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智能电网中无线传感器网络的应用
摘要 ： 无线传感器网络（WSN）的分散化和轻量化结构使它们在几个科研，医疗，军事，以及最近的智能电网应用中无处不在。它们实现了普适计算和智能系统。最近，它们已经在现今的电力系统中使用，以实现智能化和实现一些在发电，输电，配电和客户智能电网的功能。它们正在成为智能电网的重要组成部分。它们的优势，因为恶劣的环境和严格的服务质量要求面临着挑战。本文介绍了智能电网的不同组件，然后提供了无线传感器网络在智能电网中不同部分的概述并提出了他们在未来的智能电网应用的不同领域的机遇和挑战。本文给出了一个实现楼宇监控系统的实例。
关键词组件;智能电网，可再生能源，无线传感器网络（WSNs）。
Ⅰ.简介
随着无处不在的传感和计算的出现，传统的电网系统正在走向信息和电力两种方式在公用事业，服务供应商和客户之间流动的“智能电网”的概念。智能电网为客户、商业和住宅提供了新的机会，通过分布式能源资源（DER）来实现它们的能源发电。DER可被作为可再生能源的形式以及热电联产，V2G/ G2V等实现。鉴于可再生能源，如太阳能电池板和风力涡轮机的可持续性，这些形式的能量被发现广泛的实现。例如，摩洛哥计划到2020年有40%的能源消耗来自可再生能源。在某些情况下，一组分布式能源（如校园、社区等）可以成为一个微电网环境。未来智能电网将由分布式能源提供可靠的能源。
用户将在智能电网中扮演一个重要角色，他们将与公用事业公司通过需求响应协议来管理峰值功率消耗。这将有利于该实用程序，以避免建立昂贵的能源发电。它也将有利于客户，因为他们将能够受益于低成本，以及通过上网电价赚钱的能力。这种相互作用将需要客户和公用事业之间通过先进的计量基础设施（AMI）进行双向的电力和信息交流。公用事业将能够与消费者沟通，监控并可能控制他们的电力消耗。此外，消费者将能够开发先进的涉及先进的传感器技术，以及无处不在的和云计算的家庭自动化工具[2]。
图1显示了典型的客户实施家庭自动化网络/系统（HAN）并通过AMI连接到智能电网。网络实现了一个无线传感器网络（WSN），是合成的。它是由ZigBee网络，使枢纽与不同主体交流（HVAC、PV等），以及有线和无线网络如WiFi。HAN在枢纽可以从不同的组件中提取信息，并且可以控制（集合）这些组件的意义上实现双向沟通。枢纽的另一面就是通过WiFi或以太网网关与外界沟通。枢纽正在实施使终端用户连接到网络的服务器。
图1无线传感器网络在家庭自动化中的应用网络（HAN）
在HAN的核心是一个无线传感器网络，用于收集信息和控制家庭内的组件。一个典型的无线传感器网络拓扑结构如图2所示。无线传感器网络采用ZigBee技术，是一种高效节能，短距离，基于IEEE 802.15.4标准的技术。ZigBee的无线电频率（RF）频谱在2.4GHz的ISM频段在世界范围内实施（16通道），在美国北部的915MHz频段实施（13通道）和在欧洲868MHz频段实施单通道。其室内有效范围为30米，而室外距离可以达到100米的低比特率。他们各自的数据率为250 kbps，40 kbps和20 Kbps。ZigBee实现它自己的本地高达64K笔记寻址。然而，随着机器对机器（M2M）网络的到来，需要有全局的访问，IPv6是正在ZigBee中实施。低功耗无线个人区域网络的IPv6（6lo WP）标准整合IPv6 over IEEE 802.15.4网络正在IETF RFC 4944中定义。未了在一个ZigBee数据包中编码IPv6数据包，6lo WP增加了一个适配层处理去碎片和重组，以及报头压缩技术。在我们的模型（图1），无线传感器网络被组进一个具有连接到个人区域网络（集线器）协调员的网关的网状拓扑结构[3-4]。
图2 zegbee网络拓扑
Ⅱ.智能电网的发展
窗体顶端
窗体顶端
窗体底端
智能电网举措包括智能技术在传统电网不同部分的执行情况。除了发电，输电和配电，这是传统电网的一部分，客户成为智能电网的一个关键的利益相关者。即使客户在传统的电网连接很明显，他/她没有在能源生产和节能方面发挥积极作用。在大多数情况下，电力分销商都集中在三个关键领域（见图3）：变电站电气网络监控与控制的遥感设备，客户电气使用的自动抄表，分布式电源能源如太阳能或风能的管理。还有其他几种网格增强功能，其中也涉及包括智能（实时）定价，家用节能设备，并且支持混合动力电动汽车[5]。
