物联网应用案例-智能电网概述

第十四章

物联网应用案例-智能电网魏旻重庆邮电大学Contents01.智能电网网概述02.智能电网网体系架架构03.智能电网网典型案案例：核核心网络络04.智能电网网典型案案例：智智能电表表05.智能电网网典型案案例：家家庭网络络本章学习习要点1.什么是智智能电网网？2.智能电网网体系架架构如何何？3.智能电网网中的输输电配电电是怎样样的？4.智能电网网在家庭庭中有哪哪些应用用？物联网应应用案例例-智能电网网01智能电网网概述传统能源源日渐短短缺和环环境污染染问题日日益严重重是人类类社会持持续发展展所面临临的最大大挑战。。各种低低碳技术术的大规规模应用用主要集集中在可可再生能能源发电电和终端端用户方方面，使使传统电电网的发发电侧和和用户侧侧特性发发生了重重大改变变，并给给输、配配电网的的发展和和安全运运行带来来了新的的挑战。。在这样样的发展展背景下下，智能电网网的概念念应运而生生，并在在全球范范围内得得到广泛泛认同，，成为世世界电力力工业的的共同发发展趋势势。智能电网网背景物联网应应用案例例-智能电网网智能电网网概述传统能源源日益短缺缺和环境污染染日趋严重重等问题题使得世世界各国国纷纷大大力发展展环境友友好的新能源，以减少少对传统统能源的的依赖性性，减少少因能源源需求对对环境的的污染，，确保社社会和经经济的可可持续发发展。风风能及太太阳能是是公认的的可规模模化开发发和利用用的一类类新能源源。然而而，由于于以风能能及太阳阳能为代代表的新新能源具具有随机机性和间间歇性特特征，大大量新能能源电力力集中或或分布接接入电网网，必然然会对传传统电力力系统的的安全性性及可靠靠性产生生各种不不利影响响。传统电力力系统结结构仅适用于于接入具具有可控控且集中中发电特特征的电电源，并并经过输输电及配配电环节节将电力力从电源源端输送送到终端端负荷用用户。大大量新能能源电力力集中或或分布接接入电网网后，其其具有的的随机性性和间歇歇性特征征导致新新能源电电力的不不可控性性及波动动性，从从而使得得传统电电力系统统无法适适应大量量新能源源接入的的需求。。电网只有有具有智智能化后后，才能满满足大量量新能源源集中或或分布式式接入的的需要，，并确保保系统的的安全性性及可靠靠性需求求。由此此提出了了从传统电网网转变为为智能电电网的需需求。智能电网网的定义义物联网应应用案例例-智能电网网智能电网网概述欧盟智能电网特别工作组

