，作作為為復復合合通通信信模模式式的的備備用用方方式式，，在在這這種種情情況況下下要要在在集集中中器器中中內內嵌嵌無無線線傳傳感感通通信信模模塊塊。。智能能電電網網家家庭庭綜綜合合能能源源管管理理系系統(tǒng)統(tǒng)物聯(lián)聯(lián)網網應應用用案案例例-智能能電電網網智能能家家庭庭綜綜合合能能源源管管理理系系統(tǒng)統(tǒng)是是需需求求側側管管理理的的重重要要依依托托。。系系統(tǒng)統(tǒng)中中智能能電電表表、智能能顯顯示示終終端端、智能能插插座座等設設備備組組成成的的家家庭庭網網絡絡，，能能夠夠支支持持分分布布式式能能源源、、電電動動汽汽車車等等系系統(tǒng)統(tǒng)或或設設備備的的接接入入和和計計量量，，家家用用電電器器智智能能控控制制，，綜綜合合家家庭庭能能耗耗監(jiān)監(jiān)測測和和能能源源優(yōu)優(yōu)化化管管理理等等功功能能。。智能能電電網網家家庭庭綜綜合合能能源源管管理理系系統(tǒng)統(tǒng)智能能電電表表功功能能單相相智智能能電電表表及及相相關關輔輔助助設設備備是是家家庭庭能能源源管管理理系系統(tǒng)統(tǒng)中中高高級級量量測測與與控控制制的的核核心心。。其其功功能能設設計計如如下圖所示示智能能電電網網家家庭庭綜綜合合能能源源管管理理系系統(tǒng)統(tǒng)智能顯示示終端功功能框架架圖面向電網網公司，，通過RS485、短距離離無線，，智能顯顯示終端端可與智智能電能能表、智智能手持持終端通通信。在