3. Distributed Power
图3 智能网络
总的来说，智能电网的这些元素使不同的设备之间的自组织通信的需求增加，以支持分布式通信的方式激励这些需求去实现无线网络。因此，对智能电网的改造也是一个深入整合电网和通信网络技术的过程。因此，智能电网是由控制和管理连接的两个网络之间一个共生的覆盖。两者的架构应该是灵活的，以适应当前的需求，以及可能是由电力供应商设想的未来的变化。通信技术与能源系统的深度融合将带来一个由不同的新组成部分组成的复杂系统。它将是具有一定的智能，以确保智能电网的新目标的网络物理系统（CPS）。这个复杂的系统由以下几个子系统：智能基础设施系统、智能管理系统、智能保护子shy;系统[ 20 ]组成。
下面的小节将讨论智能电网各组件。
Ⅲ.智能电网的功率控制
智能电网的一个关键特点是控制双向电流，以及分布式能源的集成的能力。下面的小节将描述需要实现这样的功能的关键技术。
A遥感 ︰ 监测和控制
遥感网络已经在能量分布网格在变电站中使用监督控制和数据访问 (SCADA) 的解决方案上进行了一段时间。这些系统已经被用来监测和控制其他工业基础设施，如天然气和水的公用设施，以及工厂。在电网的背景下，这些系统是部署在高电压（1 32kv）电网的网络，通常表示在按顺序的成千上万的监控控制点。这些资产通常包括高压开关、变压器和输电线路。随着电网的转变，这些监测和控制点的增加会呈指数级增长。监测及控制要点，从根本上扩展到介质（llkv）和低电压（Ui）网络，其中介绍了在我们的案例研究中的另外一百万个遥感要点。最后，智能电网也延伸到客户驻地的遥感和电源管理。这项测量和其他人是故意的，使用规范，预期你的论文作为整个诉讼的一部分，而不是作为一个独立的文件。增加几万个更多的控制点。遥感，监测和控制是智能电网的重要组成部分。能力带来契机，使用网络切换元件的远程控制去更好地管理网络的增长，和提高电网的利用率，以及减少维修时间网络故障和停电。随着传感设备数量的增加，网络通信的需求也成比例增加。此外，访问远程位置也意味着某种形式的无线技术成为解决通信差距的根本。
B自动计量
自动计量（智能电表）功能包括远程读取用户的用电，管理负载控制、电气故障监控，并支持appliancelevel报告。为了实现这些和其他功能，一个双向通信通道的智能电表是必要的，以支持读数和积极行动。在进行这些功能的许多远程的生产力，维修时间，精度和准确性有明显的收益。然而，关键的好处是赋予客户，提供更大的电力使用和充电的透明度。
C分布式电源
分布形式的电源如光伏、风能、和太阳能被业界预计为满足未来电力需求的重要能源。这些注入电网内的电源的管理和控制，不仅需要自动计量，也需要现在是逻辑上电网的一部分的这些资产细粒度的监测和控制。因此，这将进一步增加需要安全和城市与偏远地区之间可靠的通信，用关键的无线技术，以确保百分之100的覆盖面。除了分布式电源的输注，用于支持电网中电动车辆也有潜在的需求。随着管理车辆加油（充值）的电力的分布式的（家）和单片的（电站）的分配的进一步粒状支持需求，仅此需求可能被证明是智能电网颠覆性的要求。
IV.智能电网通信系统
通信系统是负责数据和信息共享，并提供给所有相互作用的实体。这些实体可以是一台机器，如AMI、变电站、中央数据仓库等，或者它可以是一个终端或一个智能手机中的人类可视化信息。本节讨论智能电网的通信系统部分。
- 智能电网的框架
由美国国家标准与技术研究所开发的概念框架（NIST [ 6，20 ]说明了所涉及的领域。这些域（表示为云）将交换信息，以完成特定的任务，如图4所示。较低层的域代表组成的电源子系统；传输域由控制中心（CC）和配电控制中心分布控制系统（DCC））控制；客户域是通过先进计量基础设施（AMI）（可以通过家庭局域网络（HAN）控制它）连接实用程序。该框架的一个重要特点是，能量可以产生在客户域，因此，分布式能源资源（DER）的概念被引入到智能网格。这将涉及工厂自动化，以及住宅或工业客户自动化系统。区域系统运营商的更高层领域，能源服务提供商，和电力市场将需要信息（不是数据）作出决定。图中显示了在这些域之间应被通信系统保护的双向通信接口。
图4.智能电网框架
鉴于该系统的异质性，不同的技术将被利用。即，无线Mesh网络、WiFi、ZigBee、蜂窝网络、认知无线电、微波、电力线通信和光纤网络。在这个通信基础设施上面、传感器和信息计量和测量将提供信息系统需要处理的数据。
B.智能电网通信系统面临的主要挑战
