近兩年，物聯網受到廣泛關注，雖然學術界對于物聯網的定義在某種程度上還未完全達成一致，大部分學者認為物聯網是通過RFID技術、無線傳感器技術以及定位技術等自動識別、采集和感知獲取物品的標識信息、物品自身的屬性信息和周邊環境信息，借助各種信息傳輸技術將物品相關信息聚合到統一的信息網絡中，并利用云計算、模糊識別、數據挖掘以及語義分析等各種智能計算技術對物品相關信息進行分析融合處理，最終實現對物理世界的高度認知和智能化的決策控制。

    隨著全球社會經濟的發展，用電需求不斷增加，電網規模不斷擴大，影響電力系統安全運行的不確定因素和潛在風險也隨之增加，而用戶對電力供應的安全可靠性和質量要求越來越高，電力發展所面臨的資源和環境壓力越來越大，市場競爭迫使電力經營者不斷提高企業運營效率，21世紀初智能電網在歐美的發展，為全世界電力工業在安全可靠、優質高效、綠色環保等方面開辟了新的發展空間。智能電網提供了一種激勵環境：電能消費者和第三方資產的合作，這種合作利用電網設施來控制費用和改善供電的可靠性，啟發人們隨時隨地參與進來；通過實時共享電網的必要數據信息供大家利用，寬帶通信的信息網絡使信息共享成為現實；智能電網為實現供需合作提供盈利的機會和工具，通過高速、先進的分布式控制和電子商務應用來實現實時數據的顯示和提交。智能電網建設是全球在能源領域的重要戰略部署，美國、歐洲等國家都針對智能電網建設制訂了戰略規劃，我國也在智能電網建設上投入大量精力，制訂了詳細的戰略發展規劃。物聯網應用于智能電網最有可能實現原創性突破、占據世界制高點的領域。智能電網建設將逐步推動我國電力基礎生產模式的改變，定位于利用先進的通信、信息和控制技術，構建以信息化、自動化、互動化為特征的國際領先、自主創新、中國特色的智能電網，是電力行業的發展方向。智能電網的實現，首先依賴于電網各個環節重要運行參數的在線監測和實時信息掌控，基于此，物聯網作為“智能信息感知末 梢”，可成為推動智能電網發展的重要技術手段。

    1 面向智能電網應用的物聯網網絡結構

    圖1描述了物聯網應用與智能電網生產過程的全程監測網絡架構。物聯網技術應用于智能電網生產過程監測，能夠解決的主要問題有：輸電線路在線監測、設備全方位防護、現場作業管理、戶外設施防盜等。底層的終端設備完成智能電網的信息獲取與匯集、數據融合處理與傳輸功能。圖2描述了物聯網應用于智能電網用戶服務的網絡架構。針對智能電網用戶服務，物聯網技術主要應用于智能家電傳感網絡系統、智能家居系統、無線傳感安防系統、用戶用能信息采集系統等，主要硬件設備包括智能交互終端、智能交互機頂盒、智能插座等。該系統與外部的通信主要通過電力線通信(PLC)、電力復合光纖到戶(PFTTH)、無線寬帶通信等通信方式相結合的寬帶通信平臺來實現。智能交互終端是實現家庭智能用戶服務的關鍵設備，其通過利用先進的信息通信技術，對家庭用電設備進行統一監控與管理，對電能質量、家庭用電信息等數據進行采集和分析，指導用戶進行合理用電，調節電網峰谷負荷，實現電網與用戶之間智能用電。此外，通過智能交互終端，可為用戶提供家庭安防、社區服務、互聯網服務等增值。

圖1 面向智能電網生產應用的物聯網架構

圖2 面向智能電網用戶服務應用的物聯網架構

    筆者認為面向智能電網應用的物聯網應當主要包括感知層、網絡層和應用服務層。感知層主要通過無線傳感網絡、RFID等技術手段實現對智能電網各應用環節相關信息的采集；網絡層以電力光纖網為主，輔以電力線載波通信網、無線寬帶網，實現感知層各類電力系統信息的廣域或局部范圍內的信息傳輸；應用服務層主要采用智能計算、模式識別等技術實現電網信息的綜合分析和處理，實現智能化的決策、控制和服務，從而提升電網各個應用環節的智能化水平。

    面向智能電網的物聯網將具有多元化信息采集能力的底層終端部署于監測區域內，利用各類儀表、傳感器、RFID射頻芯片對監測對象和監測區域的關鍵信息和狀態進行采集、感知、識別，并在本地匯集，進行高效的數據融合，將融合后的信息傳輸至中間一層的網絡接入設備；中間層網絡接入設備負責底層終端設備采集數據的轉發，負責物聯網與智能電網專用通信網絡之間的接入，保證物聯網與電網專用通信網絡的互聯互通。在物聯網中，網絡設備之間的數據鏈路可采用多種方式并存的鏈路連接，并依據智能電網的實際網絡部署需求，調整不同功能網絡設備的數量靈活控制目標區域/對象的監測密度和監測精度，以及網絡覆蓋范圍和網絡規模。

