CN105024848A - 一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理*** - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，涉及一种电网信息管理***，智能电网信息管理平台的物联网体系结构，包括智能输电、智能变电、智能配电和智能用电四大应用模块；采用物联网的USN基本网络模型，USN体系结构自底向上分为五层网络体系架构：感知网、接入网、网络基础设施、中间件和应用平台，应用在高压输电线路、变电站一、二次设备尤其是一次设备的在线监测，以及配电网自动化及用电信息采集电网需求侧通信等方面。本发明将物联网有效合理地与智能电网相结合，构建智能电网信息管理平台。提高了电力***生产环节的信息化、自动化水平，满足智能电网高效经济、安全可靠和与社会感知互动的实际要求。

Description

一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***

技术领域

    本发明涉及一种电网信息管理***，特别是涉及一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***。

背景技术

     1999年美国麻省理工学院（MIT）首次提出物联网的概念。全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的特征。见文献：BATALLA E. Recommendations for situational awareness [R].Fort Lau-derdale, USA: RTBPTF, 2006 。为了扫除现有电力通信网中数据采集盲区，清除信息孤岛等诸多问题，实现实时监控、双向互动的智能电网通信管理平台，需要将物联网与智能电网有机结合，如何将物联网的环境感知性、多业务和多网络融合性有效植入智能电网通信管理平台，搭建支撑全面感知、全景实时的智能电网信息管理平台成为当前研究的新课题。同时，智能电网的建设必然产生世界上最大、最为智能、信息感知最为全面的物联网。见文献：智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术.2009,3(13):1-11。智能电网物联网平台与现有电力通信网的性能比较如表1所示。         

     表1   智能电网物联网平台与现有电力通信网的性能比较

物联网是一种新型的通信网络，能够实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的功能，在物流管理、智能建筑、安全服务、健康医疗等多个领域试点应用，收到了良好的效果和经济效益。物联网通过射频识别(RFID)、无线传感器、全球定位***、激光扫描器等信息传感设备，将任何物品与互联网相连，从而实现物与物、人与物之间的信息交互和通信。将物联网引入到新一代的智能电网通信管理平台中，利用物联网异构融合、兼容开放、自组织自愈等突出特点，重构现有电力通信网，利用无线传感器网络实现物物之间的直接通信方式，降低电网生产环节中的人工参与度，提升电网的安全系数，实现电网与社会的相互感知与互动，智能电网物联网平台的应用体系如图1所示。基于物联网技术的应用能够极大地拓宽现有电力通信网的业务范围，提高电力***的安全性和抵抗故障、抵御灾害能力，实现与用户的信息交互，最终达成智能电网节的能减排、兼容互动、安全可靠的目标要求。见文献：智能电网实现的若干关键技术问题研究[J].电力***保护与控制,2009,37(19)。

    物联网技术在电力***的发电、输电、变电、配电、用电等环节，电网建设、电网安全生产管理、运行维护、信息采集、 安全监控、计量及用户用电交互等方面具有广阔的发展，将产生巨大的经济效益和社会效益。随着我国现有电网现代化、信息化的程度不断地提高，仍然面临着一些期待解决的现实问题。为了增强电网运行效率、提高电网可靠性、降低成本、改善环境质量和减少污染排放，需要将现有的长距离输电网和配电网进行数字化升级，优化电网的运行状态，如何组建安全可靠、经济稳定、集成兼容的智能电网是解决这些问题的关键。见文献：智能电网技术综述[J].电网技术,2009,41(8):25-29。通过充分利用可靠的双向通信技术、先进的无线传感器技术和分布式计算技术，智能电网改善了电力传输和用电的效率，降低了故障停电损失，提高了电网的可靠性和安全性。尤其近些年，如何将智能电网和物联网技术有机地结合，被提升到国家经济发展的战略决策层面，成为电力发展中需要解决的重要问题。见文献：中国智能电网发展建议[J].电力***自动化,2009,33(20):23-26．传统电网完全按照发电、输电、配电、用电横向的传输方向配置，每一个业务面均由垂直多级的控制部分组成，是一个简单的刚性***。传统电网的缺陷是在数据的终端采集上存在大量盲区，***内部无法进行信息共享，造成信息是局部的、孤立的，存在多个信息孤岛。当信息采集量很大时，数据存在不一致，降低了可用性和可信度，***不能构成一个有机的统一整体。而且信息的获取及利用水平较低，信息管理也是割裂的、离散的，整个电网的现代化、智能化程度不够高，难以构成综合的业务应用。

