在當前時代背景下，國家電網公司提出打造“樞紐型，平臺型，共享型”企業、建設運營好“堅強智能電網”與“泛在電力物聯網”就是為了向用戶提供更安全、智慧、經濟、便捷的綜合能源服務，并最終建成世界一流能源互聯網企業。泛在電力物聯網的概念一下子如火如荼，那么與電力物聯網相關的電力輸配系統應用關鍵技術又有哪些呢？
電力物聯網關鍵技術
1.1 感知層
1.1.1激光測距傳感器
激光測距傳感器用于測量輸配電線路周邊樹木等危險物是否處于輸配電線路的安全距離范圍內，同時也可用于線路弧垂等輔助測量。
1.1.2導線溫度傳感器
導線溫度傳感器是用于輸電線路導線在線測溫的裝置，如圖3所示。測溫終端采用微功耗技術，使用8 AH/3.6 V的自消耗低、壽命長、耐高溫的鋰亞電池供電方式，能夠使溫度采集終端單元工作在5年以上；鋰亞電池與微功耗技術相結合，很好地解決了測溫終端單元取電的問題。
1.1.3環境微氣象傳感器
輸電線路氣象在線監測系統是針對架空線路走廊局部氣象環境監測而設計的一種多要素微氣象測量系統，監測的氣象參數主要包括風速、風向、氣溫、濕度、氣壓等。系統將采集到的各種氣象參數及其變化狀況通過網絡實時地傳送到中心監控分析系統，當出現異常情況時，系統會以多種方式發出預報警信息，提示管理人員應對報警點予以重視或采取必要的預防措施。
智能防盜螺栓是一款基于無線傳感網絡技術的多功能設備防盜傳感模塊，可以代替普通機械螺栓，用于配電設備的防盜預警。1.1.5電壓測量傳感器
電壓變化測量傳感器用于測量低壓配電線路的電能質量信號，也可用于低壓電力設備的防盜預警輔助設備。整機對接入的配網電信號進行電能質量檢測，同時該信號也作為外部電源，實現對整機的供電。
1.1.6地埋式震動傳感器
地埋式震動傳感器用于探測輸電線路桿塔周邊土壤震動、水土流失等危害桿塔安全的土壤環境信息的檢測和報警，如圖7所示。采用4個高靈敏度的振動傳感器，實時全向探測振動信號，確保可靠的實時探測性能和抗干擾性能。具備捆扎帶、螺栓等多種固定方式，便于設備安裝。
2.1 網絡層
2.1.1組網需求
電力傳感器網絡場景復雜，涉及通信技術種類多、協議復雜，給數據處理、數據共享與協同帶來較大難度。為了實時感知電網運行狀態，需要在各種電力設備上部署大量傳感器，進行相關的信息和數據采集并上報給控制中心。智能電網傳感器節點收集的數據包括多種類別，涵蓋電流、電壓、溫度、壓力、濕度等各類數據。通過上述數據分析電網整體運行態勢、每個設備運行狀態、資產及環境狀態。為在電力環境下滿足如上電網感知的需求，電力傳感器網絡所服務的對象及數據傳輸具有以下3個獨特的需求。
1)傳輸數據量大。傳感器節點需周期性發送設備的用電或其他狀態信息。由于傳感器節點數量多，網絡內所需傳輸的數據量很大。
2) 實時性要求高。對于電網運行與控制信息，需要實時傳輸至電力控制中心，對電網運行態勢進行分析，以便迅速對存在故障的線路采取實時調控措施。
2.1.2智能電網傳感器網絡特性
結合電網輸配電監控需求，智能電網傳感網絡應具有以下特性。
1)低移動性。傳感器的低移動性適用于智能電網中不移動的傳感器設備、不頻繁移動的傳感器設備，或只在限定區域內移動的傳感器設備。
2)時間控制。傳感器的時間控制特性適用于在智能電網中預先定義的時間段內收發數據的傳感器設備，避免在這些時間段外產生不必要的信令。
3)小數據傳輸。智能電網中傳感器收發的數據量都比較小，小數據傳輸特性非常適用于智能電網環境中的要求。
4)優先告警。智能電網中需要優先告警的傳感器設備，例如，被盜、蓄意破壞或其他需要立即注意的情況。優先告警消息應該具有比其他優化分類更高的優先級。
5)非頻繁傳輸。本特性適用于智能電網中部分非頻繁傳輸的傳感器設備（2次數據傳輸之間有很長的間隔）。
