引言
近年來，隨著堅強智能電網概念的提出，許多與智能電網相融合的新技術也不斷被提出，其中一個很典型的例子,就是面向智能電網（SmartGrid）的物聯網（InternetofThings）技術的問世。智能電網與物聯網的融合作為一種具有極高戰略意義的新型產業技術，被世界各國高度重視，我國也對其極其重視，將物聯網、智能電網列為國家戰略，并全面部署了眾多重大科技項目、示范工程的建設。
物聯網技術在智能電網中的應用是網絡技術發展到一定程度的必然產物，該技術的應用，能有效地對電力系統基礎設施資源進行整合，進而提高電力系統通信水平，改善當前電力系統基礎設施的利用率。
1 物聯網
1.1 概念
1999年，麻省理工學院的Auto-ID實驗室最早提出“物聯網”的概念，它的定義較為簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。
最初提出的“物聯網”理念是指，通過裝置在各類物體上的電子標簽，傳感器、二維碼等經過接口與無線網絡相連，從而給物體賦予智能，可以實現人與物體的溝通和對話，也可以實現物體與物體互相間的溝通和對話。這種將物體聯接起來的網絡被稱為“物聯網”。
1.2 特征
物聯網的核心是物與物以及人與物之間的信息通信。故而物聯網的基本特征可概括以下三點：
（1）可感知。通過射頻識別（RFID）、二維碼、傳感器等感知、捕獲、測量技術對物體進行實時信息收集和獲取。
（2）可互聯。先將物體接入信息網絡，再借助各種通信網絡（如因特網等），可靠地進行信息實時通信和共享。
（3）智能化。通過各種智能計算技術，對獲取的海量數據信息進行分析和處理，從而實現智能化決策和控制。
根據物聯網的上述基本特征及其信息流程，可以得到如圖1的功能模型示意圖。
（1）信息獲取。包括信息感知和信息識別，信息感知是指對事物狀態信息的敏感和知覺；信息識別則是指把所感受到的事物狀態信息表示出來。
（2）信息傳輸。包括信息發送、傳輸和接收等環節，最終完成把獲取的數據信息從空間（或時間）上的一點傳送到另一點的任務，即通常所說的通信過程。
（3）信息處理。指對信息的加工過程，其目的是獲取事物的狀態信息，實現對事物的認知，并利用當前狀態信息產生新的信息，即所謂的制定決策的過程。
（4）信息施效。指信息發揮最終效用的過程，有很多實現形式，其中最重要的就是調節相關對象事物的狀態信息，從而使對象達到預期的狀態。
2 面向智能電網的物聯網需求
智能電網中一個很重要的部分，就是處于網絡末端的傳感器，其原理及作用與物聯網的感知層是一致的，它是智能電網中具有廣泛的應用空間，是實現智能化不可或缺的關鍵部分。它應用在電網建設、電網安全生產管理、運行維護、信息采集、安全監控、計量及用戶交互等各個方面，可以全面提高智能電網各環節的信息感知深度、廣度以及密度，提高電力系統的智能化程度，促進以及“信息流、業務流、電力流的高度融合”的實現。物聯網的相應技術廣泛應用于電力系統的發、輸、變、配、用環節，帶來巨大的經濟效益和社會效益。
發電機組監控、廠區監控、污染物及氣體排放監控、能耗監控、抽水蓄能監控、風電廠監控、功率預測、光伏發電站監控、生物質發電、儲能監控、電源接入等方面都需要物聯網技術的支持。在輸電線路監控、桿塔防護、智能變電站、配電自動化、狀態監測、作業與設備管理等方面也對物聯網技術有著廣泛的應用需求。甚至在智能表計及高級量測、智能用電、多網融合、電動汽車及充電、能效監測與管理、電力需求側管理等也成為智能電網中物聯網技術應用的主要方面。
隨著智能電網的建設步伐的不斷加快，人們對于智能化用電的需求不斷提升。智能家電、智能小區等逐步走入人們的日常生活，這就使得智能電網與物聯網相結合的迫切性加劇，因此將物聯網技術應用于智能電網中，是智能電網構建過程中的必然。
3 物聯網在智能電網中應用的基本架構