智能电网是一项复杂的***工程，包括发电、输电、变电、配电、用电和调度的各个环节，组织构架比传统电网联系地更为紧密，可以构建起全电网的综合优化体系，实现装备最优技术经济比运行。智能电网是在大量交互式数据的基础上,实现的精细化、智能化管理,使能源资源开发、发电、输电、配电、供电、售电及用电的电网***的各个环节，进行，实现节省用电成本的目标。见文献：构建中国智能电网技术思考[J].电力***自动化,2009,33(9):1-4。主要是通过终端传感器将用户之间、用户和电网公司之间形成即时连接的智能交流、网络互动，实现数据读取的实时、高速、双向的效果，达到精确供电、互补供电、提高能源利用率、供电安全，实现节能减排的目标。

    目前我国电网的特点是统一、坚强、智能，欧美国家智能电网的特点：绿色、清洁、环保、分布式。总体说来，信息通信、智能管理与决策和数据采集控制构成了智能电网不可或缺的三个要素。 而高速、实时、双向的信息通信是智能电网首先要解决的基本要素。本发明正是基于这样的原则而提出无线传感器网络的智能电网信息管理***的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，本发明结合物联网的USN基本网络架构，对智能电网输电、变电、配电和用电四大环节，提出了智能电网通信管理平台的物联网分层体系架构，并针对智能电网生产环节提出了基于物联网终端无线传感器网络的应用方案。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，所述***包括以下构成：

智能电网信息管理平台的物联网体系结构，包括智能输电、智能变电、智能配电和智能用电四大应用模块；采用物联网的USN基本网络模型，USN体系结构自底向上分为五层网络体系架构:感知网、接入网、网络基础设施、中间件和应用平台，将感知网用于环境信息的全方位采集与传输，利用自身的通信延伸子层与感知控制子层对机械状态、环境状态以及电量信息的采集，同时将物理实体与网络层、应用层相连接；接入网由一些网关或汇聚节点组成，为感知网与外部网络或控制中心之间的通信提供基础设施；网络基础设施负责信息的传递与控制，基于后IP技术的下一代互联网（NGN），实现了多种组网方式的异构融合和协同工作；中间件由负责大规模数据采集与处理的操作计算机组成；通过物联网体系结构，搭建智能电网通信管理平台，与用户的信息双向互动；基于无线传感器网络的智能电网生产环节应用***，依托物联网终端的无线传感器网络（WSN）；无线传感网络作为智能电网信息感知末梢，是智能电网建设不可或缺的基础环节之一，无线传感器网络是由传感器节点自主形成一个多跳网络，实现物物之间的直接通信，在智能电网输、变、配、用四大环节搭建无线传感网络，应用在高压输电线路、变电站一、二次设备尤其是一次设备的在线监测，以及配电网自动化及用电信息采集电网需求侧通信等方面。

    所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，所述***在智能电网发电、输电、变电、配电、用电环节搭建无线传感网络，对发电端的能耗、炼料储能监控；并对输电端的线路监控、视频监控、导线温度、气象条件信息的采集；对变电站一、二次设备尤其是一次设备的巡检与监控；对配电设备实时监控；对于用电信息采集、远程抄表需求侧通信；监测环境的传感器、智能终端、RFID标签输入输出实体，依次为无线传感器网络、网关节点、光纤或宽带无线接入网和核心网，最终连接至基于物联网的通信管理平台分析处理中心。