从物理层到应用层，通信系统将包括传播介质,使实体间的强通信协议,通过异构环境[6]。
这样的系统提出了一些挑战：
- 隐藏的通信基础设施的异质性，同时满足由更高版本的系统延迟和吞吐量方面施加的要求的互操作协议的开发。其中一个关键的发展是对中间件层的添加，能够信息过滤和处理，以及隐藏系统的异质性。
- 确定适当的和有效的通信技术的能源基础设施部分的不同部分。
- 网络安全的不同部分[ 6 ]。
V.智能电网中应用无线传感器网络的机会
无线传感器网络（WSN）的分散化和轻量化结构使他们广泛应用于科研，医疗，军事，以及最近的智能电网。他们会发现他们在智能电网，即发电，输电，配电和客户区的不同部分的应用和它们启用的是提供给需要的实体控制决策所需要的信息。无线传感器网络将成为下一代智能电网的重要组成部分，因为它们提供智能算法在应用程序运行需要的信息。智能电网中使用无线传感器网络的几个潜在的机会进行了讨论。
- 可再生能源整合进入住宅微电网
微网是未来智能电网的构建模块。从本质上讲，智能电网将提出一套微型电网，由此后者有关于维护能源管理自主权。事实上，一个微型电网应该能够从智能电网断开，当本地产生的能量（从可再生资源）足够维持微电网的操作，并重新连接时的可用的能源是可降解的。因此，一个连续和实时跟踪的消费水平（例如，在住宅电气设备）的机制应被部署。该机制也应跟踪能量产生水平（例如，在可再生能源），以及因此允许的需求响应约束的智能处理。
由于其易于部署的功能，无线传感器是一个理想的技术来跟踪能源消耗和发电水平。随着无线Mesh网络，无线传感器网络构成了AMI（高级计量基础设施）中的住宅微电网侧部署的理想架构。该AMI也将允许实时用户的交互。在最近的工作中[ 20 ]，一个无线Mesh架构在智能电网的先进计量基础设施已经提出，见图5。
图5 智能微电网高级计量体系架构
基于ZigBee的无线传感器网络的体系结构互连不同的住宅电器（如电视，电脑，洗衣机，等）和太阳能可再生能源。住宅无线传感器网络通过ZigBee-EEE 802.11网关互连形成一个IEEE 802.11无线Mesh网络，这桥接了智能电网和控制平面。最终用户（例如，房主）与控制平面（主要包括数据库服务器和应用服务器）进行交互跟踪消费水平，并发出命令来开启/关闭电器。
尽管如此，所描绘的架构强制要求一个Zigbee和WiFi之间的无线共存的深入研究。在这个方向上，进行了广泛的实验[ 20 ]，并表明ZigBee（2.4 GHz）和IEEE 802.11基本上可以共存，如果我们排除在IEEE 802.l1b/g频带使用频道13。
B.无线高级量测体系
近年来，无线传感器网络提供了一个低成本的解决方案，电力系统的无线高级量测体系（WAMI）。WAMI系统提供了几个优点包括降低抄表工作的成本，通过消除人为读表，实时电价以客户的能源消耗为基础[7],以及通过先进远程监控的资产保护[8][9]。WAMI系统需要电力公司和客户之间可靠的双向通信。无线传感器网络技术通过提供低成本、低功耗的无线通信技术，有效地解决了这一需求。
C.远程系统监控和设备故障诊断
安全性和可靠性是一个智能的最重要特征。操作失误或自然灾害造成的故障，可能造成巨大的经济损失。例如，2003年8月在美国和加拿大发生的大停电事故造成7至100亿美元的经济损失，并造成5000万多人断电[10]。
在设备故障中，许多故障可以通过更好的系统维护减轻。然而，维护电网中的所有系统将是昂贵的。鉴于它们的低成本，无线传感器网络提供了一个可行的和具有成本效益的遥感和通信解决方案，远程系统监测和诊断系统。特定的无线传感器网格可以被大规模部署去提供系统组件的健康的实时连续监测，包括发电机组、变压器、输电线路、电机等[8],[12],[13],[14],[15]。随着实时系统监控，一个系统的意外事故可以在导致级联效应和更大的灾难性系统故障的结果之前被检测和隔离。
D.智能电网中分布式太阳能无线传感器网络
在智能电网中，消费者动机通过实施以供应来自太阳能电池板的能量，这将被用于电力传送到其需要的太阳能发电系统。这样的客户可以从网格中吸取更多的能量，储存能量，或者将能量传送给智能电网。换句话说，客户可以购买，储存，或出售能源。为了使这种情况发生，客户的系统需要与网格（通过相互作用的仪表）进行通信以获得所有必要的控制信息。WSN可以用作用于连接太阳能发电机与智能电网的技术，以及另外的应用领域。
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