物联网在智能电网中的应用与实践
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摘 要：智能电网是在传统电网基础上，通过信息技术手段实现电力的进一步智能化调控。该文在总结智能电网的国内外发展现状，详细总结了该体系结构涉及到的各方面技术的发展现状，同时指出了未来可能带来突破的研究方向。以智能电网通信技术的特点为基础展开了面向智能电网的物联网架构的应用研究，无线传感器网络是整个智能电网的基础，阐述以传感器为基础对整个面向智能电网的物联网系统应用与实践。
关键词：智能电网 物联网 无线传感器
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（a）-0040-03
Abstract： The smart grid is based on the traditional power grid， through the information technology means to achieve further intelligent regulation of power. This paper summarizes the development status of smart grid at home and abroad， summarizes the development status of various technologies involved in the architecture， and points out the research direction that may bring breakthroughs in the future. Based on the characteristics of smart grid communication technology， the application research of the IoT architecture for smart grid is carried out. The wireless sensor network is the foundation of the whole smart grid. The application and practice of the whole IOT system for smart grid based on sensors is expounded.
Key Words： Smart Grid; Internet of Things; Wireless Sensor
当前我们国家正在大力发展物联网技术并提倡将物联网技术广泛应用于我国的各个领域，所以如何将智能电网的概念和物联网结合起来并进行相应的综合设计是目前所面临的一个非常重要的问题。在国家电网，2018年信通公司提出来要做SG-eIoT（electric Internet of Things），就是把电力的输电、变电、配电、用电、经营五大业务结合在电力互联网，把终端、网络、平台、运维、安全五大体系融合进去。
1 面向智能电网的物联网应用方案
1.1 物联网传感器解决方案
为了实时感知电网运行状态，需要在各种电力设备上部署大量传感器，进行相关的信息和数据采集并上报给控制中心。智能电网传感器节点收集的数据包括多种类别，涵盖电流、电压、温度、压力、湿度等各类数据。主要包括如下几个方面传感器。
（1）激光测距传感器用于测量输配电线路周边树木等危险物是否处于输配电线路的安全距离范围内，同时也可用于线路弧垂等辅助测量。
（2）导线温度传感器是用于输电线路导线在线测温的装置。
（3）测温终端采用微功耗技术，使用8AH/3.6V的自消耗低、寿命长、耐高温的锂亚电池供电方式，能够使温度采集终端单元工作在5年以上。锂亚电池与微功耗技术相结合，很好地解决了测温终端单元取电的问题。
（4）智能防盗螺栓是一款基于无线传感网络技术的多功能设备防盗传感模块，可以代替普通机械螺栓，用于配电设备的防盗预警。
（5）電压变化测量传感器用于测量低压配电线路的电能质量信号，也可用于低压电力设备的防盗预警辅助设备，整机对接入的配网电信号进行电能质量检测，同时该信号也作为外部电源，实现对整机的供电。
1.2 物联网网络解决方案
电力传感器网络场景复杂，涉及通信技术种类多、协议复杂，给数据处理、数据共享与协同带来较大难度。为在电力环境下满足如上电网感知的需求，电力传感器网络所服务的对象及数据传输具有以下3个独特的需求。
（1）传输数据量大。传感器节点需周期性发送设备的用电或其他状态信息。由于传感器节点数量多，网络内所需传输的数据量很大。
（2）实时性要求高。对于电网运行与控制信息，需要实时传输至电力控制中心，对电网运行态势进行分析，以便迅速对存在故障的线路采取实时调控措施。