 所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，所述无线传感器网络通过感知延伸终端的传感器节点，采集各环节的设备状态、线路状态、气象条件和配用电一体化信息，将这些信息数据传递到网关节点；从感知对象上采集到的信息经过分类和预处理，通过无线自组织传感器网络接入感知终端和互动终端，在终端设备上体现感知数据并实现与用户的交互式操作。

所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，所述无线传感器节点自主形成一个多跳网络，实现物物之间的直接通信；感知终端和互动终端的信息通过网关节点屏蔽各网络之间的差异， 按数据类别和安全等级分别传至电力接入网和互联网。

    所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，所述网关节点有数据采集、数据预处理、数据控制模块和通信模块四个组成部分，自动将数据进行集中分类和数据融合；网关节点的分类预处理后的数据信息传至接入网，进而统一进入核心网；通过电力接入网与电力核心网互联，对采集数据进行实时、可靠地回传；互联网侧包含以太网、ADSL、3G、xPON接入方式。

    所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，所述智能电网根据业务需求搭建物联网应用平台，通过无线传感手段获得的大量数据，发送至后台分析处理中心进行细粒度分析处理；处理后的数据再由智能电网通信管理平台发出相关指令，按相同的方式反向传输回到终端网络节点，实现对全网的实时监测监控和故障处理，提供更加科学细腻的管理和控制方案；电网企业通过这种感知互动平台与社会用户进行相互的感知与互动。

    所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，所述感知互动平台与电力核心网之间的连接是在内外网相互虚拟的、 物理隔离条件下，具有强有力安全措施保障的间接互联。

本发明的优点与效果是：

    本发明针对传统电网缺乏信息共享，信息管理割裂的不足，将物联网有效合理地与智能电网相结合，构建新一代智能电网信息管理平台。与现有电力通讯网相比较，建立了物联网USN分层体系架构。在物联网终端，提出了基于无线传感器网络的智能电网生产环节应用方案，提高了电力***生产环节的信息化、自动化水平，满足智能电网高效经济、安全可靠和与社会感知互动的实际要求，对电网重大决策和高效管理起着重大的现实意义。

附图说明

图1为现有智能电网物联网平台的应用***示意图；

图2为本发明物联网的USN体系结构框图；

图3为本发明智能电网生产环节的无线传感网络***结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明智能电网信息管理平台的物联网体系结构，根据智能电网不同环节的特点提出的不同应用需求，确立了智能输电、智能变电、智能配电和智能用电四大应用模块。根据不同阶段的完成功能和支撑技术的不同，采用物联网的USN基本网络模型。USN体系结构是按照功能层次较为清楚地定义了物联网的组成，自底向上分为五层网络体系架构:感知网、接入网、网络基础设施、中间件和应用平台，将该体系结构修改，还可以提出经过演化的物联网体系结构，如图2所示。感知网用于环境信息的全方位采集与传输，利用自身的通信延伸子层与感知控制子层对机械状态、环境状态以及有关电量信息的采集，同时将物理实体与网络层、应用层相连接；接入网由一些网关或汇聚节点组成，为感知网与外部网络或控制中心之间的通信提供基础设施；网络基础设施负责信息的传递与控制，基于后IP技术的下一代互联网（NGN），实现了多种组网方式的异构融合和协同工作；中间件由负责大规模数据采集与处理的软件组成；应用平台是实现智能电网中物联网的相关应用，以提高生产和生活的效率。通过物联网体系结构，搭建智能电网通信管理平台，能够实现与用户的信息双向互动，达到高效经济、安全可靠和互动的要求。

