1．国网无锡供电公司 江苏省 无锡市 214061
摘要：本文针对当前电力双向互动体系对新型双向互动业务的数据采集和控制技术不够成熟，对基于物联网的双向互动用电业务总体架构尚未开展研究的问题，基于物联网通信技术，研究五类业务对象的双向互动服务数据采集与控制技术，提出基于三层物联网架构的双向互动数据采集和控制总体架构，提升电网与用户侧双向互动的数据支撑能力。
关键词：双向互动；物联网通信；数据采集与控制；架构
Abstract：The data acquisition and control technology to new business of the existing power two-way interaction system is immature and the study on overall architecture of two-way interactive electricity business hasn't been done.To solve these problems，two-way interactive service data acquisition and control technology based on Internet of Things is studied and two-way interactive service data acquisition and control overall architecture based on three layers frames of Internet of Things is proposed in this paper.It helps to improve the data support ability of two-way interactive between grid and users.
Key words：two-way interaction；communication technology of the Internet of things；data acquisition and control；architecture
0 引言
随着电力体制改革、社会经济发展及物联网技术的进步，对于物联网在电网数据采集与控制方面的应用，国内外学者已进行相关研究。
2008年11月，美国IBM公司提出“智慧地球”概念，运用物联网的感知技术（传感器、射频识别（RFID）、GPS等），将物品与互联网连接，进行信息交换，以实现对物的识别、定位、跟踪及监管，以实现智能微尘、智能电网、智慧物流等智能系统[1-2]。丹麦电力公司于2009年启动了一项家庭能源管理系统（Home Energy Management System，HEMS）工程，使用智能电能表实现用电量可视化及住宅内照明设备远距离控制[3]，并制定了一套电动汽车、电网互动（Vehicle-to-Grid，V2G）计划[4]，借助物联网技术的应用逐步实现智能电网的构想。从2010年起，日本面向家庭安装两千万部智能电表，可实时对每个家庭的电力消耗情况进行监控，旨在逐步建立智能用户信息采集系统[5-6]。
自物联网的概念提出以来，国内的一些公司和学者申请了一些基于物联网技术的电力产品专利，例如，一种基于物联网技术的电力监控系统[7]，通过将能耗采集模块放置于客户端，经过数据传输模块和数据处理服务器，实现用户实时查询用电情况和电力公司对用户用电情况的实时监控。国家电网公司建设了多个双向互动用电研究试点，重庆的加新?沁园小区和河南郑东新区的智能电网用户服务系统试点是其中的两个，通过应用智能插座或智能电表、PLC或ZigBee、智能交互终端等技术实现了用电设备电流、电压、电量采集、传输和控制，建立了“信息化、自动化、互动化”的智能家居系统。
综上所述，国内外均开展了物联网技术在智能电网中的应用研究。在国外，相应的研究已逐步进入实施阶段。而在国内，由于针对电动汽车运营、分布式发电管理、移动营销等新型双向互动业务体系及技术还不够成熟，存在着采集方式复杂、数据量庞大等问题。另外，基于物联网的双向互动用电业务总体架构研究也尚未开展。
为解决上述问题，本文基于物联网通信技术，研究双向互动业务对数据采集、执行器控制、信息通讯的技术要求，研究保证海量数据感知和信息安全高质量传输的关键共性技术，最终构建基于感知、网络、应用三层物联网架构的互动数据采集和控制总体架构。
1 双向互动服务的技术要求
1.1 数据采集要求
按照电力用户性质和营销业务需要，结合智能电网的五类业务对象：大用户、居民用户、移动营销、分布式发电/储能以及电动汽车运营，根据其业务特点，分别研究用电信息采集系统中采集的主要数据类型[8]以及对应采集要求，结果如表1所示。
1.2 执行器控制要求
1）负荷控制。通过远方定值设置功能，完成遥控或当地闭环控制。包括：遥控、功率定值闭环控制和电能量定值闭环控制。
2）支撑需求侧管理与服务。收集和分析客户端电量数据，为供需平衡提供决策依据；为客户提供合理使用电能、提高用电效率的技术指导。
