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第十四章物联网应用案例-智能电网魏旻重庆邮电大学Contents01.智能电网概述02.智能电网体系架构03.智能电网典型案例：核心网络04.智能电网典型案例：智能电表05.智能电网典型案例：家庭网络本章学习要点1.什么是智能电网？2.智能电网体系架构如何？3.智能电网中的输电配电是怎样的？4.智能电网在家庭中有哪些应用？物联网应用案例-智能电网01智能电网概述传统能源日渐短缺和环境污染问题日益严重是人类社会持续发展所面临的最大挑战。各种低碳技术的大规模应用主要集中在可再生能源发电和终端用户方面，使传统电网的发电侧和用户侧特性发生了重大改变，并给输、配电网的发展和安全运行带来了新的挑战。在这样的发展背景下，智能电网的概念应运而生，并在全球范围内得到广泛认同，成为世界电力工业的共同发展趋势。智能电网背景物联网应用案例-智能电网智能电网概述传统能源日益短缺和环境污染日趋严重等问题使得世界各国纷纷大力发展环境友好的新能源，以减少对传统能源的依赖性，减少因能源需求对环境的污染，确保社会和经济的可持续发展。风能及太阳能是公认的可规模化开发和利用的一类新能源。然而，由于以风能及太阳能为代表的新能源具有随机性和间歇性特征，大量新能源电力集中或分布接入电网，必然会对传统电力系统的安全性及可靠性产生各种不利影响。传统电力系统结构仅适用于接入具有可控且集中发电特征的电源，并经过输电及配电环节将电力从电源端输送到终端负荷用户。大量新能源电力集中或分布接入电网后，其具有的随机性和间歇性特征导致新能源电力的不可控性及波动性，从而使得传统电力系统无法适应大量新能源接入的需求。电网只有具有智能化后，才能满足大量新能源集中或分布式接入的需要，并确保系统的安全性及可靠性需求。由此提出了从传统电网转变为智能电网的需求。智能电网的定义物联网应用案例-智能电网智能电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利用数字化技术改进电力系统的可靠性、安全性和运行效率可以智能化地集成所有接于其中的用户的行为和行动，保证电力供应的可持续性、经济性和安全性。目前国际范围尚未形成统一的智能电网定义。国际组织和一些国家性组织从智能电网采用的主要技术和具有的主要特性的角度对其进行了描述以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节，涵盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，具有坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放和友好互动内涵的现代电网。美国强调了数字化技术在智能电网中的重要作用，认为现代数字化技术和新能源技术的结合是智能电网发展的动力，也是带动新型产业发展、增加就业的机遇，而这正是美国发展智能电网的驱动力之一；欧洲主要强调了对Prosumer的服务和管理，原因在于欧洲分布式能源和电动汽车发展迅速，配电网面临巨大的压力和挑战，这是欧洲发展智能电网的最主要驱动力之一。中国由于电力工业仍处在快速发展时期，国家电网公司强调在增强电网智能化水平的同时，需要建设坚强的输电网，并强调各级电网协调发展。关于智能电网性能的描述，三方基观点相近，建设经济、环保、安全、高效的新型电网，是中美欧发展智能电网的共同追求。常用术语物联网应用案例-智能电网1.核心电网：包含由发电到配电的网络。包括初级和次级变电站。2.邻居区域网络(NAN)：是指变电站到家庭之间的网络。它包括集中器和智能电表。3.家庭网络(HAN)：家庭网络包括智能家电，家庭能源控制器（HEC）等。物联网应用案例-智能电网02智能电网体系架构智能电网体系架构电网智能化的基础是信息交互，借用美国标准技术委员会(NIST)智能电网工作组发布的智能电网信息交互模型，描述如下能量管理系统市场聚合物零售商能源市场交易所ISO/RTO参与者运营RTO/ISO调度计划RTOSCADA输电调度计划输电SCADA配电调度计划资产管理需求响应量测数据管理系统配电SCADA计量系统服务机构公共服务机构用户信息系统计费系统第三方供应方调度管理零售能源供应商用户信息系统计费系统家庭/建筑管理者聚合器其他部件能量管理系统能量管理系统广域测量系统市场服务接口设备控制系统发电机规模发电数据收集器变电站控制器变电站设备电力储存现场设备分布式发电配电能源服务接口计量单位用户设备用户能量管理系统电动车辆分布式发电自动调温器电力储能电气设备英特网/电子商务企业总线企业总线企业总线英特网/电子商务现场网络楼宇网络输电信息网络领域领域网关参与方跨领域通信路径通信路径广域网变电所局域网用户智能电网体系架构智能电网的主要技术要求具有坚强的电网基础体系和技术支撑体系能够抵御各类外部干扰和攻击，能够适应大规模清洁能源和可再生能源的接入，电网的坚强性得到巩固和提升。柔性交/直流输电、网厂协调、智能调度、电力储能、配电自动化等技术的广泛应用，使电网运行控制更加灵活、经济，并能适应大量分布式电源、微电网及电动汽车充放电设施的接入。实现实时和非实时信息的高度集成、共享与利用，为运行管理展示全面、完整和精细的电网运营状态图，同时能够提供相应的辅助决策支持、控制实施方案和应对预案。信息技术、传感器技术、自动控制技术与电网基础设施有机融合，可获取电网的全景信息，及时发现、预见可能发生的故障。故障发生时，可以快速隔离故障，实现自我恢复，从而避免大面积停电的发生。通信、信息和现代管理技术的综合运用，将大大提高电力设备使用效率，降低电能损耗，使电网运行更加经济和高效。