传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量管理模块组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据，无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据，能量管理模块对传感器节点运行所需的能量进行管理。通过无线专网的建设，可以最大程度地提升通信实时性和安全性。电力无线专网具有接入便捷灵活，安全性高，自主可控的特点，是充分利用公司全面覆盖的光纤通信网络以及变电站等物业资源，自己建设无线通信基站，打造的一个以服务精准负荷控制、配电自动化等控制业务为核心的无线通信网络。总体而言，电力无线专网可以分为业务承载网、核心网、回传网、基站（铁塔）及终端5个部分。电力无线专网实现数据、语音、图像、视频等业务的泛在接入和可靠承载，满足电力系统发输配变用环节的业务通信需求。 业务承载网是电力各类业务系统与无线专网间的“桥梁”。核心网是电力无线专网的“大脑”，负责资源控制、数据转发、用户管理等工作。回传网是利用公司丰富光纤通信传输通道资源，建设的基站与大脑间的“信息回传通道”。基站就是无线“信号塔”，覆盖一定的地理空间，为终端提供无线接入通道。通信终端与业务终端互联，是业务数据进入电力无线专网的“入口”，满足各类电力业务的接入需求。
1.3 物联网安全解决方案
电力物联网在整体构架上划分架构整体上可划分为“云、管、边、端”。“端”就是咱们说的感知层，由环境感知、电气测量、用能采集这三大块组成。“管”就是网络层，本地通信网和远程通信网这两大块。“边”介于网络层和应用层中间，主要是进行边缘计算，以容器方式提供边缘智能服务（实时业务、数据优化等）。“云”指的是应用层，laas、pass、sass结合运维管理提供服务。黑客能够涉及到的突破口就是“边”“云”，也就是应用层突破，入侵方向一定是通过应用进入IOT平台，如果IOT平台沦陷，会导致相关设备全部沦陷，这就意味着，在电力泛在物联网的设计里面。现在IoT的协议非常多，主要涉及蓝牙、Zigbee、Z-Wave、6LowPAN、线程、WiFi、GSM/3G/4G蜂窝、NFC、Sigfox、HTTP、MQTT、CoAP、DDS、AMQP、XMPP、JMS。我们通过协议，我们会发现一个头疼的问题，即我们现在涉及到的物联网的协议标准不统一，应用范围和使用场景限定了必须要使用多种感知手段继续测试，而且基础层的大量感知设备因为内存，计算能力有限，本身很難做到安全防御，根据这些内容，我们把可能遭受的攻击方式分为了以下3种。
（1）物理接触：OBD、NFC、USB等方式。
（2）近场控制：蓝牙、WiFi、射频、信息模块等方式。
（3）远程控制：云服务系统、运营商网络、3G/4G等方式。
我们在考虑安全防御的时候，需要按照层级防护进行联防控制，先从物理层开始，物理接触涉及到的最核心的问题两个：第一，恶意攻击者接触到设备不能进行认证;第二，认证之后没有授权，无法进行操作。
物理层次的一些建议，但是其实很多设备的物理接触是不需要的，或者我们可以设计对应的插拔式接触产品，绑定该产品的硬件编码，做唯一认证，其他人操作均需要厂家认证，这种方式相对麻烦，但是安全和便捷总是互相冲突的。
（1）近场控制。近场指的是在指定范围内，可以通过某种手段去连接到与IoT设备同一网络环境下，对IoT设备进行攻击，我们常见的WiFi、蓝牙、射频等，IoT设备与其他设备不同，现在市面上大量IoT设备都是只需要配置网络网关，本身认证方式采取硬编码方式，一旦入侵，只要对内网端口和地址进行扫描，嗅探数据包，一打一个准。有关近场安全，现阶段安全的做法就是加密与隐藏信号。
（2）远程控制。远程控制就是那些我们大量直接裸漏的暴露在公网上的IoT设备，单单只靠IoT设备本身很难进行防御。也就是其实我们在做防御的时候，只需要把其当成一个直接开放在公网上的脆弱的业务系统即可，也就是对身份认证、会话管理、访问授权、数据验证、配置管理、业务安全、漏洞安全7个方面进行安全防御即可，就能避免其中大部分安全问题，这就回归了常规的安全，这里就不多说。
2 结语
该文中电力物联网相关核心技术的研究与示范系统建设将电力通信网网络不断向电网生产现场及用户延伸。一方面，泛在感知的电力物联网实现了更多节点的覆盖，能够全面提升电网生产、电网服务、电网管理的全面感知、数据采集及服务互动能力;另一方面，电力物联网的建设及大量用于物联网采集的传感器、终端、系统的研制为数据采集提供了便捷的手段，极大地降低了电力物联网感知各类数据的成本，为智能电网大数据采集与大数据规模开发和应用奠定了技术、装置和网络基础。随着电力物联网规模的不断发展和采集数据规模的累积和增加，后续工作将进一步开发和研究基于电力物联网采集数据的跨专业融合、深度共享与精准用户服务技术，能够为电网的生产、经营、管理提供更科学、高效、智能的辅助决策支撑。
参考文献
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