6)特別低功耗。智能電網中特別低功耗的傳感器特性會提升系統支持要求特別低功耗的傳感器應用的能力。網絡管理平臺能夠將傳感器設備配置為特別低功耗模式。
7)衰落問題。智能電網中，由于輸電線路、設備、桿塔環境內金屬設備眾多龐雜，會造成桿塔附近的場強分布不均勻和不穩定。
8)強電磁場干擾。在高壓輸電線路、桿塔、高壓走廊的環境下都存在強工頻電磁場干擾和閃烙、電暈干擾，強工頻電磁場會阻塞通信信道，導致鏈路增益降低而影響通信可靠性，閃烙、電暈干擾是散彈噪聲類干擾，其在時域表現為隨機窄帶脈沖，在頻域表現為寬帶白噪聲，會嚴重干擾各頻段通信鏈路。
2.1.3 通信組網架構
智能電網中各個環節的無線傳感器經通信網絡空口直接上聯或通過匯聚節點上聯到基站設備，接入電信運營商的移動網絡中。后臺智能電網管理平臺和相關業務平臺也通過各種接入手段與移動核心網互聯。相關數據從無線傳感器收集上來以后，通過移動核心網傳送到管理平臺或業務平臺來使用。
1)無線接入側
傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，經過多跳路由到匯聚節點，最后到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。
傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量管理模塊這4個部分組成。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據；能量管理模塊對傳感器節點運行所需的能量進行管理。
匯聚節點是一種多流傳感器終端，多個傳感器末端節點的傳感器業務流集合到匯聚節點，通過移動通信空中接口上傳到移動通信網絡。匯聚節點可以采用2種方式匯聚來自多個傳感器末端節點的業務流匯聚。
2)核心網側
智能電網中的傳感器通過網關或直連方式連接到無線接入網，并承載網絡可能通過交互網關與服務器相連。智能電網中的各類傳感器通過網關或直連方式連接至無線接入網，通過移動核心網與后臺智能電網應用平臺服務器（MTCServer）對接，并由MTC Server提供智能電網必需的管理、控制及各種業務能力。在智能電網的各類應用中，需獲取各類傳感終端接入的有關信息，如接入時間、離線時間、接入位置點等。根據上述信息，MTC Server可以精準判斷終端的各種狀態，例如，是否將傳感器設備專用SIM卡插入非傳感器終端、終端是否在非許可時間接入網絡、終端是否在非許可位置點接入網絡、終端異常離線等狀態。上述的狀態信息屬于接入層信息，由核心網通過特定的接口輸出到MTC Server上。對核心網而言，MSC/SGSN能夠方便地獲取MTC Server所需要的終端狀態信息，而GGSN等則相對困難，通過MSC/SGSN獲取并提供MTC Server所需要的終端狀態信息是最佳選擇。
考慮到智能電網應用平臺直接接入運營商網絡存在的安全風險，可以引入傳感器網關（MTC GW）解決這一問題。MTC GW能夠有效屏蔽核心網的拓撲結構，實現核心網對智能電網應用平臺接入的安全認證，并提供智能電網應用平臺的各類應用的統一路由出口。圖9描述了在核心網實體和MTC Server之間增加MTC GW的架構示意。
通過MTC GW，能夠實現對核心網拓撲結構的有效屏蔽，在MTC GW和MTC Server之間建立加密隧道，并向其提供統一、簡單的API，極大降低了核心網接口的復雜性。
3.1應用層
在輸變電系統的實時狀態感知的基礎上，把感知層感知的信息根據不同的應用與業務需求進行分析和處理，形成包括應用基礎設施、中間件和各種應用的體系架構，并實現物聯網的各種應用。電力傳感器網絡應用涉及智能電網全壽命周期的生產、管理環節，通過采用智能計算、模式識別等技術實現電網信息的綜合分析和處理，實現智能化的決策、控制和服務水平的不斷提升。按照電力系統的組成環節，基于智能電網的傳感器網絡應用驗證系統主要包括以下8類重要系統：