建立双向互动的服务模式，用户可以实时了解供电能力、电能质量、电价状况和停电信息，合理安排电器使用；电力企业可以获取用户的详细用电信息，为其提供更多的增值服务。智能电网体系架构为了支撑电力流、信息流和业务流高度融合，构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的统一坚强智能化电网，美国电气与电子工程师协会(IEEE)和美国国家标准技术研究院(NIST)联合制定了智能互动电网的标准和互通原则(简称IEEEP2030)，提出基于物联网的智能电网参考架构物联网应用案例-智能电网03智能电网典型案例：核心网络基于智能电网的配电自动化物联网应用案例-智能电网基于智能电网的配电自动化配电自动化系统层次结构图配电自动化系统最突出的一个优点是：它具有非常好的灵活性，变电站在初期建设的过程中可以使用中型配电自动化系统，而且可以装设与之相应的主站、子站和终端等。当需要扩展配电系统的时候，可以在目前主站系统的基础上增加数量，再将其中一个主站作为该系统的中心站。通过不同的层次结构，系统主要分成三个层次：主站自动化系统、子站自动化系统以及终端系统自动化。根据实际需要可以将第二层以下结构进行适当的扩展。地调数据采集与监视控制系统地调数据采集与监视控制系统用电营业系统用电营业系统管理信息系统地理信息系统配电自动化主站系统子站子站子站子站远方数据终端数据传输单元馈线终端装置配电变压器监测终端外部系统主站系统通信子站层终端层基于智能电网的配电自动化•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。主站自动化系统•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。子站自动化系统•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。终端系统自动化基于物联网的输电线路在线监测系统物联网应用案例-智能电网基于物联网的输电线路在线监测系统符合智能电网要求的输电线路状态信息至少、应当包括基础信息、运行信息、灾害预警信息和环境监视信息4个方面，如下表所示：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电网的配电自动化数据接口各个相互独立的应用系统的数据互联状态信息平台对数据进行受理，封装形成可用信息高级应用进行数据融合与分析线路增容系统覆冰监测系统气象风险系统雷电定位系统外绝缘监测系统视频监测系统服务层预警管理运行管理状态评价风险评估辅助决策地理信息系统调用接口合账数据接口能量管理系统调用接口UIPUIP将上层各独立应用系统数据纳入到此平台，对内的集控中心、管理者提供数据访问，对外提供各类数据标准调用接口。检测系统的基本结构应用系统层：由多个单独的应用系统组成，每个单独的应用系统反映线路运行状况的一个方面数据中心层：将上层各独立应用系统的数据集成起来，进行统一管理、集中处理、综合分析，实现多系统的数据融合。数据应用层：将基于实时监测数据建立输电线路的虚拟现实模型，并利用三维平台构建线路关键点的虚拟现实对象，实现监测系统的可视化。基于物联网的输电线路在线监测系统检测系统的通信方式为了保证通信通道的可靠性和鲁棒性，考虑采用光纤复合架空地线OPGW冗余的纤芯中的4根组成通信系统两变电站间的同步数字体系（SDH）设备光纤自愈环网拓扑结构+=光纤交换机作为现场OPGW接入装置，通过多个光纤交换机级联组成OPGW通信系统环网提供以太网方式的100M的数据接入服务，对于没有OPGW接续盒的杆塔则采用无线Wi-Fi的方式进行数据中继基于云计算的智能电网信息平台物联网应用案例-智能电网基于云计算的智能电网信息平台基于云计算的智能电网信息平台的体系结构基础设施层:是经虚拟化后的硬件资源和相关管理功能的集合,通过虚拟化技术对计算机、存储设备与网络设备等硬件资源进行抽象,实现内部流程自动化与资源管理优化。平台层:是具有通用性和可重用性的软件资源的集合,为云应用提供软件开发套件与应用编程接口等开发测试环境，Web服务器集群、应用服务器集群与数据库服务器集群等构成的运行环境,以及管理监控的环境。业务应用层:是云上应用软件的集合,对于智能电网信息平台而言,这些软件包括电力安全生产与控制、电力企业经营管理和电力营销与市场交易等领域的业务软件,以及经营决策智能分析等智能分析软件。服务访问层:作为一种全新的商业模式,云计算以IT即服务的方式提供给用户使用,包括基础即服务（IaaS）、平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS),能够在不同应用级别上满足电力企业用户的需求。基于云计算的智能电网信息平台智能电网状态监测云计算平台的设计1.采用廉价的服务器集群，以降低成本2.借助虚拟机实现资源的虚拟化,提高设备的利用率3.因为机器故障率大,因此采用分布式的冗余存储系统来存储数据,保证数据的可靠性4.因为数据量极大,且可靠性和实时性要求高，不采用传统的关系数据库,而采用基于列存储的数据管理模式,来支持大数据集的高效管理。5.因为智能电网需要在状态数据基础上进行各种电力系统计算与应用，所以提出基于MapReduce的状态数据并行处理系统,可以为状态评估、诊断与预测提供高性能的并行计算能力以及通用的并行算法开发环境物联网应用案例-智能电网04智能电网典型案例：智能电表智能电网典型案例：智能电表智能电表与中央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