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物聯網與智能電網的應用

[日期:2014-06-30] 來源:  作者:林培煥 [字體: ]

建設智能電網離不開物聯網應用物聯網技術將進一步助力智能電網的實現,如設備狀態的預測和調控,資產全壽命周期管理的輔助決策,電網與用戶間的智能互動等。

物聯網是指“物物相連的互聯網”,通過傳感器射頻識別、全球定位系統等技術,采集任何被測物的聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種信息,并通過各類可能的網絡接入,實現物與物、物與人的廣泛連接,實現被測物的智能化感知、識別、交互和管理。物聯網可應用于軍事、智能交通、智能電網、數字家庭、食品安全、旅游服務、城市公共管理、現代物流、生產制造、醫療健康等多個領域。

智能電網與物聯網作為具有重要戰略意義的高新技術和新興產業,已引起世界各國的高度重視,我國政府不僅將物聯網、智能電網上升為國家戰略,并在產業政策、重大科技項目支持、示范工程建設等方面進行了全面部署。應用物聯網技術,智能電網將會形成一個以電網為依托,覆蓋城鄉各用戶及用電設備的龐大的物聯網絡,成為“感知中國”的最重要基礎設施之一。智能電網與物聯網的相互滲透、深度融合和廣泛應用,將能有效整合通信基礎設施資源和電力系統基礎設施資源,進一步實現節能減排,提升電網信息化、自動化、互動化水平,提高電網運行能力和服務質量。智能電網和物聯網的發展,不僅能促進電力工業的結構轉型和產業升級,更能夠創造一大批原創的具有國際領先水平的科研成果,打造千億元的產業規模。

一、物聯網的基本架構

融合智能電網應用的物聯網主要分為感知層、網絡層和應用層。

感知層包括感知控制子層和通信延伸子層。感知控制子層是對物理世界感知、識別、信息采集的各類傳感器。通信延伸子層是將物理實體聯接到網絡層和應用層的通信終端模塊或延伸網絡。智能電網通過感知控制子層實現各環節電氣量、非電氣量、微環境等信息的采集,并通過通信延伸子層接入物聯網的網絡層。

網絡層包括接入網和核心網,實現感知層與應用層間信息的傳遞、路由和控制。鑒于智能電網對數據安全、傳輸可靠性及實時性的嚴格要求,物聯網的信息傳遞、匯聚與控制主要依托電力專用通信網實現,在不具備條件或特殊條件下也可借助公網。

應用層包括應用基礎設施/中間件和各種應用。應用基礎設施/中間件是實現信息存儲、計算的基礎設施,為各種應用提供技術支撐。應用層通過先進的信息分析處理技術實現電網智能化的決策、控制和服務。

 二、智能電網中的物聯網應用

 物聯網技術將進一步助力智能電網的實現,如設備狀態的預測和調控,資產全壽命周期管理的輔助決策,電網與用戶間的智能互動等

 利用物聯網技術,通過在常規機組內布置各種傳感器掌握機組運行狀態,包括各種技術指標與參數,可提高常規機組運行維護水平;通過在壩體部署壓力傳感器群監測壩體變形情況,規避水庫調度風險;通過各類氣象傳感器實時采集風電場、光伏發電廠的風速、風向、溫度、濕度、氣壓、降雨、輻射等微氣象信息,實現新能源發電的監控和預測。

利用物聯網技術,通過各類傳感器監測輸變電設備的微氣象環境、線路覆冰、導線微風振動幅度、導線溫度與弧垂、輸電線路風偏、桿塔傾斜度、圖像視頻、絕緣子污穢度等信息,與電網運行信息進行融合、分析,及時發現并消除缺陷,提高電網運行水平。

利用物聯網技術,通過在桿塔、輸電線路或重要設備上部署各種傳感器,實現目標識別、侵害行為的有效分類和區域定位,提高電力設備全方位防護水平。

利用物聯網技術,通過傳感器監測電力現場作業人員、設備、環境等方面信息,實現智能化互動,減少誤操作風險和安全隱患,提高作業效率和安全性。

利用物聯網技術,能及時獲知用戶側需求,有助于實現智能用電雙向交互服務、智能家居、家庭能效管理、分布式電源接入以及電動汽車充放電,提高供電可靠性和用電效率,并為節能減排提供技術保障。

利用物聯網技術,通過傳感器實時感知電動汽車運行狀態、電池使用狀態、充電設施狀態以及當前網內能源供給狀態并進行綜合分析,實現對電動汽車、電池、充電設施、人員及設備的一體化集中管控、資源的優化配置。

利用物聯網技術,通過各類傳感器監測電力設備的全景狀態信息,評估設備狀態并預估壽命,為周期成本最優提供輔助決策等功能,實現電力資產全壽命周期管理,提高電網運行水平、管理水平。

國家“十二五”規劃中,物聯網被正式列為國家重點發展的戰略性新興產業之一。智能電網和物聯網的深度融合發展不僅能加強電廠、電網以及用戶間的互聯互動,提高電網信息化、自動化、互動化水平,也將使生活更智能、更節能,極大提升生活品質。

