雖然我國電網信息化程度在不斷地提高，但仍然面臨著一些特殊問題，如建設堅強骨干電力網架，提高電網抵御多重故障的能力，加強各區域電網骨干網架，提升電網穩定水平，增強電網運行靈活性，完善電力相關企業信息化建設，實現與用戶之間的信息互動，充分發揮信息技術在重大決策和現代化管理中的作用等。這些問題的解決是現有電網向可靠、自愈、經濟、兼容、集成和安全的rfid">rfidchina.org/iot/index.php" target="_blank">智能電網演進的關鍵。搭建新一代智能電網信息通信技術（ICT）平臺是智能電網建設的基礎。
同時，物聯網作為一種實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的新型通信網絡，已經在物流管理、智能建筑、安全服務、健康醫療等多個領域進行了試點應用，并且收到了良好的效果。物聯網通過射頻識別（RFID）、無線傳感器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，將任何物品與互聯網相連，從而實現物與物、人與物之間的信息交互和通信。其中無線傳感器網絡和RFID 技術是物聯網末端最關鍵的技術。
目前，智能電網和物聯網產業的發展均被提升到國家經濟發展的戰略決策層面，如何將智能電網和物聯網有機地結合起來是電力發展中需要解決的重要問題。將物聯網引入新一代智能電網信息通信技術（ICT）平臺中，不應是對當前電力通信網的重構，而是在現有各種網絡充分發展的基礎上，利用傳感器網絡擴展物與物之間的直接通信方式，從而降低電網生產環節中的人工參與度，提升電網的安全系數。與此同時，還應利用物聯網異構融合、兼容開放、自組織自愈等突出特點，與互聯網緊密結合，實現多種網絡的互聯互通，實現電網與社會的相互感知與互動。基于物聯網的應用能夠極大地拓寬現有電力通信網的業務范圍，提高電力系統的安全性和抗故障、御災害能力，實現與用戶的信息交互，最終達成智能電網節能減排、兼容互動、安全可靠的目標。
本文結合物聯網的基本網絡架構和業務特性，通過對智能電網輸電、變電、配電和用電四大環節的業務需求分析，提出了面向智能電網ICT 平臺的物聯網分層體系架構，并將物聯網與現有電力通信網的性能進行了對比。在此基礎上，針對智能電網生產環節提出了基于無線傳感器網絡的應用方案；針對智能用電環節的感知互動性需求，具體分析了面向智能用電以及智能電網互動化的物聯網解決方案。
1 面向智能電網的物聯網架構分析多年來，盡管國內電力行業在通信技術方面做了大量工作，對電網自動化水平的提高發揮了巨大作用。然而，面向下一代智能電網，現有電力信息通信平臺仍然遠不能滿足其內在需求。因此，必須從戰略高度重視新型信息通信網絡體系結構的研究與試驗工作，構建安全、可靠、穩定、適用、快速的智能電網ICT 平臺。
從總體目標上看，面向智能電網的ICT 平臺應當是高度集成的開放式通信系統。它在覆蓋范圍上應涵蓋電源、電網、用戶的全流程，形成統一整體；在業務環節上應覆蓋電網建設、生產調度、電能交易、技術管理的全方位；在管理控制上應貫穿電網規劃、設計、建設、運行維護、技術改造、退役的全過程；在數據流傳送上應包括信息采集、信息傳輸、信息集成、信息展現、決策應用等各階段，最終形成電力流、信息流、業務流的高度融合和一體化。智能電網ICT 平臺除了為電網安全、穩定、經濟、優質和高效運行提供全方位技術支撐外，還將為綠色節能環保、資源最優化配置、防災減災等方面提供堅強的技術支持。
1.1 面向智能電網的物聯網應用框架由于現有電力通信網在數據的終端采集上存在大量盲區，如對高壓輸電線路狀態監測多采用人工巡檢，無法實現線路的實時監控；系統自愈、自恢復能力完全依賴于實體冗余；對客戶的服務簡單、信息單向；系統內部存在多個信息孤島，缺乏信息共享；雖然局部的自動化程度在不斷提高，但由于信息的不完善和共享能力的薄弱，使得系統中多個自動化系統是割裂的、局部的、孤立的，不能構成一個實時的有機統一整體，所以整個電網的智能化程度還不夠高。
