智能配电系统中电力物联网的应用综述及展望

摘要:构建泛在电力物联网作为支撑建设坚强智能电网以及能源互联网的重要内容，对保障电网弹性安全运行、实现异质能源友好接人、服务用户精细化用能具有重要意义。配电网作为电力系统连接产-销两端关键中间环节，依靠泛在电力物联网技术将提升其深度感知与精细控制能力，促使配电网由传统的“源→荷”单向供能模式向“源↔荷”双向能量流动模式转变，并赋予配电网能源数据共享、服务提供的新型角色。文章从泛在电力物联网基本概念、体系架构、典型功能、关键技术，以及泛在电力物联网在配电系统中的典型应用等方面进行综述，并对泛在电力物联网未来的发展和挑战进行讨论。

关键词:泛在电力物联网;配电网;智能电网

0、引言

配电网作为连接输电与用户的关键环节，其安全可靠运行对电力系统稳定以及用户体验的重要性不言而喻。随着“坚强智能电网”、“能源互联网”等战略部署和建设的稳步推进，配电网需要承载的功能正在发生改变。尤其是高比例分布式可再生能源集群效应凸显、电动汽车普及、异质能源系统融合、用户侧多样性用能需求增长，配电网的角色已由传统单向电能提供商向双向能量流动与gaoji服务转变。

现行配电网存在量测覆盖率低、网架结构不灵活、配网设备规模庞大但标准化程度低、间歇性能源与可变新型负荷接纳能力不足、用户多样化需求服务能力不足等诸多问题。因此，提升配电网的信息化与自动化水平，实现对配网运行状态的实时感知与精细化控制，并在此基础上向用户提供多样化差异性的用能服务成为当前配电网改造升级的当务之急。

对于配电网而言，泛在电力物联网建设将极大程度提升配网运行状态的感知能力，保障分布式能源的友好接人，提高对新型负荷的弹性承载力，满足用户多样性用能需求，促进电网运营部门向枢纽型、平台型、共享型企业转型。

1、泛在电力物联网概念

电力系统为迄今为止世界上zui复杂的人造系统。电网安全、经济、可靠运行的需求与日俱增。推进电网信息化智能化的升级已成为shijiegeguo共识。

我国国家电网有限公司在2019年1月17日明确提出打造“枢纽型、平台型、共享型”企业，建设“坚强智能电网”和“泛在电力物联网”。同年3月8日，该公司又专门召开泛在电力物联网建设部署会议,加快推进战略落地实施，提出到2024年建成泛在电力物联网。

国家电网有限公司对“泛在电力物联网”的定义:将电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备，以及人和物连接起来，产生共享数据，为用户、电网、发电、供应商和政府社会服务。以电网为枢纽,发挥平台和共享作用，为全行业和更多市场主体发展制造更大机遇，提供价值服务。泛在电力物联网将通过泛在感知、可靠通信和高性能信息处理与gaoji电力应用实现电网各环节、全电压等级的“能量流、信息流、业务流”一体化融合，提升系统安全性和运行效率。

2、泛在电力物联网体系架构与功能

作为物联网技术、大数据技术、优化运行调控技术深度融合的复杂大系统，泛在电力物联网呈现出能量流、信息流与业务流交互耦合的特征，将深刻影响未来电网的运营模式,其总体体系架构分为感知层、网络层、平台层和应用层。

2.1感知层

感知层是泛在电力物联网的“神经末梢”。其重要功能在于，采用多种类型的传感器深入设备，实现感知。感知层设备包括电网一次系统的电压电流互感器和二次系统的电能表、集中器等各类终端，以及用户侧多种多样的智能电器。通过泛在感知所获取的海量数据使控制决策单元能够获知电网各个环节运行状态,使电网在面对诸如间歇性新能源并网、随机负荷投切、电动汽车时空集群效应时，能够实时掌握系统状态，及时发现故障隐患，评估安全运行风险;同时，通过灵活调整电网拓扑，实时控制电源出力，优化用户用能模式，从而提高电网对高比例分布式新能源与新型负荷的接纳能力，强化电网应对突发故障的容灾性。