選擇物聯網作為智能電網的監控,主要是解決電網的穩定性、實施控制這塊的工作,做的特點,物聯網我們著重軟件和計算技術,從智能電網方面,我們著重于廣域智能電網的監控。

互聯網,就是計算機和人的相連;物聯網不僅是人,包括了家電等,范圍很大。從通訊網絡,到軟件系統,到物理系統的實施控制,物聯網典型的一個運用就是電力物聯網,就等于智能電網。

社會需求,大家給出了定義,我們一句話:物聯網是集傳感、通信、網絡、計算、控制技術為一體的數物復合型系統。智能電網要完成海量信息測量與通信管理、系統辨識和預警,實時閉環控制的協調與優化,事故后及時自愈。

物聯網的分層結構。除了有傳感器,還有執行器和控制器,從軟件角度和計算角度,我們更強調中間件的工作,所以,中間件我們列出了這樣的架構,除了傳統的網絡和網格系統,比如說以數據中心為核心,以分析、決策為核心,以傳感器連接的節點和用戶連接的終端軟件為核心。現在要跟物理系統聯系在一起。云計算的角度是數據中心怎么樣把數據更好地提供給用戶。

三、智能電網應用物聯網的幾大特性

1)智能電網是自愈電網

 "自愈"指的是把電網中有問題的元件從系統中隔離出來,并且在很少或不用人為干預的情況下,可以使系統迅速恢復到正常運行狀態,從而幾乎不中斷對用戶的供電服務。從本質上講,自愈就是智能電網的免疫系統。這是智能電網最重要的特征。

 自愈電網進行連續不斷地在線自我評估,以預測電網可能出現的問題,發現已經存在的或正在發展的問題,并立即采取措施加以控制或糾正。

 自愈電網確保了電網的可靠性、安全性、電能質量和效率。

 自愈電網將盡量減少供電服務中斷,充分應用數據獲取技術,執行決策支持算法,避免或限制電力供應的中斷,迅速恢復供電服務。

 基于實時測量的概率風險評估將確定最有可能失敗的設備、發電廠和線路;實時應急分析將確定電網整體的健康水平,觸發可能導致電網故障發展的早期預警,確定是否需要立即進行檢查或采取相應的措施;和本地和遠程設備的通信將幫助分析故障、電壓降低、電能質量差、過載和其他不希望的系統狀態,并于這些分析,采取適當的控制行動。

 自愈電網經常應用連接多個電源的網絡設計方式。

 當出現故障或發生其他問題時,在電網設備中先進的傳感器確定故障并和附近的設備進行通信,以切除故障元件或將用戶迅速地切換到另外可靠的電源上,同時傳感器還有檢測故障前兆的能力,在故障實際發生前,將設備狀況告知系統,系統就會及時地提出預警信息。

 2)智能電網激勵和包容用戶

 在智能電網中,用戶將是電力系統不可分割的一部分。鼓勵和促進用戶參與電力系統的運行和管理是智能電網的另一重要特征。

 從智能電網的角度來看,用戶的需求完全是另一種可管理的資源,它將有助于平衡供求關系,確保系統的可靠性;從用戶的角度來看,電力消費是一種經濟的選擇,通過參與電網的運行和管理,修正其使用和購買電力的方式,從而獲得實實在在的好處。

在智能電網中,用戶將根據其電力需求和系統滿足其需求的能力,來調整、平衡其消費。

 同時將滿足用戶在能源購買中有更多選擇的基本需求,減少或轉移高峰電力需求的能力,通過降低線損和減少效率低下的調峰電廠的運營,使電力公司盡量減少資本開支和運營開支,同時也提供了大量的環境效益。

 在智能電網中,與用戶建立雙向實時的通信系統是實現鼓勵和促進用戶積極參與電力系統運行和管理的基礎。實時通知用戶其電力消費的成本、實時電價、電網目前的狀況、計劃停電信息,同時用戶也可以根據這些信息制自己的電力使用的方案。

 3)智能電網具有抵御攻擊的能力

 電網安全性的全系統解決方案,擬在增強電網的抗攻擊能力。電網經常受到物理攻擊和網絡攻擊,該方案要求電網能夠從供電中斷故障中快速恢復供電。智能電網將展示被攻擊后快速恢復的能力,甚至是對那些決心堅定和裝備精良的攻擊者發起反擊。

電網安全性的全系統解決方案使智能電網的設計和運行具有阻止攻擊的能力,最大限度地降低損失和快速恢復供電服務。智能電網也能同時承受對電力系統幾個部分的攻擊和在一段時間內多重協調的攻擊。

智能電網的安全策略包含威懾、預防、檢測、反應,以盡量減少和減輕對電網的影響。面對重大威脅信息,不管是物理攻擊還是網絡攻擊,智能電網都能通過加強電力企業與政府之間的密切溝通,在電網規劃中強調安全風險,加強網絡安全,提高智能電網抵御風險的能力。