    基于无线传感器网络的智能电网生产环节应用***，依托物联网终端的无线传感器网络（WSN）。无线传感网络作为智能电网信息感知末梢，是智能电网建设不可或缺的基础环节之一，全方位提高智能电网各个环节的信息感知深度和广度，为智能电网“信息流、业务流、电力流”的高度融合提供技术支持。无线传感器网络就是由大量的传感器节点自主形成一个多跳网络，实现物物之间的直接通信，较高密度的节点分布使监测数据满足一定的精度要求，具有低成本、低功耗和小型化的优点，非常适合对通信的实时性要求不高，但通信节点数量庞大的场合。结合多种近程通信技术，在智能电网输、变、配、用四大环节搭建无线传感网络，应用在高压输电线路、变电站一、二次设备尤其是一次设备的在线监测，以及配电网自动化及用电信息采集等电网需求侧通信等方面，结构示意图如图3所示。在智能电网发电、输电、变电、配电、用电等环节搭建无线传感网络，主要体现在发电端的能耗、炼料储能等监控；输电端的线路监控、视频监控、导线温度、气象条件等信息的采集；变电站一、二次设备尤其是一次设备的巡检与监控；配电设备实时监控；用电信息采集、远程抄表等需求侧通信。最底层为部署在智能电网应用所涉及的发电、输电、变电、配电、用电等众多环节实际监测环境中的各类传感器、智能终端、RFID标签等输入输出实体，往上依次为无线传感器网络、网关节点、光纤或宽带无线接入网和核心网，最终连接至基于物联网的通信管理平台分析处理中心。

由于对通信实时性要求不高，而通信节点数量庞大，适合采用低成本、低功耗和小型化无线传感器网络技术。无线传感器网络通过感知延伸终端的每个传感器节点，采集各个环节的设备状态、线路状态、气象条件和配用电一体化等信息，将这些大量信息数据传递到网关节点。从感知对象上采集到的信息经过一定的分类和预处理，通过无线自组织传感器网络接入感知终端和互动终端，在终端设备上体现感知数据并实现与用户的交互式操作。大量的无线传感器节点自主形成一个多跳网络，实现物物之间的直接通信。通过连续感知及趋势预测，提高了智能电网的安全水准，降低智能电网的运行成本。无线传感器网络技术在对智能电网的检测、分析、控制起着基础性作用,提高了智能电网的可观测性。

   感知终端和互动终端的信息通过网关节点可以屏蔽各网络之间的差异， 按数据类别和安全等级分别传至电力接入网和互联网。网关节点有数据采集、数据预处理、数据控制模块和通信模块四个组成部分，能够自动将数据进行集中分类和数据融合。数据经过合适的预处理，大大减少了数据通信量，减轻了网关节点的转发负担，减少节点能量消耗。但是网关节点的处理能力有限，只能进行粗粒度的处理，分类预处理后的数据信息传至接入网，进而统一进入核心网。通过电力接入网与电力核心网互联，对采集数据进行实时、可靠地回传。互联网侧包含以太网、ADSL、3G、xPON等多种接入方式。

   智能电网根据各项业务的需求，搭建物联网应用平台，通过无线传感手段获得的大量数据，发送至后台分析处理中心进行细粒度分析处理。处理后的数据再由智能电网通信管理平台发出相关指令，按相同的方式反向传输回到终端网络节点，实现对全网的实时监测监控和故障处理，提供更加科学细腻的管理和控制方案。电网企业通过这种新型感知互动平台与社会用户进行相互的感知与互动。感知互动平台与电力核心网之间的连接必须是在内外网相互虚拟的、 物理隔离条件下，具有强有力安全措施保障的间接互联。

最底层为部署在实际监测环境中的传感器、智能终端、RFID标签等输入输出实体，往上依次为无线传感器网络、网关节点、光纤或宽带无线接入网和核心网，最终连接至智能电网通信管理平台分析处理中心。无线传感器网络通过感知延伸终端的每个传感器节点，采集输电、变电和配电各个环节的设备状态、线路状态、气象环境和配用电一体化等信息，采集到的大量数据传递到网关节点。网关节点中的数据采集、数据预处理和控制模块、通信模块自动将数据进行集中分类和数据融合。合适的数据预处理，减少了数据通信量，减轻了网关节点的转发负担，减少节点能量消耗。但是网关节点的处理能力有限，只能进行粗粒度的处理，分类预处理后的数据信息传至接入网，进而统一进入核心网，最终发送至后台数据分析处理中心进行细粒度分析处理，处理后的数据再由智能电网通信管理平台发出相关指令，按相同的方式反向传输回到终端网络节点，实现对全网的实时监测和故障处理。无线传感器网络技术在对智能电网的检测、分析、控制起着基础性作用,提高了智能电网的可观测性，在智能电网中的应用涉及发电、输电、变电、配电、用电等众多环节。