2.2 网络层

网络层的功能在于为泛在电力物联网的各类型业务提供确定的通信服务质量(，qos)以及安全的信息交互通道。网络层按安全等级与数据类型划分为内部专网和互联外网。具体的通信方式则根据实际工况、传输距离、经济成本等灵活选择，包含移动空中网、传统互联网、近距离无线传输以及近距离有线传输。其中电力线载波与230mhz无线通信为电力通信系统特有通信方式，而5g技术则是泛在电力物联网新兴应用的通信方式。

2.3平台层

平台层承载海量电网运行数据、用户侧用能数据以及其他能源系统数据的统一化存储与管理。其作用在于解决传统能源生产运行方式下存在的信息碎片化存储问题，打破信息孤岛现状，实现信息互联共享。通过搭建数据中心、云平台的方式，平台层对下完成网络层传输数据的实时收集与更新，对上则基于大数据存储与分析技术为各种特定的gaoji应用提供跨域共享数据资源，实现电力系统向电力和数据并重的发展方向转型。

2.4应用层

应用层是电力系统向枢纽型、平台型和共享型变革的外在表现。其功能在于，基于海量电网运行数据与用户侧用能大数据，并针对电网运营业务(如智能运维、电能结算、配电自动化、用户用能业务（如个性化用能推荐、电动汽车智能充电、需求侧响应）及综合能源系统运营业务（如协调规划、储能市场）等，搭建各类针对性应用平台，实现电网与用户及其他能源系统的感知互动。

3、面向配用电系统的泛在电力物联网关键技术

泛在电力物联网包含了从感知、通信、信息处理到决策控制诸多关键技术。而配电网作为连接电网与用户的桥梁，相较于电力系统其他环节更具有面向社会服务的特性。按照感知层、网络层、平台层与应用层的体系结构，并结合近年来相关研究成果对泛在电力物联网关键技术进行梳理、归类和分析。

3.1感知层关键技术

对海量智能终端的监测与控制是实现电力系统精细化调控的前提，这要求未来泛在电力物联网能够实现对电力系统的全覆盖。与输电网相比，配电网从拓扑结构到含有的电气设备都更加复杂多样，如大量分布式电源并网以及用户侧的智能家居、电动汽车等新型用电设备等，从而配电网中的监测对象更加多样,物联网终端数量以及监测数据类型都更为复杂。因此，对于配用电双方而言，为实现降本增效与互联共享，未来泛在电力物联网中传感设备必须朝向高度集成化方向发展

3.1.1新型电力物联网设备研发

为使现有配电系统向泛在电力物联网的平稳升级,新型配电终端的研发必须考虑全电力行业背景兼容，如设备尺寸、部署环境、电磁兼容等。

3.1.2底层传感器部署技术

由于配电网运行场景工况复杂，实现对底层海量配用电设备的全覆盖监测是保证泛在电力物联网对配电系统运行状态可感知可控制的首要前提。

3.2网络层关键技术

健壮、可靠的通信信道是保障泛在电力联网感知大数据汇聚和控制指令准确下发的关键。面向超大规模城市群及地区型新型城镇的配电网部署场景更加复杂多样，传统“点对点”有线通信方式由于布线成本高、实际工况复杂等限制，在使用中存在弊端,而无线自组织网络具有功耗低、部署灵活、网络抗毁性强等优点，因此“有线+无线”互补的模式将是未来泛在电力物联网网络层通信模式的发展方向。此外，为防止网络攻击风险，泛在电力物联网还应具备安全防御功能。

3.2.1底层自组网与核心通信网规划技术

配电通信系统承载着配网保护、调度自动化、生产管理、需求侧响应等多种业务的信息传输任务。不同业务对网络qos要求不同，部分电力业务的通信传输qos需求。为保证泛在电力物联网能够提供满足业务需求的网络服务，新型的网络协议如时间敏感网络技术被提出并尝试在电力通信系统中应用。同时，随着高比例清洁能源、海量电力传感器及智能配电终端的接人，泛在感知信息的数据量和呈现维度都以爆发式趋势增长。因此，对于终端数量多、带宽资源有限的底层接人网，需要设计健壮的自组网路由策略保障状态量和控制量的及时传输。对于承载qos需求迥异的多业务传输的核心骨干网络，需要在现有的电力通信系统基础上进行合理规划，提升网络健壮性和抗毁性。