    近來，物聯網技術的發展突飛猛進，在網絡架構、工作機制、傳輸協議等方面已具備較成熟的理論體系。面向智能電網的物聯網從技術方案的角度來講，網絡功能仍集中于數據的采集、傳輸、處理三個方面，其技術特點總結如下：

    1) 數據采集傾向于更多新型業務。由于寬帶接入技術的支持，物聯網應用不局限于數據量的限制，在未來的大規模應用中可以提供更多的數據類型業務，如重點輸電線路監測防護、大規模實時雙向用電信息采集。
    2) 網內協作模式的數據傳輸。以網內節點的協作互助為基本方式，解決數據傳輸問題。以各種成熟的接入技術為物理層基礎，從MAC層以上，通過多模式接入、自組織的路由尋址方式、傳輸控制、擁塞避免等技術實現節點協作數據傳輸模式。
    3) 網內數據融合處理技術。物聯網不僅僅是一個向用戶提供物理世界信息的傳輸工具，同時還在網絡內部對節點采集數據進行融合處理，是一個具有高度計算能力和處理能力的云計算信息加工廠，用戶端得到的數據是經過大量融合處理的非原始數據。

    2 面向智能電網的物聯網信息聚合技術 

    2.1 物聯網信息聚合技術簡介

    物聯網信息聚合技術是在傳輸數據的同時對數據進行處理，傳輸與融合并行。數據在由采集終端到用戶終端的傳輸過程中，完成了復雜的信息處理流程，而具體的信息處理方法則根據不同的網絡應用需求進行設計和實現。

    網內協作模式的信息聚合以網內節點的協作互助為基本方式，解決物聯網的數據傳輸問題，通過協作模式補償傳感器節點能力和能量受限的問題。目前，對于信息聚合技術的研究從技術手段上來看可分為兩個陣營：空間策略的信息聚合和時間策略的信息聚合。

    物聯網中邊傳輸邊處理的總體信息聚合策略決定了網絡層路由“以數據為中心”的特點，如何選擇適合信息處理的最佳傳輸路徑，數據流相遇時是否應該進行融合處理，不同的拓撲結構中如何選擇最優聚合點，是數據聚集的空間策略所解決的主要問題。顯而易見，數據聚集的空間策略與網絡的拓撲結構、數據傳輸路徑存在非常緊密的聯系。基于層次的分簇網絡是一種適合于網內信息處理的網絡結構，在分簇結構的路由協議中，簇首節點則是理想的數據聚合點，所有的簇內節點都會將本地采集到的數據發送給簇首節點。而且簇成員節點因為地理位置比較接近，相關性比較大，數據冗余度相對較高，適宜在簇內進行數據處理以消除冗余。另一種數據收集方法是采用樹狀的網絡結構，以數據融合相關參數為路由啟發，生成最優化路由，在數據傳輸過程中，進行數據融合。提出一種以鄰居節點之間的數據相關度為選路標準，便于相關度較高的節點進行數據合并壓縮，降低傳輸能量消耗的路由算法。對大數據量的感知信息在路由過程中的融合處理考慮了融合代價問題，即融合處理和直接轉發在能量上的權衡，對數據在傳輸過程中最優化的聚合點和聚合條件做出詳細的決策依據。

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    數據聚集的時機控制決定中間節點合并下游節點傳來數據的最優時機，以及對本地數據、轉發數據、合并數據的發送需要等待時間的長短等。關于聚集時機的選擇有很多種方案。文獻[9]提出一種周期性簡單的聚合時機控制方法，節點等待一個規定的固定長度的時間，對已經接收到的數據執行數據聚合，然后向下一跳發送聚合后的數據包。文獻[10]根據節點在拓撲結構中的位置，確定數據聚合的時機，距離匯聚節點近的節點等待時間長，距離匯聚節點遠的節點等待時間短，所有節點的等待時間形成一種級聯效應，即處于同一層次的節點，其數據聚合時機相同。這種選擇方法在保證數據準確性及時延的情況下，可以使所有傳感器節點采集的數據在沿已知路徑回傳時, 最大程度地聚合, 有效節省了傳感器網絡的能量。但是，這種選擇機制有可能造成很多節點采集的大量數據幾乎同時到達匯聚節點，即使有的節點距離匯聚節點很近，其數據也不能快速回傳，在數據回傳時延較大的情況下，不能快速響應用戶，所以聚合時機的選擇要根據網絡對時延的要求等情況確定。 