為了滿足物聯網的異構需求，物聯網需要一個開放的、分層的、可擴展的網絡架構。面向智能電網的物聯網大致分為感知層、網絡層和應用層三個層次，如圖3。
3.1 感知層
感知層是物聯網實現“物物相聯，人物互動”的基礎，通常分為感知控制子層和通信延伸子層。其中，感知控制子層實現對物理世界的智能感知識別、信息采集處理及自動控制；通信延伸子層通過通信終端模塊或其延伸網絡將物理實體聯接到其上面兩層。
圖3面向智能電網的物聯網架構
具體而言，感知控制子層主要通過各種新型MEMS傳感器、基于嵌入式系統的智能傳感器、智能采集設備等技術手段，實現對物質屬性、環境狀態、行為態勢等靜態或動態的信息進行大規模、分布式的信息獲取。通信延伸子層所用技術比較廣泛，對于電網的監控數據基本采用光纖通信方式，而對于輸電線路在線監測、電氣設備狀態監測，除利用光纖傳遞信息外，也一定程度上應用了無線傳感技術。在用電信息數據采集和智能用電方面，所用到的通信技術主要涉及到窄帶電力線通信、寬帶電力線通信、短距離無線通信、光纖復合低壓電纜及無源光通信、公網通信等。
3.2 網絡層
網絡層以電力光纖網為主，以電力線載波通信網、無線寬帶網為輔，從感知層設備采集數據的轉發，負責物聯網與智能電網專用通信網絡之間的接入，主要用來實現信息的傳遞、路由和控制，分為接入網和核心網，以保證物聯網與電網專用通信網絡的互聯互通。
在智能電網應用中，考慮到對數據安全性、傳輸可靠性及實時性的嚴格要求，物聯網的信息傳遞、匯聚與控制主要借助于電力通信網實現，在條件不具備或某些特殊條件下也可依托于公眾電信網。其中，核心網主要由電力骨干光纖網組成，并輔以電力線載波通信網、數字微波網。而接入網則以電力光纖接入網、電力線載波、無線數字通信系統為主要的手段，從而電力寬帶通信網為物聯網技術的應用提供了一個高速的雙向寬帶通的信網絡平臺。
3.3 應用層
應用層主要由應用基礎設施和各種應用兩大部分組成。其中，應用基礎設施為物聯網應用提供信息處理、計算等通用基礎服務設施、能力及資源調用接口，并在此為基礎上實現物聯網的各種應用。面向智能電網物聯網的應用涉及智能電網生產和管理中的各個環節，通過運用智能計算、模式識別等技術來實現電網相關數據信息的整合分析處理，進而實現智能化的決策、控制和服務，最終電網各應用環節的智能化水平得以提升。
4 物聯網在智能電網中的應用模型
2010年，世界博覽會在上海成功舉辦，世博園區各場館都應用了物聯網技術，尤其是國家電網館，在向人們展示智能電網美好藍圖的同時，通過各種仿真模擬，讓人們體驗到了物聯網技術與智能電網完美結合后的智能與便捷。
4.1 電力設備狀態監測
利用物聯網技術在常規機組內部安置一定數量的傳感監測點，于是可以實時了解機組運行情況，這包括它的各種技術指標與參數，從而提高常規機組狀態監測水平。例如，通過在水電站壩體安裝傳感器網絡，可以隨時監測壩體變化情況，以規避水庫運行可能存在的風險。同樣地，物聯網技術也可以對風能、太陽能等新能源發電進行在線監測、控制以及功率預測等。利用物聯網技術，可以大幅提高一次設備的感知能力，使其能與二次設備很好地結合，從而實現聯合處理、數據傳輸、綜合判斷等功能，極大地提高電網的技術水平和智能化程度。
此外，輸電線路狀態在線監測是物聯網的重要應用，它也可以提高對輸電線路運行狀況的感知能力，包括氣象條件、覆冰、導地線微風振動、導線溫度與弧垂、輸電線路風偏、桿塔傾斜等內容的監測。輸電線路狀態在線監測系統示意如圖4。
圖4電網線路在線監測物聯網結構示意圖
根據物聯網對電力設備的環境狀態信息、機械狀態信息、運行狀態信息進行的實時監測和預警診斷，提前做好相應的故障預判、設備檢修等工作，從而提高了設備檢修、自動診斷和安全運行水平。
4.2 電力生產管理
因電力生產的管理較為復雜，管理電力現場作業難度相當大，從而伴有誤操作、誤進入等安全隱患存在。通過物聯網技術進行身份識別、電子工作票管理、環境信息監測、遠程監控等，方便地實現了調度指揮中心與現場作業人員的實時互動。圖5為基于物聯網的電力現場作業監管系統。