美国能源部

中国国家电网公司智能电网网利用数数字化技技术改进进电力系系统的可可靠性、、安全性性和运行行效率可以智能能化地集集成所有有接于其其中的用用户的行行为和行行动，保保证电力力供应的的可持续续性、经经济性和和安全性性。目前国际际范围尚未形成成统一的的智能电电网定义义。国际组组织和一一些国家家性组织织从智能能电网采采用的主主要技术术和具有有的主要要特性的的角度对对其进行行了描述述以特高压压电网为为骨干网网架、各各级电网网协调发发展的坚坚强网架架为基础础，以通通信信息息平台为为支撑，，具有信信息化、、自动化化、互动动化特征征，包含含电力系系统的发发电、输输电、变变电、配配电、用用电和调调度六大大环节，，涵盖所所有电压压等级，，实现““电力流流、信息息流、业业务流””的高度度一体化化融合，，具有坚坚强可靠靠、经济济高效、、清洁环环保、透透明开放放和友好好互动内内涵的现现代电网网。美国强调了数数字化技技术在智智能电网网中的重重要作用用，认为为现代数数字化技技术和新新能源技技术的结结合是智智能电网网发展的的动力，，也是带带动新型型产业发发展、增增加就业业的机遇遇，而这这正是美美国发展展智能电电网的驱驱动力之之一；欧洲主要强调调了对Prosumer的服务和和管理，，原因在在于欧洲洲分布式式能源和和电动汽汽车发展展迅速，，配电网网面临巨巨大的压压力和挑挑战，这这是欧洲洲发展智智能电网网的最主主要驱动动力之一一。中国由于电力力工业仍仍处在快快速发展展时期，，国家电电网公司司强调在在增强电电网智能能化水平平的同时时，需要要建设坚坚强的输输电网，，并强调调各级电电网协调调发展。。关于智智能电网网性能的的描述，，三方基基观点相相近，建设经济济、环保保、安全全、高效效的新型型电网，是中美美欧发展展智能电电网的共共同追求求。常用术语语物联网应应用案例例-智能电网网核心电网网：包含由发发电到配配电的网网络。包包括初级级和次级级变电站站。邻居区域域网络(NAN)：是指变电电站到家家庭之间间的网络络。它包包括集中中器和智智能电表表。家庭网络络(HAN)：家庭网络络包括智智能家电电，家庭庭能源控控制器（（HEC）等。物联网应应用案例例-智能电网网02智能电网网体系架架构智能电网网体系架架构电网智能能化的基基础是信信息交互互，借用用美国标标准技术术委员会会(NIST)智能电网网工作组组发布的的智能电电网信息息交互模型型，描述如下智能电网网体系架架构智能电网网的主要要技术要要求具有坚强强的电网网基础体体系和技技术支撑体系系能够抵御御各类外外部干扰扰和攻击击，能够够适应大大规模清清洁能源源和可再再生能源源的接入入，电网网的坚强强性得到到巩固和和提升。。柔性交/直流输电电、网厂厂协调、、智能调调度、电电力储能能、配电电自动化化等技术术的广泛泛应用，使电网网运行控控制更加加灵活、、经济，，并能适适应大量量分布式式电源、、微电网网及电动动汽车充充放电设设施的接接入。实现实时时和非实实时信息息的高度度集成、、共享与与利用，为运行管管理展示示全面、、完整和和精细的的电网运运营状态态图，同同时能够够提供相相应的辅辅助决策策支持、、控制实实施方案案和应对对预案。。信息技术术、传感感器技术术、自动动控制技技术与电电网基础础设施有有机融合合，可获取取电网的的全景信信息，及及时发现现、预见见可能发发生的故故障。故故障发生生时，可可以快速速隔离故故障，实实现自我我恢复，，从而避避免大面面积停电电的发生生。通信、信信息和现现代管理理技术的的综合运运用，将大大大提高电电力设备备使用效效率，降降低电能能损耗，，使电网网运行更更加经济济和高效效。建立双向向互动的的服务模模式，用户可以以实时了了解供电电能力、、电能质质量、电电价状况况和停电电信息，，合理安安排电器器使用；；电力企企业可以以获取用用户的详详细用电电信息，，为其提提供更多多的增值值服务。。123456智能电网网体系架架构为了支撑撑电力流流、信息息流和业业务流高高度融合合，构建建以信息息化、自自动化、、数字化化、互动动化为特特征的统统一坚强强智能化化电网，，美国电气气与电子子工程师师协会(IEEE)和美国国国家标准准技术研研究院(NIST)联合制定定了智能能互动电电网的标标准和互互通原则则(简称IEEEP2030))，提出基于物联联网的智智能电网网参考架架构物联网应应用案例例-智能电网网03智能电网网典型案案例：核核心网络络基于智能能电网的的配电自自动化物联网应应用案例例-智能电网网基于智能能电网的的配电自自动化配电自动动化系统统层次结结构图配电自动动化系统统最突出出的一个个优点是是：它具具有非常常好的灵灵活性，，变电站站在初期期建设的的过程中中可以使使用中型型配电自自动化系系统，而而且可以以装设与与之相应应的主站站、子站站和终端端等。当当需要扩扩展配电电系统的的时候，，可以在在目前主主站系统统的基础础上增加加数量，，再将其其中一个个主站作作为该系系统的中中心站。。通过不不同的层层次结构构，系统统主要分分成三个个层次：主站自动动化系统统、子站自动动化系统统以及终端系统统自动化化。根据实实际需要要可以将将第二层层以下结结构进行行适当的的扩展。。基于智能能电网的的配电自自动化主站自动化系统配电主站系统：当主前置服务器发生故障的时候，系统能够自动配置一台代替服务器，在一定程度上可以有效保证系统的稳定运行配电应用软件子系统：为使系统满足技术发展要求，必须通过联机调试来测试系统故障恢复的能力配电管理系统：分析与显示电力设备空间的定位数据，与此同时也能够分析相应的属性资料。子站自动化系统配电系统中需要监控很多电气设备，其中与配电主站直接关联的设备监控难度比较大，所以必须通过中间级进行监控，而中间级就是配电子站系统。配电子站的主要功能是采集数据以及监控系统。除此之外，还可以实时监控传输到配电主站的通信处理器内的实时数据。终端系统自动化对于城市配电系统来说，其终端系统自动化的功能主要是：实时监控系统中的各类设备，它不但需要完成遥测、遥控以及遥调的功能，还必须识别和控制系统出现的故障，通过配合主站和子站，检测和优化电力系统的实时运行状态，而后重新构造网络隔离故障。基于物联联网的输输电线路路在线监监测系统统物联网应应用案例例-智能电网网基于物联联网的输输电线路路在线监监测系统统符合智能能电网要要求的输输电线路路状态信信息至少少、应当当包括基基础信息息、运行行信息、、灾害预预警信息息和环境境监视信信息4个方面，如下表表所示：：类别子类内容基础信息