針對目前電力通信網中存在的諸多問題搭建面向智能電網的物聯網應用框架，其實質是利用物聯網搭建的支撐全面感知、全景實時的通信系統，將物聯網的環境感知性、多業務和多網絡融合性有效地植入智能電網ICT 平臺中，從而掃除數據采集盲區，清除信息孤島，實現實時監控、雙向互動的智能電網通信平臺。
面向智能電網的物聯網結合電網各大環節的應用需求，確立了智能輸電、智能變電、智能配電和智能用電四大應用模塊，從四大模塊的應用需求側出發搭建電力綜合信息平臺，面向上層的信息處理和應用，信息平臺數據庫作為信息處理的有效載體，緊密結合云計算技術，以實現泛在數據的實時處理分析，通過對海量信息的有效處理實現包括對輸電線路、變電站設備、配電線路及配電變壓器的實時監測和故障檢修，統一調配電力資源，實現與用戶的信息雙向互動，進而實現高效、經濟、安全、可靠和互動的智能電網內在要求。
針對下層的信息采集和傳輸，面向智能電網的物聯網應用框架在感知延伸互動階段，利用大面積、高密度、多層次鋪設的傳感器節點、RFID 標簽以及多種標識技術和近距離通信手段實現電網信息的全面采集，針對各個環節的不同特點和技術要求，分別在電力輸、變、配、用四大環節搭建傳感網絡，同時結合多種近程通信技術，通過數據的大量采集提高信息的準確性，為智能電網的高效節能、供求互動提供數據保障。在信息傳輸階段，以電力通信網作為信息傳輸通道，利用光纖或寬帶無線接入方式傳輸輸電線路信息、變電站設備狀態信息、電力調配信息以及居民用電信息，實現對全網信息的實時監控。
1.2 面向智能電網的物聯網分層網絡架構面向智能電網的物聯網應用功能框架根據各大環節的不同特點提出了不同的應用需求。根據不同階段完成功能和支撐技術的差異，結合物聯網基本網絡模型，將面向智能電網的物聯網分為感知延伸層、網絡層和應用層三層網絡體系架構。
（1）感知延伸層感知延伸層的監測目標包括與電力環節相關的電力對象、家居對象和智能安防等其他對象。電力對象的感知范圍涵蓋輸、變、配、用四大環節中的氣象環境、設備狀態信息以及用戶用電信息；家居對象的感知則涵蓋家庭水熱電表和遠程操控的智能家電；而其他對象則包含各種負責安防監控的傳感器、攝像頭、RFID標簽等短距離通信設備。從感知對象上采集到的信息經過一定的分類和預處理，通過無線自組織傳感網、紅外通信、現場總線等多種短距離通信手段接入感知終端和互動終端，在終端設備上體現感知數據并實現與用戶的交互式操作。 （2）網絡層網絡層又分為接入網和核心網。首先，感知終端和互動終端的信息通過網關屏蔽各網絡之間的差異，按數據類別和安全等級分別傳至電力接入專網和互聯網。電力接入專網主要包括電力光纖接入網和寬帶無線接入網，通過電力接入專網與電力核心網互聯，對采集數據進行實時、可靠地回傳；互聯網側包含以太網、ADSL、3G、xPON 等多種接入方式。
（3）應用層應用層針對智能電網各項業務的需求，搭建各種電力應用平臺。各應用平臺系統在通過傳感手段獲得的大量數據的基礎上提供更加細膩的管理和控制。另外，應該在現有電力應用平臺的基礎上搭建新型感知互動平臺，電網企業通過這個平臺與社會用戶進行相互的感知與互動。感知互動平臺與電力核心網之間的連接必須是在內外網相互隔離條件下，有強有力安全措施保障的間接互聯，因此，圖中對二者的相連選取了虛線連接，意為一種虛擬的、物理隔離條件下的互聯。
面向智能電網的物聯網平臺相較于現有電力通信網，在環境感知性、自愈性、互動性和安全性等方面都具有較大優勢，而這些優勢無疑是現有電網向著信息化、自動化和互動化的智能電網邁進的根本保障。