1)輸電線路多維感知在線監測系統；
2)輸電、變電、配電巡檢系統；
3)電氣設備狀態在線監測系統；
4)電力設施防護及安全保電支撐平臺；
5)配電現場作業監管系統；
6)智能用電服務系統；
7)用電信息采集系統；
8)智能電網傳感網信息處理及一體化管理平臺。
1)輸電線路多維感知在線監測系統
高壓架空輸電線路是電網的重要組成部分，由于微風造成的微風振動、導線風偏是造成高壓架空輸電線路疲勞斷股的主要原因；強風條件造成的線路舞動對高壓輸電線路會造成極大破壞；同時低溫天氣造成的線路覆冰，且桿塔拉線更容易結冰且對稱的拉線結冰往往不平衡，會導致桿塔的傾斜甚至倒塔，這些都是輸電線路安全保障的巨大隱患。
通過在整條輸電線路上部署多功能骨干節點、MEMS加速度（陀螺儀）傳感器節點，并在高壓桿塔上布設泄漏電流傳感器節點、通信骨干節點構成一個傳感器簇，多個這樣的簇構成線狀網絡并通過通信骨干節點構成整個智能電網輸電線路在線監測系統，實現了對輸電線路的各種狀態，如覆冰、污穢、溫度、舞動、微氣象等的多方位可視化實時監控和故障預警。
2)輸電、變電、配電巡檢系統
電網的輸電、變電、配電環節設備種類多，運維工作量大，通常需要大量人力開展日常巡檢的工作。通過無線傳感器和RFID標簽結合，實現對各種電力設備日常運行過程中的運行參數、設備狀態異常、設備破損、性能降低等參數的觀察和記錄。同時，通過對采集數據的分析，對隱患進行評估和預警，避免電網設備出現故障。
系統基于傳感器網絡技術及RFID射頻識別技術，實現了巡檢人員到達現場并按預定路線巡視的監督功能；同時，輔助加入了環境信息與狀態監測傳感器，精確檢測設備工作環境與狀態，能夠精準確認巡檢人員并且采集電力設備的運行環境信息、工作狀態信息，大幅提升了巡檢的工作質量。
3）電氣設備狀態在線監測系統
變電站是電力系統的重要組成部分，是電網基礎運行數據的采集源頭和命令執行單元，變電設備安全運行以及變電站安全直接影響電網的安全運行。開展輸變電設備狀態檢修，以提高設備利用率，延長設備壽命，減少停電次數/停電時間，提高輸電效率。輸變電設備狀態監測也將作為輔助的設備狀態的診斷手段，在輸變電設備狀態檢修中發揮巨大作用。通過多傳感器集成、多信息采集、信息融合及抗強電磁干擾等技術建立了智能電網變電站狀態監測系統，實現了對變電站內各類設備及安全防護的實時監控，包括變壓器油氣、局放在線監測，斷路器動特性、微水在線監測，互感器、避雷器絕緣在線監測，變電站安防監測，互感器動態計量在線監測等。
在線監測系統通過對變電站各種狀態量采集，將數據傳輸到后臺專家系統進行分析與決策，能準確反映出變電站的各種狀態，提供安全評價。
4)電力設施防護及安全保電支撐平臺
基于電力物聯網，運用多種傳感器組成協同感知網絡、無線傳感器網絡技術，在戶外線路、桿塔、配電變壓器等設備上按照一定的策略部署、安裝振動、位移、電壓變化、紅外線等傳感器，采集、處理現場信息，報警并協同處理，能夠有效地實現對電網狀態信息及設備的運行狀態信息監測、預警防護。系統一般由地埋固定無線振動傳感器節點、移動無線振動傳感器節點、桿塔無線傾斜傳感器節點、桿塔無線（聲）振動傳感器節點、無線防拆卸螺栓傳感器節點、無線被動紅外線傳感器節點、智能視頻傳感器節點、TD-SCDMA通信骨干節點等組成。
通過多種傳感器組成協同感知，實現對電網主要基礎設施（如設備、配電線路、桿塔等）破壞、盜竊行為的有效定位、監測和預警，對監控范圍內配電設備進行全方位防護。
5)配電現場作業監管系統