    2.2 面向智能電網的信息聚合技術優勢

    面向智能電網的物聯網中，由信息聚合技術帶來的直接收益主要體現在以下兩個方面：

    1) 從面向智能電網的物聯網網絡結構來看，數據經過大量底層的采集和感知設備層層聚集，傳輸到匯聚設備，這種網絡數據流量分布特性稱為“漏斗效應”。網絡規模越大，數據流量越多，“漏斗”的瓶頸壓力也就越大，發生阻滯和擁塞的可能性也越大，將會嚴重影響網絡性能。在智能電網的實際應用中，位置相近的傳感器節點采集到的環境信息往往具有較高的相似性，重復的發送冗余信息會造成嚴重的額外消耗，因此，將具有較高相關度的多個感知設備信息先進行合并處理，得到高質量數據再進行發送將會減小網絡中傳輸的數據總量，節省網絡帶寬。網內信息聚合技術針對底層節點龐大的數據流量，隨著網內處理和數據匯聚程度的增加，保證基本信息不丟失的前提下，降低數據總量、減小網絡冗余、提高網絡性能。
    2) 網內信息聚合技術對原始采集數據進一步包裝整合。將大量的信息處理和計算移植到物聯網內部進行，從而簡化對用戶端的設備要求，用戶側可以使用更加低端和簡易的設備感知信息的讀取和應用。網內信息聚合技術使智能電網具有更高級、更完善的信息處理能力，監測現場的感知信息將更易理解，高度契合智能化的信息需求。網內信息融合技術還擴展了單個感知小區內數據的連通性，通過協同工作的工作模式，感知設備之間信息交互，能夠進行數學計算，得到網絡管理、移動性管理、業務管理、數據傳輸等優化結果，輔助上層的業務操作、傳輸選路、用戶決策等。

    2.3 物聯網的數據融合

    數據融合是物聯網信息聚合技術中必不可少的部分，面向智能電網的物聯網實現的不僅僅是感知數據的采集與透明傳輸，網絡在實時、可靠地傳輸數據的同時，在原始采集數據采集的基礎上，網絡內部進行了大量數據融合工作，傳輸到管理平臺的感知信息將是從海量的、可能是雜亂的、難以理解的原始數據中抽取并推導出的對于特定的智能電網管理者來說具有價值、具有意義的處理后數據。

    網內數據融合處理與智能電網的應用模式密切相關，涉及到多種數據處理功能。針對不同信息獲取需求，選擇不同的數據融合功能，從而滿足對于特定應用場景的需求。按照操作對象的特點，網內數據融合分為數據級、特征級、融合級、表示級。

    1) 數據級處理。包括數據存儲和數據備份等。采集的數據可以選擇性地進行分布式或者中央集控式的存儲，在網內數據處理中，處理的結果可以實時傳輸到終端用戶，也可以進行數據備份，制作歷史記錄以備查詢。
    2) 特征級處理。包括特征提取、數據分類、數據排序、數據篩選等。同一個模擬信息源有不同特征的提取方法，根據不同的應用場景選擇需要提取的特征，利用提取的不同數據特征，可以把采集的數據按不同需求整理分類，按數據屬性、數據包長度、數據內容等多種規則進行分類，通過篩選，有針對性地將有用信息提取出來，屏蔽不需要的數據。
    3) 融合級處理。包括數據關聯、數據變換、數據合并、數據加密等。關聯分析的目的是找出數據中隱藏的關系，用多個數據協同表示物體的特性，或按照關聯規則進行數據項的合并。考慮到智能電網的安全問題，應對敏感數據以加密格式進行存儲和傳輸。
    4) 表示級處理。包括數據重構、數據表示、壓縮編碼等。提取網內數據的結構描述，根據需求通過相應的映射函數對數據結構進行轉換，按照特定的編碼機制用少量的數據位元或其它信息相關單位表示信息，針對不同的數據特征可以采用數據壓縮算法。

    3 智能電網系統中的信息聚合解決方案 

    3.1 配變電智能監測物聯網主要功能

    智能電網中配變電環節占據生產過程的極大比重，針對配變電網的電力設備監測是保障電網安全運行的必要工作，是智能電網建設的重要內容。由于配變電設備分布點多面廣，且大部分曝露在室外，易受設備老化、天氣及人為破壞等因素影響而引發故障，必須針對各種電力設備日常運行過程中的設備運行參數、設備狀態異常、設備破損、性能降低等項目進行監測和記錄，并在各種隱患發生前采取應對措施，避免電網設備出現故障。配用電環節的信息通信技術在智能電網發、輸、變、配、用、調度等環節的通信中處于相對薄弱環節，亟待加強。尤其隨著我國電網規模的擴大，配變電電力設備數量及異動量迅速增多且運行情況復雜，迫切需要以物聯網技術為手段，實現智能電網的信息化、智能化，進一步提升工作效率。