4)智能電網提供滿足21世紀用戶需求的電能質量

 電能質量指標包括電壓偏移、頻率偏移、三相不平衡、諧波、閃變、電壓驟降和突升等。

 用電設備的數字化對電能質量越來越敏感,電能質量問題可以導致生產線的停產,對社會經濟發展造成重大的損失;因此,提供能滿足21世紀用戶需求的電能質量,是智能電網的又一重要特征。

 但是電能質量問題又不是電力公司一家的問題,因此需要制定新的電能質量標準,對電能質量進行分級,因為并非所有的商業企業用戶和居民用戶都需要相同的電能質量。

 電能質量可以從"標準""優質"進行分級,這取決于消費者的需求。它將在一個合理的價格水平上平衡負載的敏感度與供電的電能質量。

 智能電網將以不同的價格水平提供不同等級的電能質量,以滿足用戶對不同電能質量水平的需求,同時要將優質優價寫入電力服務的合同中。

 智能電網將減輕來自輸電和配電系統中的電能質量事件。通過先進的監控電網基本元件,快速診斷并準確地提出解決任何電能質量事件的方案。

 此外,智能電網的設計還要考慮減少由于閃電、開關涌流、線路故障和諧波源引起的電能質量的擾動,同時應用超導材料、儲能以及改善電能質量的電力電子技術的最新研究成果來解決電能質量的問題。

 另外,智能電網將采取技術和管理手段,使電網免受由用戶的電子負載所造成的電能質量的影響,將通過監測和執行相關的標準,限制用戶負荷產生的諧波電流注入電網。除此之外,智能電網將采用適當的濾波器,以防止諧波污染送入電網,惡化電網的電能質量。

 5)智能電網容許各種不同類型發電和儲能系統接入

 智能電網將安全、無縫地容許各種不同類型的發電和儲能系統接入系統,簡化聯網的過程,類似于"即插即用",這一特征對電網提出了嚴峻的挑戰。改進的互聯標準將使各種各樣的發電和儲能系統容易接入。

 各種不同容量的發電和儲能在所有的電壓等級上都可以互聯,包括分布式電源如光伏發電、風電、先進的電池系統、即插式混合動力汽車和燃料電池。

 商業用戶安裝自己的發電設備(包括高效熱電聯產裝置)和電力儲能設施將變得更加容易和更加有利可圖。在智能電網中,大型集中式發電廠(包括環境友好型電源,如風電、大型太陽能電廠和先進的核電廠)將繼續發揮重要的作用。

 加強輸電系統的建設,使這些大型電廠仍然能夠遠距離輸送電力。同時各種各樣的分布式電源的接入一方面減少對外來能源的依賴,另一方面提高供電可靠性和電能質量,特別是對應對戰爭和恐怖襲擊具有重要的意義。

 6)智能電網會促使電力市場蓬勃發展

 在智能電網中,先進的設備和廣泛的通信系統在每個時間段內支持市場的運作,并為市場參與者提供了充分的數據,因此電力市場的基礎設施及其技術支持系統是電力市場蓬勃發展的關鍵因素。

 智能電網通過市場上供給和需求的互動,可以最有效地管理如能源、容量、容量變化率、潮流阻塞等參量,降低潮流阻塞,擴大市場,匯集更多的買家和賣家。

 用戶通過實時報價來感受到價格的增長從而將降低電力需求,推動成本更低的解決方案以及新技術的開發,新型潔凈的能源產品也將給市場提供更多選擇的機會。

 7)智能電網使運行更加高效

 智能電網優化調整其電網資產的管理和運行,以實現用最低的成本提供所期望的功能。這并不意味著資產將被連續不斷地用到極限,而是有效地管理需要什么資產以及何時需要,每個資產將和所有其他資產進行很好的整合,以最大限度地發揮其功能,同時降低成本。

 智能電網將應用最新技術以優化其資產的應用。例如,通過動態評估技術使資產發揮其最佳的能力,通過連續不斷地監測和評價其能力,使資產能夠在更大的負荷下使用。

 8)智能電網高速通信在線監測

 智能電網通過高速通信網絡實現對運行設備的在線狀態監測,以獲取設備的運行狀態,在最恰當的時間給出需要維修設備的信號,實現設備的狀態檢修,同時使設備運行在最佳狀態。系統的控制裝置可以被調整到降低損耗和消除阻塞的狀態。通過對系統控制裝置的調整,選擇最小成本的能源輸送系統,可以提高運行的效率。最佳的容量、最佳的狀態和最佳的運行將大大降低電網運行的費用。

 

    此外,先進的信息技術將提供大量的數據和資料,并將集成到現有的企業范圍的系統中,大大加強其能力,以優化運行和維修過程。這些信息將為設計人員提供更好的工具,創造出最佳的設計,為規劃人員提供所需的數據,從而提高其電網規劃的能力和水平。

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