台账信息、地理信息、管理信息运行管理日常管理

实时情况缺陷信息、故障信息、隐患信息

载流能力、导线温度、接头温度、孤垂情况、外绝缘情况、风偏情况、荷载情况灾害预警

雷电预警、强对流天气预警、冰灾预警、台风预警环境监测

微气象监测、山火监测、人为破坏情况监测基于智能能电网的的配电自自动化检测系统统的基本本结构应用系统统层：由多个单单独的应应用系统统组成，，每个单单独的应应用系统统反映线线路运行行状况的的一个方方面数据中心心层：将上层各各独立应应用系统统的数据据集成起起来，进进行统一一管理、、集中处处理、综综合分析析，实现现多系统统的数据据融合。。数据应用用层：将基于实时时监测数数据建立立输电线线路的虚虚拟现实实模型，，并利用用三维平平台构建建线路关关键点的的虚拟现现实对象象，实现现监测系系统的可可视化。。基于物联联网的输输电线路路在线监监测系统统检测系统统的通信信方式为了保证证通信通通道的可可靠性和和鲁棒性性，考虑虑采用光光纤复合合架空地地线OPGW冗余的纤纤芯中的的4根组成通通信系统统两变电站站间的同同步数字字体系（（SDH）设备光纤自愈愈环网拓拓扑结构构+=光纤交换换机作为为现场OPGW接入装置置，通过过多个光光纤交换换机级联联组成OPGW通信系统统环网提供以太太网方式式的100M的数据接接入服务务，对于没没有OPGW接续盒的的杆塔则则采用无无线Wi-Fi的方式进进行数据据中继基于云计计算的智智能电网网信息平平台物联网应应用案例例-智能电网网基于云计计算的智智能电网网信息平平台基于云计计算的智智能电网网信息平平台的体体系结构构基础设施施层:是经虚拟拟化后的的硬件资资源和相相关管理理功能的的集合,通过虚拟拟化技术术对计算算机、存存储设备备与网络络设备等等硬件资资源进行行抽象,实现内部部流程自自动化与与资源管管理优化化。平台层:是具有通通用性和和可重用用性的软软件资源源的集合合,为云应用用提供软软件开发发套件与与应用编编程接口口等开发发测试环环境，Web服务器集集群、应应用服务务器集群群与数据据库服务务器集群群等构成成的运行行环境,以及管理理监控的的环境。。业务应用用层:是云上应应用软件件的集合合,对于智能能电网信信息平台台而言,这些软件件包括电电力安全全生产与与控制、、电力企企业经营营管理和和电力营营销与市市场交易易等领域域的业务务软件,以及经营营决策智智能分析析等智能能分析软软件。服务访问问层:作为一种种全新的的商业模模式,云计算以以IT即服务的的方式提提供给用用户使用用,包括基础础即服务务（IaaS）、平台台即服务务(PaaS)和软件即即服务(SaaS),,能够在不不同应用用级别上上满足电电力企业业用户的的需求。。基于云计计算的智智能电网网信息平平台智能电网网状态监监测云计计算平台台的设计计采用廉价价的服务务器集群群，以降低低成本借助虚拟拟机实现现资源的的虚拟化化,提高设备备的利用用率因为机器器故障率率大,因此采用用分布式式的冗余余存储系系统来存存储数据据,保证数据据的可靠靠性因为数据据量极大大,且可靠性性和实时时性要求求高，不不采用传传统的关关系数据据库,而采用基基于列存存储的数数据管理理模式,来支持大大数据集集的高效效管理。。因为智能能电网需需要在状状态数据据基础上上进行各各种电力力系统计计算与应应用，所所以提出出基于MapReduce的状态数数据并行行处理系系统,可以为状状态评估估、诊断断与预测测提供高高性能的的并行计计算能力力以及通通用的并并行算法法开发环环境物联网应应用案例例-智能电网网04智能电网网典型案案例：智智能电表表智能电网网典型案案例：智智能电表表智能电表与中央SCADA应用之间信息交互内容细节动态定价负荷曲线断路器驱动对计量故障关闭和延迟报警重设在断路重新开启之前的通信延时SCADA应用从智能电能表接收到的数据每小时功耗的价格（每千瓦的价格）启动报警历史报警日志电源电池剩余寿命电量数据断路器状态智能电表参数如编号，制造商，电表类型等智能电表额外提供的公共事业类的服务跟踪电表的位置，自动检测在低压网络上的变化，自动将数据上传至新加入的电表中。