    智能電網配變電監測系統的主要功能如下：
    1) 監測電力設備運行環境和狀態信息。部署在配變電設備上的傳感器節點能夠精確采集運行環境和設備狀態信息，代替人工觀測，提供更準確的檢測結果，提高工作質量。
    2) 為電力設備狀態檢修提供輔助手段。通過實時監測設備運行環境和狀態信息，便于進行設備故障的早期診斷，提高配變電設備預防故障發生的能力。 
    3) 提供標準化作業指導功能。在傳感器節點上集成射頻識別功能，存儲設備自身的相關信息(設備履歷、巡視標準作業指導書等)，在現場作業過程中，提供給現場人員，有利于現場作業指導和后續數據統計。
    4) 對現場工作人員的定位功能。通過射頻識別對巡查人員進行定位，監督規范巡查人員按預定路線行進，避免設備漏檢。

    3.2 配變電設備監測物聯網的信息聚合方案

    基于物聯網技術的智能電網配變電設備監測系統的網絡架構，如圖3所示。該系統的網絡實體包括傳感器節點、固定sink節點和移動sink節點。

    其中，傳感器節點部署于配變電設備的安全部位，負責獲取并采樣電力設備的運行狀況以及電力設備周圍環境的信息，并具有基本的運算控制和數據處理能力。另外，為實現設備管理和監督巡查路線的功能，部署于巡查路線旁側的傳感器節點上需加載RFID標簽。傳感器節點可通過配置多種不同的傳感模塊，獲知多種類型 的狀態信息，針對配變電環節的電力設備監測，最基本的感知信息類型有：

圖3 基于物聯網技術的智能電網配變電設備監測系統信息聚合方案

    1) 設備自身的溫度信息。設備的運行溫度是表征設備是否正常的一個重要參數，為保證設備安全運行，特別是避免過熱導致熱損老化，必須對相關線路和設備的溫度進行監測。
    2) 設備運行環境的濕度信息。潮濕條件可能引起凝露形成，引發設備放電漏電，因此，必須對設備運行環境的濕度情況進行監測。
    3) 設備的震動信息。設備的缺陷故障或隱患通常通過設備的異常震動表現出來，及時有效發現設備的異常震動能夠確保設備健康良好運行。
    4) 設備的泄漏電流信息。變電站避雷器投入運行后隨著動作次數的增加和工作時間的延長會導致泄漏電流的增加，而這種劣化是離散的、不確定的，表征避雷器是否正常的主要參數是總泄漏電流、阻性泄漏電流和泄漏電流的三次諧波分量，所以，必須對泄漏電流進行監測，在其劣化到發生事故前進行更換，以避免事故的發生。

    移動sink節點通過搭載智能機器人或由工作人員隨身攜帶，用于電力設備的日常維護和巡查。當移動sink節點在無線傳感器網絡中移動時，將主動掃描其通信范圍內的傳感器節點，獲取傳感器節點的感知數據。同時，讀取傳感器節點上RFID標簽信息，將感知數據與RFID標簽信息進行本地存儲。在移動sink節點對整個無線傳感器網絡掃描和數據采集之后，通過預留接口將數據導入后臺管理系統，從而實現全網數據的收集以及對巡查路線的監督功能。

    固定sink節點部署于配變電站內，負責緊急突發情況(如電力設備起火等)或者特定需求情況下變電站、配電站級傳感器網絡的全網信息匯聚，并通過核心網發送給遠端的后臺管理系統。在緊急狀況下，可以利用無線傳感器網絡的多跳自組織優勢，將全網數據以多跳路由方式向固定sink節點傳輸，從而迅速對每一個電力設備工作狀態信息取得全景式了解。固定sink節點具備較強的數據處理能力和完善的通信能力，負責將收集到的數據進行匯聚、聚合、處理和判決，然后將數據通過核心網接入(無線寬帶接入、TD網、WiFi或802.3無線局域網等)手段上傳至后臺管理系統。

    4 結束語

    物聯網應用于智能電網中將成為推動智能電網發展的重要技術手段，有助于解決電網各個環節重要運行參數的在線監測和實時信息掌控。而針對智能電網中需要采集、感知和識別的海量終端信息，物聯網的信息聚合技術在網絡傳輸的過程中對數據計算處理，通過數據融合方法，消除信息冗余，降低網絡傳輸數據量，避免網絡擁塞，提供更精確、全面、易理解的信息。本文針對智能電網目前相對薄弱的配用電環節提出了配變電設備監測物聯網的主要功能與信息聚合方案。