表1 物聯網平臺與現有電力通信網的性能比較2 面向智能電網的物聯網應用方案2.1 面向智能電網生產環節的傳感器網絡應用方案面向智能電網的物聯網應用，其目的首先在于提高電力系統生產環節的信息化與自動化程度。這類應用的實現主要依托于物聯網末端的無線傳感器網絡，應用場景主要包括高壓輸電線路、變電站一、二次設備尤其是一次設備的在線監測等應用，通過對線路與設備運行狀態的連續感知及趨勢預測，提高電網的安全水準，降低電網的運行成本；也包括像配電網自動化及用電信息采集等電網需求側通信的應用。由于以上這些應用對通信的實時性要求不高，而通信節點數量龐大，非常適合采用低成本、低功耗和小型化的無線傳感器網絡技術。由大量的傳感器節點自主形成一個多跳網絡，實現物與物之間的直接通信。節點的較高密度分布使得監測數據能夠滿足一定的精度要求。每個傳感器節點采集的信息數據經無線傳感器網絡傳至網關節點，由于網關節點包含數據采集模塊、數據處理和控制模塊、通信模塊和供電模塊等，因此可自動進行數據的分類，選擇合適的預處理方式，對視頻信息、氣象信息、線路及設備的運行狀態信息進行集中分類和數據融合，這樣可以大大減少數據通信量，減輕網關節點的轉發負擔，減少節點能量消耗。但由于網關節點的處理能力有限，它所采集的數據在傳感器網絡內只能進行粗粒度的處理，因此信息數據必須傳至智能電網ICT 分析處理平臺進行細粒度的處理分析，根據處理情況發送命令，做到故障的及時發現和解決。
底層為部署在實際監測環境中的傳感器、智能終端、RFID 標簽等輸入、輸出實體，向上依次為無線傳感器網絡、網關節點、接入網和核心網，最終連接至智能電網ICT 平臺分析處理系統。無線傳感器網絡利用感知延伸終端的網絡節點采集輸電、變電和配電環節中的設備狀態信息、線路狀態信息、氣象環境信息和配用電一體化信息，將采集的數據匯聚至網關節點，網關節點將分類預處理后的數據信息傳至接入網，進而統一進入電力通信核心網。傳感數據通過電力通信專網發送至后臺數據處理中心進行信息的統一分類、分析和處理，數據經分析處理后由ICT 平臺發出相關指令，按相同方式逆向傳輸至終端網絡節點，實現對全網的實時監測和故障處理。
面向智能用電的物聯網解決方案智能電網的用戶除了包括居民用戶、工商業大用戶等傳統型用戶外，還將包括電動汽車充電系統等新型用戶。
在傳統型用戶的智能用電物聯網應用中主要的連接對象是用戶的智能雙向電表。電網企業根據用電性質與場合的不同選用不同功能的智能雙向電表，對用戶實現電能計量、電能質量監測、竊電檢測等多種應用（如表2 所示）。通過智能雙向電表終端設備的引入，全方位采集用戶用電信息，實現從大用戶到普通居民用戶的全方位負荷監測與管理。智能電表通過傳感器網絡、電力線載波通信（PLC）或現場總線，再通過電力接入網和傳輸網，將電表數據上傳至用電信息采集等應用平臺。
另外，在智能用電中有一支較為重要的應用是電動汽車充電系統，在國家電網的推動下正在逐步實現。電動汽車充電設施的物聯網應用除了傳統用戶的電能計量與監測外，還包括對充電站設施的監控、對充電車輛電池狀態的監控以及對充電車輛的調度等。第一，充電站設施的監測包括充電車位監測、充電狀態監測、視頻監測、安防監測和煙霧報警等；第二，通過在電動汽車、動力電池、充電設備中設置傳感器和RFID 系統，可以實時感知電動汽車運行狀態、動力電池使用狀態等；第三，在電動汽車動力電池中置入RFID 標簽，當充電車輛駛入充電設施時，充電設施處的RFID 閱讀器能夠感知當前電動汽車電池電量剩余情況。充電設施將需要等待充電的車輛數目和充電設施內的剩余充電車位，通過物聯網上報給調度指揮中心，由調度指揮中心協調就近的充電設施，同時將就近充電設施的行使線路提供給等待充電的車主，避免車主的長時間等待。物聯網技術使電動汽車實現高質、快速的充電，是智能電網應用的一個重要組成部分。