网格监控，可以用于电网监控。实时报告附近停电状况，进行故障定位的能力提供任一相位上的负载曲线给网络工程师，以减少消耗与压降电表通过过增加新新的特性性使得其其功能大大大增强强，新的的电表不不需要像像很久以以前的电电表一样样，计量量管理需需通过定定期对每每个电表表进行人人工读数数。智能电表表第一个个增强的的特性为为自动抄抄表智能能电表进进一步为为电表增增加更多多的高级级功能，，例如电电能质量量监测和和故障报报告的感感知，从从而有了了先进计计量基础础设施（（AMI）的概念念。智能电表表将在未未来进行行大规模模部署，，并实现现支持范范围广泛泛的服务务，如实实时功耗耗，可在在任何给给定的时时间内最最大数量量的改变变功率的的能力，，打开和和关闭电电源的能能力，停停电自动动检测，，等等。。物联网应应用案例例-智能电网网05智能电网网典型案案例：家家庭网络络用电信息息采集系系统物联网应应用案例例-智能电网网用电信息息采集系系统是建建设智能能电网的的物理基础础，其应用用高级传传感、通通信、自自动控制制等技术术，实现现数据采采集、数数据管理理、电能能质量数数据统计计、线损损统计分分析，及及时采集集、掌握握用户用用电信息息，发现现用电异异常情况况，对电电力用户户的用电电负荷进进行监测测和控制制，为实实现阶梯梯电价、、智能费费控等营营销业务务策略提提供了技技术支持持。用电信息息采集系系统基于物联联网的智智能用电电信息采采集系统统总体架架构主站系统统：通过光纤纤、TD-SCDMA、电力宽宽带无线线等与集集中器通通信，实实现一个个供电区区域或整整个供电电企业配配网信息息的实时时采集与与管理集中器：：负责主站站和智能能采集网网关之间间的数据据交互，，是本系系统的枢枢纽装置置采集网关关：主要负责责电能信信息采集集和电表表控制，，并负责责与智能能电表、、集中器器、家庭庭智能互互动终端端之间的的通信，，同时也也可作为为自动中中继转发发器使用用智能电表表：用于电能能计量以以及通过过无线传传感网络络，实现现与采集集网关的的通信，，能够对对有功、、无功电电能进行行双向计计量；在在特定情情况下，，智能电电表也可可直接与与集中器器通信，，作为复复合通信信模式的的备用方方式，在在这种情情况下要要在集中中器中内内嵌无线线传感通通信模块块。智能电网网家庭综综合能源源管理系系统物联网应应用案例例-智能电网网智能家庭庭综合能能源管理理系统是是需求侧侧管理的的重要依依托。系系统中智能电表表、智能显示示终端、智能插座座等设备组组成的家家庭网络络，能够够支持分分布式能能源、电电动汽车车等系统统或设备备的接入入和计量量，家用用电器智智能控制制，综合合家庭能能耗监测测和能源源优化管管理等功功能。智能电网网家庭综综合能源源管理系系统智能电表表功能单相智能能电表及及相关辅辅助设备备是家庭庭能源管管理系统统中高级级量测与与控制的的核心。。其功能能设计如如下图所示智能电网网家庭综综合能源源管理系系统智能显示示终端功功能框架架图面向电网网公司，，通过RS485、短距离离无线，，智能显显示终端端可与智智能电能能表、智智能手持持终端通通信。在在户内，，通过短短距无线线等方式式，与智智能插座座、水气气表等设设备通信信。基于智能能