由于電力系統運維的復雜性，電力現場作業管理難度大，常會出現誤操作、誤進入等安全隱患。在智能電網技術中，利用物聯網技術可以進行身份識別、電子工作票管理、環境信息監測、遠程監控等，實現調度指揮中心與現場作業人員的實時互動，進而消除安全隱患。
基于電力物聯網技術的配電現場作業監管系統，通過安裝在作業車輛上的視頻監視設備和設備上的RFID標簽，遠程監控作業現場情況、現場核實操作對象和工作程序，緊密聯系調度人員、安監人員、作業人員等多方情況，使各項現場工作或活動可控、在控，減少人為因素或外界因素造成的生產損失，從而有力保障人身安全、設備安全、系統安全，并大幅提高工作效率。
6)智能用電服務系統
智能用電服務作為電網用電環節的關鍵部分，是實現電網與用戶之間實時交互響應，增強電網綜合服務能力，滿足互動營銷需求，提升服務水平的重要手段，加強用戶與電網之間的信息集成共享和實時互動，實現用電的智能化、互動化，進一步改善電網運營方式和用戶對電能的利用模式，提高終端用戶用能效率。通過對公變、低壓工商戶、低壓居民戶用電信息的采集，實現線損考核、預付費業務管理。通過對智能開關、智能家電的自動化監控，將通信網絡延伸到用戶家庭，可實現用戶用電信息、電力交易信息發布及用戶用電智能管理等智能電網用戶服務功能。
智能用電服務系統通過智能交互終端或交互機頂盒實現用戶與電網之間的互動，實現能效管理、物業管理、增值服務、社區醫療等一系列特色服務，體現出良好的交互性和智能化特色，應用物聯網的技術，組建家庭內部網絡，實現電熱水器、空調、電冰箱等家庭靈敏負荷的用電信息采集和控制，建立集緊急求助、燃氣泄漏、煙霧探測、紅外探測于一體的家庭安防系統。
7）用電信息采集系統
用電信息采集系統的采集對象包括專線用戶、各類大中小型專用變壓器用戶、各類380/220V供電的工商業用戶和居民用戶、公用配電變壓器考核計量點。用電信息采集系統主要功能包括數據采集、數據管理、自動抄表管理、費控管理、有序用電管理、異常用電分析、線/變損分析、安全防護等，為智能用電雙向互動服務提供數據支持。系統分為主站層、通信信道層、采集設備層。
主站層實現了營銷采集業務應用、前置采集平臺、數據庫管理3部分功能，為電力營銷業務提供相應的支撐；通信信道層是連接主站和采集設備的紐帶，提供可用的有線和無線的通信信道，主要采用的通信信道有光纖專網、GPRS/CDMA無線公網、230 MHz無線專網；采集設備層是用電信息采集系統的信息底層，完成用戶用電信息的采集。該層可分為終端子層和計量設備子層。
8)智能電網傳感網信息處理及一體化管理平臺
電力物聯網支撐了諸多智能電網應用，建立統一的、面向服務的傳感信息共享與應用服務體系，能夠實現電力物聯網應用的一體化數據資源組織、信息共享、數據加密、高性能的協同分析處理，智能電網各類基于物聯網的業務應用提供統一、規范、共享的數據采集與信息服務。
智能電網傳感網信息處理及一體化管理平臺通過建立統一的、面向服務的智能電網傳感網絡應用系統一體化信息共享平臺，實現了不同場景的物聯網采集數據的多源/多類型/異構數據一體化組織和管理，將智能電網傳感網絡信息和已有電網、地理空間數據進行一體化組織，實現輸、變、配電網信息作為“一張電網”的協同管理與融合共享。同時，在數據共享的基礎上，優化圖形瀏覽和分析的服務引擎，提供高效的平臺可視化功能。
4電力物聯網示范工程建設
4.1示范工程情況
針對課題的研究內容和應用驗證工作，立足我國電網的實際情況，依托江蘇省電力公司無錫供電公司的應用驗證和工程實施，建立面向智能電網的無線傳感器網絡應用驗證系統。無錫驗證系統建設地點在無錫新區，涉及的電網部分包括變電站3個，超高壓、高壓輸電線路2條，10kV線路20條，線路長度97.534 km，其中，電纜29.259 km，架空68.275 km。10 kV配電所（開閉所）1座，10 kV變電所（小區公配所）31座，環網柜12個，箱變8個，系統覆蓋高壓（10 kV）用戶148戶，低壓居民用戶19 123戶，低壓非居民用戶2 454戶，以點、線、面的模式逐級建設課題的應用驗證系統規劃。