而在電力巡檢管理上，利用射頻識別（RFID）、全球定位系統（GPS）、地理信息系統以及無線通信網，對設備的運行環境及其運行狀態進行監控，并根據識別標簽輔助設備定位，實現了人員的到崗監督，從而監督工作人員參照標準化和規范化的工作流程，進行輔助狀態檢修和標準化作業。在塔基下、桿塔上及輸電線路上安裝地埋振動傳感器、壁掛振動傳感器、傾斜傳感器、距離傳感器、防拆螺栓等設備，并結合輸電線路狀態的在線監測系統，實現對重要桿塔較好的實時監測和防護。如圖6為桿塔防護系統。
4.3 電力資產全壽命周期管理
在電力設備中應用射頻識別和標識編碼系統，對資產進行身份管理、狀態監測、全壽命周期管理，自動識別目標對象并獲取數據，從而在技術上為實現電力資產全壽命周期管理、提高運轉效率、提升管理水平提供了更好的支撐。
4.4 智能用電
物聯網技術有利于智能用電雙向交互服務、用電信息采集、家居智能化、家庭能效管理、分布式電源接入以及電動汽車充放電的實現，同時也是實現用戶與電網的雙向互動、提高供電可靠性與用電效率以及節能減排的技術保障。
在電動汽車、電池、充電設施中安裝傳感器和射頻識別裝置，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，實現電動汽車及充電設施的綜合監測與分析，并保證電動汽車運行在穩定、經濟、高效運行。
物聯網技術也方便于家居智能化的實現。借助于在各種家用電器中內嵌的智能采集模塊和通信模塊，可以實現家用電器的智能化和網絡化，完成對家用電器運行狀態的監測、分析以及控制；借助于在家中安裝門窗磁報警、紅外報警、可燃氣體泄漏監測、有害氣體監測等傳感器，可以實現家庭安全防護；借助于應用無線、電力線載波技術，可以實現水、電、氣表自動抄收；借助于光纖復合低壓電纜、電力線載波以及智能交互終端，可以實現用戶與電網的交互，以及相關的通信服務、視頻點播和娛樂信息等服務。如圖7為物聯網在智能家居中的應用。
5 物聯網技術面臨的挑戰
雖然物聯網技術與智能電網技術的結合有著眾多的優點，得到各界的大力宣傳與研究，但由于其研究還處于起步階段，各方面研究還并不深入，因而它也面臨著眾多的挑戰。
（1）標準化體系的缺失。物聯網技術在我國的發展還剛剛起步，即使在全世界范圍內，也沒有形成一個統一的標準體系。標準的缺失將大大限制相關技術的正常發展和產品規模化應用的步伐。因此，標準化體系的建立，已然成為物聯網產業發展的首要先決條件，也是制約物聯網產業發展的最大瓶頸。
（2）擁有自主知識產權的核心技術亟待突破。擁有自主知識產權的核心技術是物聯網產業得以可持續發展的根本驅動力，如果沒有掌握關鍵的核心技術，產業就不具備有核心競爭力，因而在未來的國際競爭中也會處處受制于人。因此，迅速建立起國家級和區域物聯網研究中心，研究并掌握擁有自主知識產權的核心技術，是物聯網產業發展的關鍵。
（3）國家安全和個人隱私保護需要得到保障。由于電力是關系國際民生的基礎性行業，是國民經濟的基礎，因此維持電力安全是所有事業的根本前提，而從目前物聯網技術的發展水平來講，其中的一系列安全問題還沒有得到解決，也沒有形成較為成熟的物聯網安全解決方案。所以從某種程度上講，物聯網的安全性是物聯網發展的一個很大阻礙，加強對物聯網安全性的研究，也關乎物聯網技術應用的成敗。
6 結語
在智能電網建設中應用物聯網技術，體現了智能電網信息化、自動化、互動化的特征，是智能電網發展的必然選擇。物聯網技術和智能電網的相互融合以及廣泛應用，能通信基礎設施資源和電力系統基礎設施資源進行有效整合，大幅提高電力系統信息化水平、安全運行水平、可靠供電及優質服務水平，降低線損、提高電能傳輸效率和使用效率。隨著它的進一步發展，物聯網技術必將與智能電網有著更多的滲透與融合，也必將給未來電網帶來更大的經濟效益和社會效益。