Claims (7)

1.一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，其特征在于，所述***包括以下构成：

智能电网信息管理平台的物联网体系结构，包括智能输电、智能变电、智能配电和智能用电四大应用模块；采用物联网的USN基本网络模型，USN体系结构自底向上分为五层网络体系架构:感知网、接入网、网络基础设施、中间件和应用平台，将感知网用于环境信息的全方位采集与传输，利用自身的通信延伸子层与感知控制子层对机械状态、环境状态以及电量信息的采集，同时将物理实体与网络层、应用层相连接；接入网由一些网关或汇聚节点组成，为感知网与外部网络或控制中心之间的通信提供基础设施；网络基础设施负责信息的传递与控制，基于后IP技术的下一代互联网（NGN），实现了多种组网方式的异构融合和协同工作；中间件由负责大规模数据采集与处理的操作计算机组成；通过物联网体系结构，搭建智能电网通信管理平台，与用户的信息双向互动；基于无线传感器网络的智能电网生产环节应用***，依托物联网终端的无线传感器网络（WSN）；无线传感网络作为智能电网信息感知末梢，是智能电网建设不可或缺的基础环节之一，无线传感器网络是由传感器节点自主形成一个多跳网络，实现物物之间的直接通信，在智能电网输、变、配、用四大环节搭建无线传感网络，应用在高压输电线路、变电站一、二次设备尤其是一次设备的在线监测，以及配电网自动化及用电信息采集电网需求侧通信等方面。

2.    根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，其特征在于，所述***在智能电网发电、输电、变电、配电、用电环节搭建无线传感网络，对发电端的能耗、炼料储能监控；并对输电端的线路监控、视频监控、导线温度、气象条件信息的采集；对变电站一、二次设备尤其是一次设备的巡检与监控；对配电设备实时监控；对于用电信息采集、远程抄表需求侧通信；监测环境的传感器、智能终端、RFID标签输入输出实体，依次为无线传感器网络、网关节点、光纤或宽带无线接入网和核心网，最终连接至基于物联网的通信管理平台分析处理中心。

3. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，其特征在于，所述无线传感器网络通过感知延伸终端的传感器节点，采集各环节的设备状态、线路状态、气象条件和配用电一体化信息，将这些信息数据传递到网关节点；从感知对象上采集到的信息经过分类和预处理，通过无线自组织传感器网络接入感知终端和互动终端，在终端设备上体现感知数据并实现与用户的交互式操作。

4.根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，其特征在于，所述传感器节点自主形成一个多跳网络，实现物物之间的直接通信；感知终端和互动终端的信息通过网关节点屏蔽各网络之间的差异， 按数据类别和安全等级分别传至电力接入网和互联网。

5.    根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，其特征在于，所述网关节点有数据采集、数据预处理、数据控制模块和通信模块四个组成部分，自动将数据进行集中分类和数据融合；网关节点的分类预处理后的数据信息传至接入网，进而统一进入核心网；通过电力接入网与电力核心网互联，对采集数据进行实时、可靠地回传；互联网侧包含以太网、ADSL、3G、xPON接入方式。

6.    根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，其特征在于，所述智能电网根据业务需求搭建物联网应用平台，通过无线传感手段获得的大量数据，发送至后台分析处理中心进行细粒度分析处理；处理后的数据再由智能电网通信管理平台发出相关指令，按相同的方式反向传输回到终端网络节点，实现对全网的实时监测监控和故障处理，提供更加科学细腻的管理和控制方案；电网企业通过这种感知互动平台与社会用户进行相互的感知与互动。

7.   根据权利要求6所述的一种基于无线传感器网络的智能电网信息管理***，其特征在于，所述感知互动平台与电力核心网之间的连接是在内外网相互虚拟的、 物理隔离条件下，具有强有力安全措施保障的间接互联。