電力傳感器網絡示范區建設示意如圖20所示。該應用示范區涉及電網輸、變、配、用4個環節的具體應用，具體涉及的電力設備及設施包括以下內容。
變電站：500kV梅里變電站、220k V荊同變電站、110 kV梅村變電站。
輸電線路：220 kV梅東線、110 kV荊協線。
配電線路：10 kV泰伯122線、10 kV梅村123線、10 kV曲尺116線、10 kV華泰121線、10 kV新梅117線。
公配所：梅里水晶城公配所、梅滿嘉園10 kV吳越之星1號站、梅滿嘉園10 kV吳越之星2號站、城色佳園1號站、香梅人家6號站。
開閉所：高榮開閉所、高典2號站、10kV光明站、天鵝開閉所、10 kV周涇站。
環網柜：10 kV梅村123線1~5號環網柜。
用電小區：梅滿嘉園、城色佳園、梅里水晶城。
4.1.1 示范工程成效
電力物聯網示范工程的建設起到了顯著成效，具體體現在以下幾個方面。
在輸電環節，通過輸電線路在線監測系統的建立，實現了線路運行狀態、桿塔防護的實時監控，增強了輸電線路、桿塔及設備的防護，保障了電網安全運行。線路巡檢質量的提高可大大減少變壓器、輸電線路、桿塔的被盜率，同時，通過故障預警功能對線路和設備及時維護，保障電網安全運行。
在變電環節，變電環節信息管理平臺與電氣設備狀態在線監測系統，實現了變電設備狀態監測，對多種傳感數據、電網基礎數據進行綜合分析并提供友好標準數據接口，為生產管理等系統提供數據服務和信息服務，有利于充分挖掘電網數據價值，為電網企業全面掌握電網運行信息和綜合決策提供基礎數據和技術支撐，為企業的安全生產運行提供保障，減少了企業管理內耗，提高了綜合經濟效益和管理效益。
在配電環節，基于物聯網技術和無線傳感器網絡技術，實現了電力配電環節的智能巡檢。通過在智能傳感網絡部署，實現了對輸電線路、電氣設備等在線監測及電網關鍵參數實時監控和故障預警，提高電網安全監控及應急處置能力；通過傳感器采集環境信息與狀態監測信息，實現了巡檢數據深入、自動化的分析和決策，有助于指導巡檢工作，提高缺陷管理能力，實現缺陷和故障早期預警，減少因設備隱患和缺陷造成的事故損失。
在用電環節，通過建設基于物聯網和傳感器網絡的高可靠性智能用電信息采集系統，推進營銷計量、抄表、收費模式標準化建設和信息化建設。為提升快速響應市場變化、快速反映客戶需求，從客戶用電信息的源頭提供數據支持，為分時電價、階梯電價、全面費控的營銷業務策略實施提供支撐平臺，并為智能電網配電、用電側的全面建設提供基礎和技術保障，對提升電網服務質量和水平起到了重要作用。
結束語
本文中電力物聯網相關核心技術的研究與示范系統建設將電力通信網網絡不斷向電網生產現場及用戶延伸，對于構建覆蓋電網生產、經營、管理、服務的各類節點的泛在感知網絡具有重要的指導和示范價值。一方面，泛在感知的電力物聯網實現了更多節點的覆蓋，能夠全面提升電網生產、電網服務、電網管理的全面感知、數據采集及服務互動能力；另一方面，電力物聯網的建設及大量用于物聯網采集的傳感器、終端、系統的研制為數據采集提供了便捷的手段，極大降低了電力物聯網感知各類數據的成本，為智能電網大數據采集與大數據規模開發和應用奠定了技術、裝置和網絡基礎。
隨著電力物聯網規模的不斷發展和采集數據規模的累積和增加，后續工作將進一步開發和研究基于電力物聯網采集數據的跨專業融合、深度共享與精準用戶服務技術，能夠為電網的生產、經營、管理提供更科學、高效、智能的輔助決策支撐。