3.2.2安全访问与信任控制技术

物联网技术在配电系统中的引入在提升配电网信息感知深度和广度的同时，开放性的终端接入和数据交互使得配电系统的安全可靠性受到挑战。因此，网络对终端身份的真实合法性认证、数据真实性辨别以及信息流可靠安全传输是关键。

泛在电力物联网背景下配用电环节可能存在的信息安全风险，而保证其信息安全的技术主要有以下3类。

身份认证与访问控制技术。通过对用户身份合法性与权限等级进行确认，从而实现对用户的身份认证以及限制已认证用户对系统资源的访问条件。

数据加密技术。通信双方按照约定法则对传输数据进行特殊变换(即加密算法)，并在接收方进行解密，保证数据在传输过程中的不被监听和篡改。加密方法可分为单密钥(又称专用密钥、对称密钥)、多密钥(又称非对称密钥)以及结合二者优点的混合加密算法。

安全路由技术。通过路由协议设计，保证信息从信源端发送到信宿地址的路径能够被正确发现且合法，保证任意一个合法的接收者能够验证每条信息的完整性与信息发送者身份的真实性。

3.3平台层关键技术

电网海量状态信息、用户侧用能数据以及其他关联数据(如天气、分布式能源和储能数据是配电自动化运维、全景态势感知、个性化用能推荐、综合能源协调运行等gaoji应用决策依据的来源。这些数据具有多源性、格式多样性、信息冗余度高、数据量大、隐含信息价值高但不直观的特性。因此，只有对配电系统中的海量高维数据进行数据聚合、管理与信息挖掘，才能获取更多的数据内在价值。

3.3.1数据融合技术

物联网泛在感知产生的海量多源异构数据具有高冗余性，需要采用数据融合技术以降低冗余度、减少通信量、降低数据分析难度，其在泛在电力物联网中具有重要意义。

3.3.2数据存储管理与挖掘分析技术

已有文献表明，仅对于用电信息采集系统而言，每100万居民用户每日用电信息数据便超过1tb。而未来电力系统中，大量配电终端、用电终端、综合能源系统产生的结构化、半结构化、非结构化数据将远远超过现有电力系统所能处理和承受的范围。对其中蕴含的信息进行深入挖掘分析，并可视化地呈现，对电力系统优化运行，形成技术闭环具有重要意义。

(1)大数据存储管理技术。对海量数据进行实时更新存储与管理，为进行数据挖掘分析提供物理基础与数据来源。泛在电力物联网中海量数据，若仍按照传统采集-传输-集中存储的方式，将导致数据冗余度过大、数据重复存储、资源利用率低等问题。此外，非电网内部数据(如用户侧用能数据等)的存储还涉及到对电网的安全影响问题。因此，设计适应于泛在电力物联网的大数据存储管理方案具有极高的工程应用价值。

(2)大数据挖掘分析技术。提取大数据蕴含价值,提供未来泛在电力物联网gaoji应用决策依据。然而，现阶段电网底层终端监测覆盖率不足且较为封闭，尚未实现用户侧用能大数据、其他能源系统大数据等互联共享。故泛在电力物联网概念下针对多源异构大数据的分析挖掘以支撑电网可靠运行将具有广阔应用前景和工程价值。

3.4应用层关键技术

高比例间歇性分布式能源与电动汽车等新型负荷的接入将为配用电系统带来谐波注人、潮流双向流动、频率/电压波动加剧等问题，传统电网由于感知不信息化自动化程度较低，往往采取弃风、弃光或增加备用容量等措施，导致弹性承受力不强、新能源利用率不高、投资成本过大等问题。泛在电力物联网技术的应用使电网感知运行状态、精细化调控以及用户侧和其他能源系统参与配网协调运行成为可能。

3.4.1态势感知技术

智能电网态势感知是以海量电力系统运行大数据为基础，基于环境的，动态、整体地洞悉电网运行安全风险的能力，实现对电网运行安全威胁的发现识别、理解分析、响应处置，是一系列提升电网运行智能化水平与健壮性能力的技术集合。