3）支撑营销分析与决策分析。基于所采集数据的同时性、广泛性、实时性和多样性，可为电力营销分析与决策分析提供底层数据支持。
2 保证感知数据和控制信息安全高质量传输的关键共性技术
上述五类业务对象的数据种类繁多，信息量庞大，其传输环节也存在着信息泄露、黑客攻击等诸多威胁。为保障数据的完整性和安全性，研究保证感知数据和控制信息安全高质量传输的关键共性技术。
2.1 保证数据感知的技术
1）传感器网络技术。传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（如电能信息、用户数据等）。
2）广域测量技术。当前广域测量系统（WAMS）的PMU装置以GPS为采样基准，能全网同步采集机组及线路的电压、电流以和重要的开关保护信号。
2.2 保证信息安全高质量传输的技术
1）PKI技术（公钥基础设施）。是提供公钥加密及数字签名服务的系统或平台，目的是管理密钥和证书。
2）防火墙。是一种计算机硬件和软件的结合，在互联网之间建立起一个安全网关，进一步保护内网不受非法用户侵入的危害。
3）入侵检测技术。入侵检测是指通过对行为、安全日志或审计数据或其它网络上可以获得的信息进行操作，检测到对系统的闯入或闯入的企图。
上述技术的引入，为海量数据的采集、融合、安全传输、管理提供了技术支撑。
3 基于三层物联网架构的双向互动数据采集和控制总体架构
基于上述研究，本文构建基于三层物联网架构的互动数据采集和控制总体架构。如图1所示。
图1 基于三层物联网架构的双向互动数据采集和控制总体架构
该架构由可分为三层：感知层、网络层和应用层。其中：
1）感知层是整个系统的源头。由部署在发电、输电、配电、用电及调度各个环节的智能终端、RFID、传感设备、采集器和集中器组成。实现电能表数据采集、数据管理、数据双向传输及转发或执行控制命令等功能。
2）网络层是整个系统的中间环节。由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成。实现感知层和应用层之间的信息传递、路由和控制等功能。
3）应用层是整个系统的管理中心。是一个包括软件和硬件的计算机系统。主要用于对感知层感知的信息根据不同的应用与业务需求进行分析。
数据在层与层之间执行采集请求、设置参数、控制指令、终端数据、执行返回等操作。其中：采集请求是指上层向下层发送所需采集的数据种类、指标等控制信息的操作；设置参数是指上层向下层发送参数设置指令及下层执行指令的操作；控制指令是指上层向下层发送其他类型的控制指令及下层执行指令的操作；终端数据是指下层收到指令后采集数据并集中上传给上层的操作；执行返回是指下层执行指令后向上层输送应答指令的操作。
4 结论
本文通过对国内外现有智能电网中数据采集与控制现状的分析，指出其针对电动汽车运营、分布式发电管理、移动营销等新型双向互动业务的数据采集和通讯技术不够成熟，基于物联网的双向互动用电业务总体架构研究尚未开展的局限性。研究双向互动服务数据采集与控制技术，最终建立基于三层物联网架构的双向互动数据采集和控制总体架构，该架构具有分层清晰，接口通用性强，系统安全性高等优点，从而为提升电网与用户侧双向互动能力提供参考。
参考文献
[1]吴大鹏，舒毅，王汝言等．物联网技术与应用[M]．北京：电子工业出版社，2012．
[2]刘建明．物联网与智能电网[M] ．北京：电子工业出版社，2012．
[3]郭亮．电力用户用电数据采集与监控在需求侧管理中的应用研究[D]．济南：山东大学，2010．
[4]薛飞，雷宪章，张野彪等．基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络电池管理[J]．电力系统自动化，2012，36（21）：41-46．
[5]孙国强，李逸驰，卫志农，等．智能用电互动体系构架探讨[J]．电力系统自动化，2015，39（17）：68-74．
[6]Michael M，Darianian M．Architectural Solutions for Mobile RFID Services for Internet of Things[C]．IEEE Congress on Services-Part I，2008．
[7]北京许继电气有限公司．一种基于物联网的全景用电信息智能家居系统[P]．中国：102323800A，2012．
[8]杨永标，李逸驰，陈霜，等．双向互动服务平台的关键技术与总体构架[J]．广东电力，2015，28（8）：28-32．
作者简介：沈海平（1976—），男，高级工程师，研究方向为电力系统自动化、物联网技术应用，电网运行（E-mail：hpshen@126.com）。
论文作者:沈海平
论文发表刊物:《电力技术》2016年第8期
论文发表时间:2016/10/20
标签：互动论文; 双向论文; 架构论文; 数据采集论文; 技术论文; 数据论文; 智能论文; 《电力技术》2016年第8期论文;