2.3 智能電網互動化的物聯網解決方案互動性作為智能電網的另一個重要特征，在智能用電環節上體現得尤為明顯。而感知作為物聯網的基本特性，除利用多種手段實現泛在的物體感知外，還必須充分利用互聯網和移動通信的資源實現人與物、物與物之間無所不在的連接與互動。作為智能電網互動性的集中體現，智能用電肩負著與用戶建立密切、負責的交互關系，實現供需互動的重任。因此，相對于輸電線路、無人值守變電站和配電網自動化系統，面向智能用電的ICT 平臺要求區域更廣、業務更多的感知與互動。這種感知與互動的開放性和智能電網安全通信的要求是矛盾的，也只有解決了這一矛盾，才能真正找到面向智能電網的物聯網應用模式。
如本文第2 節所述，從解決智能電網ICT 平臺的網絡安全性和開放性的矛盾出發，結合智能用電環節的應用需求，制定面向智能用電的物聯網解決方案。該方案在現有用電信息采集等電力應用平臺的基礎上搭建新型感知互動平臺，電網企業通過這個平臺與社會用戶進行相互的感知與互動。
與智能電表數據采集不同的是，智能家居設備的監控需要社會用戶的參與。這就需要社會用戶既能通過移動通信和互聯網隨時隨地地用智能終端訪問智能家居設備，又能隨時隨地地了解電網企業的分時電價水平和自己家庭的電力負荷分布情況，進而進行精細的用能管理。如圖4 所示，方案中將照明裝置、水電氣三表、供暖設施以及相應的智能家居設備通過星型、樹形、網狀等多種無線組網方式接入網關， 網關將采集到的數據信息通過3G/ADSL/以太網/xPON 等多種通信方式接入互聯網。電網企業搭建的智能電網感知互動平臺也接在互聯網上，社會用戶可通過手機等移動終端登錄感知互動平臺進行電價和家庭用電情況的查詢、統計等處理。
應用于智能用電系統的物聯網方案中特別設計了安全網閘以實現用電信息采集平臺和感知互動平臺的信息抽取與推送。安全網閘類似于一個單刀雙向高速電磁開關，并配有高速大容量緩存區，兩個平臺僅與緩存區進行數據交換而不直接相連，可以實現在兩個平臺進行信息交互的基礎上，電力專網與互聯網在任何時刻的完全隔離，從而有效提高了智能電網的安全性指標。
本方案從電網與用戶感知互動的網絡開放性角度出發，利用互聯網搭建與用戶交互的感知互動平臺，可充分調動社會資源，大大提高各大網絡運營商與終端設備廠商積極性，提升普通居民用戶的節電積極性，從而調動起最廣泛的社會力量參與到全面感知、有效互動的面向智能電網的物聯網建設中來。通過搭建智能電網感知互動平臺，利用互聯網實現智能家居控制，不但有利于智能用電理念在廣大居民用戶中的推廣，而且充分利用了現有的互聯網資源，有效節約了構建智能配用電一體化平臺的經濟成本。更重要的是，在安全網閘的隔離保護下，電網企業將用戶用電信息向感知互動平臺進行智能推送，不但滿足了用戶實時掌握用電信息的需求，實現普通居民感知電網的愿望，而且也全面樹立了電網企業的社會形象，從而真正達成雙向的感知與互動，促進了電網建設向著透明、開放、安全的目標邁進。
3 結束語雖然當前智能電網的概念尚未統一，但是利用先進的通信、信息技術提高電網的智能化程度已經成為一種共識。因此，構建通暢、高速、安全、可靠的ICT 平臺是電網智能化的根本保障和必然趨勢。本文充分考慮了智能電網的特性需求，提出了構建面向智能電網的物聯網解決方案，該方案不僅考慮了對現有電力通信網的集成，而且利用物聯網的優勢，在感知終端實現了對電網信息的全方位采集；在信息傳遞中實現了多種組網方式的異構融合和協同工作；在后臺信息處理時利用多種后臺分析手段實現對海量數據的合理分類、篩選、分析和處理；從而推動了自愈、安全、交互、協調、兼容的智能電網的早日實現。構建面向智能電網的物聯網平臺是一項長期的工程，需要電網信息化程度的不斷提高和物聯網標準化工作的不斷推進。將物聯網融入到智能電網ICT 平臺的建設中，既要立足眼前現實，又要兼顧發展前景；既要滿足近期需求，又要適應未來發展。