3.4.2主动优化运行技术

分布式能源与新型负荷的大规模接入将对配网运行安全造成冲击。其根本原因在于现有电网拓扑形式固定而调节容量有限，存在调控手段不灵活的缺点。而主动优化运行技术的应用，可从4个方面提升电网对间歇性新能源与新型负荷的接纳能力；

（1）对于电网设备而言，依托于泛在电力物联网技术实现实时计算，获取zui优运行方式;

（2）对于网架优化，利用泛在互联的通信网络对诸如有载调压变压器、分布式电源、联络线开关等进行精细化调控，灵活调整网架拓扑;

（3）对于用户侧而言，通过价格激励机制引导用户合理用能，如用能策略推荐电动汽车v2g(vehicle-to-grid)参与等，等效提高系统备用容量;

（4）对于其他能源系统设备而言，通过能量转换设备(如换热器、氢储能等)实现电能替代与存储。

4、泛在电力物联网在配网中的典型应用

配电网作为沟通输电网与用户的桥梁，在泛在电力物联网背景下，除对传统配电网业务进行智能化升级外，还将承载大量面向用户和综合能源系统的新型业务，因此需要深入研究泛在电力物联网与配电系统的融合和典型应用场景。

4.1配电网运行状态在线监测与风险评估

现阶段，配电网决策过程中信息化手段和技术支撑还不完备，电力设备存在随坏随修、随检随修的现状。然而高比例间歇性能源与新型负荷的快速增长对配电网供电可靠性与供电质量的要求越来越高。泛在电力物联网技术的应用，能够使配网系统实时感知电力设备的运行状态，评估配电网运行风险，从而及时排除故障隐患，主要表现在:

在线监测手段进一步丰富。依托于健壮的通信系统，使得原先仅能通过电气量甚至人工现场判定的故障类型能够通过多种方式辨识。

安全风险评估。对配电网历史运行数据进行聚类分析和挖掘，并利用机器学习等人工智能方法开展配电网运行状态实时风险评估，及时发现系统薄弱环节，提高供电可靠性。

4.2主动配电系统规划与综合能源协调运行

对于高度信息化、异质能源混杂的未来配电系统，现有配网规划方法将不再完全适用:

(1)就配电系统自身而言,电网与用户间的界限逐渐模糊，除了可再生能源与电动汽车等带来的诸如潮流双向流动、节点电压与频率波动等不确定性问题凸显以外，配电通信系统的健壮性同样是未来配电系统需要考虑的问题。

(2)现阶段与居民用户紧密联系的电力、交通、热力、燃气等系统均是各自独立规划，而未来配电网将作为区域能源系统的核心与枢纽，将承担诸如电、水、气、热等异质能源梯级利用、消纳与转化、协同优化运行的责任。

因此，未来需将配电系统与其他系统统一协调规划，从而满足综合能源系统在大时空范围能源配置的需求。泛在电力物联网下，配电网规划运行需具备更多的自主灵活性:

4.3用户个性化用能服务

传统配电网仅以供电为目的，用户仅作为受电端被动参与配电网运行。虽然目前已有分时电价机制以鼓励电力用户移峰填谷，优化用电方式，然而总体而言，用户参与程度低且对用户的调控水平不够精细。随着泛在电力物联网发展，物联网终端和网络深人用户侧,电力用户角色将逐步发生改变:

安装屋顶光伏电站、小型风机，具有v2g功能电动汽车的用户在一定程度上成为电能供应方。更广义地，用户侧热水器甚至用户室内空气等都可视为蓄能设备参与配电网运行。

(2)电力用户的智能终端，如智能空调、电热水器、电动汽车等蕴含丰富的用电行为信息，使得用户成为泛在电力物联网的信息提供方。

为更好地服务于用户,引导用户合理用能并提升用户参与配电网运行深度和广度，形成优化配电网运行的技术闭环，泛在电力物联网与配电系统深度融合,通过制定个性化用能服务调动电力用户参与配网优化运行的积极性。

5、安科瑞acrel-eiot能源物联网平台概述

acrel-eiot能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。 用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

6、应用场所

本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

7、组网结构