国家电网物联网技术研究框架.docx
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国家电网物联网技术研究框架
2010年8月
1前言
物联网应用于智能电网是信息通信技术发展到一定阶段的必然结果，将能有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，使信息通信服务于电力系统运行，提高电力系统信息化水平，改善现有电力系统基础设施的利用效率。
物联网技术应用于智能电网，将能有效地为电网中发电、输电、变电、配电、用电等环节提供重要技术支撑，为国家节能减排目标做出贡献。
面向智能电网应用的物联网研究将依托于信息通信领域的前沿成熟技术，针对电网运行的特点和实际需求，以及智能电网的建设和发展方向，建立物联网技术体系，在实现协同感知、实时监测、信息采集、故障诊断、辅助作业等功能的同时，具备可靠稳定、经济高效、规范标准、友好互动四个方面的基本特征。
可靠稳定是物联网在我国智能电网中应用的必要前提。
可靠、稳定、安全、准确的采集感知、通信传输、处理决策环节，是抵御多重故障、外力破坏、信息攻击、防灾抗灾的基础。
经济高效是物联网技术在我国智能电网发电、输电、变电、配电、用电等环节大规模应用的基本要求。
通过物联网对信息整合及共享，可以为电网安全生产、高效运营提供技术手段。
利用物联网技术可以实现全网资源和资产全寿命周期管理，提高资产及投资利用率，提升电力企业的精益化管理水平。
规范标准是我国面向智能电网应用的物联网技术发展理念。
物联网的标准规范应能够为电网发展提供长期的、广泛的先进技术支撑，充分利用电网资源向社会提供附加增值服务，适应技术进步和需求变化。
友好互动是面向智能电网应用的物联网技术的主要特征之一。
一是面向智能电网应用的物联网技术能够依据多维状态信息，为智能电网提供辅助决策依据；二是在保证电网安全的条件下，物联网技术为智能电网提供双向的交互手段，激励电源侧、用户侧主动参与电网安全运行，实现发电及用电资源优化配置。
2总体研究思路
2.1总体技术线路
物联网技术在智能电网中的应用，具有需求及应用场景多样化的特点，需根据在智能电网中的应用特点对现有物联网技术进行网络系统优化设计，包括网络布设、区域覆盖、网络结构、标准接口、服务中间件、系统安全等方面，以网架建设为基础，控制为手段，实现贯穿从发电、输电、变电、配电、用电到调度的各环节的智能化控制与管理。
在具体实现过程中，针对智能电网各环节的具体功能和业务需求，研究物联网架构中感知层、汇聚层、应用层体系，设计通信及组网方案、网络协议、编码、安全和接口规范等。
利用物联网产品电子代码（EPC）、射频识别技术（RFID）、微纳传感技术、全球定位技术等，实现对智能电网中电气设备、输电线路、辅助设施、工作人员的识别、监测与管理，其技术特点是能在多种场合下满足智能化电网各重要环节上信息获取的实时性、准确性、全面性的需求。
依托于物联网透彻的信息感知、可靠的数据传输、健全的网络架构及海量信息的智能管理和多级数据的高效处理等技术，实现电网及电气设备运行参数的在线监测，对设备状态的预测、预防、调控，基于可靠监控信息建立输电线路的辅助决策和配电环节的智能决策，加强与用户间的双向互动，以及新的增值服务等。
2.2研究课题分类
2.3总体目标
物联网技术在智能电网中的应用目标是：
将物联网在传感技术方面的优势应用到电力系统中，在用户与电网公司之间形成实时、双向、互动的信息通信网络，从而提高电网系统输、变、配、用等环节的管理效率、运行效率和安全性，响应国家节能减排的号召，为实现低碳绿色经济做出贡献。
分阶段目标：
第一阶段（2010年-2011年）：
研究试点阶段
研究物联网在智能电网各个环节的应用模式，提出电力物联网系统总体架构模型，开展电力物联网信息处理需求和中间件需求的调研，初步形成电力物联网系统的架构及其应用需求。
第二阶段（2012年-2015年）：
全面建设阶段
研发多种多功能传感器，在新能源并网、智能电表、输电线路巡检、输配电自动化、用电双向互动服务平台等关键领域取得突破，初步实现智能电网的基本功能。
第三阶段（2016年-2020年）：
引领提升阶段。
在国网公司范围内全面建成智能电网的统一业务和管理平台，在物联网专用芯片、应用系统开发、标准体系、信息安全、无线宽带、软件平台、测试技术、实验技术等方面全力部署，全面解决发输变配用电环节的信息交互和信息管理，主要业务应用达到国际先进水平，有效提升电网系统的运行和管理效率。
3物联网研究内容
3.1总体构架研究
3.1.1面向电网应用的物联网应用需求分析与应用模式研究
（1）国内外研究现状：
物联网应用于智能电网能有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，提高电力系统信息化水平，改善现有电力系统基础设施的利用效率，实现低碳经济和绿色增长。
智能电网的实施也将极大带动物联网技术产业发展。
近年来，在智能电网相关的清洁能源及接入、储能、特高压输电、大电网运行控制、灵活交流输电、数字化变电站与数字化电网、配电网自动化、状态检修与资产全寿命周期管理、自动抄表和自动测量、定制电力、通信、信息化等技术领域积极开展试点、示范工程建设以及智能电网标准化的研究和制定。
2009年，国家电网公司先后启动了智能用电信息采集系统、智能变电站、配网自动化、智能用电、智能调度、风光储、上海世博会等智能电网示范工程。
目前，国网信通、中国电科院、国网电科院已积极开展物联网在智能电网输电、变电、配电、用电等环节应用研究。
（2）研究内容：
根据我国智能电网发展要求，分析智能电网发电、输电、变电、配电、用电、调度和信息通信各个环节对物联网技术应用的需求；研究现有电力系统传感设备与物联网的关系及融合，研究并分析物联网在智能电网各个环节的应用模式、应用模型与数据模型；
（3）预期目标：
提出智能电网发电、输电、变电、配电、用电、调度和信息通信各个环节对物联网技术应用的需求；提出物联网在智能电网各个环节的应用模式、应用模型与数据模型。
（4）实施安排：
2010年6月-2010年8月：
智能电网物联网需求调研分析，完成需求分析报告；
2010年9月-2010年12月：
研究物联网在智能电网各个环节的应用模式研究，完成物联网在智能电网的应用模型与数据模型的研究报告；
3.1.2面向电网应用的物联网体系架构研究
（1）国内外研究现状：
在国内，物联网技术起步较早，几乎与国际同步，中科院在1999年就启动了物联网研究，在物联网通信技术、微型传感器、传感器终端机等方面取得重大进展，已初步形成从材料、技术、器件、系统到网络的产业链。
在世界物联网领域，中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的重要参与国，在某些方面甚至是国际标准的主导国。
随着电信网络特别是无线网络的扩展，传感技术的发展，我国推广物联网的条件逐步趋向成熟。
在电网领域，随着智能电网建设的深入开展，物联网技术在智能电网中也有一定应用，相关研究机构在输电线路在线监测、电气设备状态检修、资产全寿命周期管理、自动抄表与自动测量、水电站水文监测等领域开展了试点工程建设。
（2）研究内容：
研究并提出物联网在智能电网应用中需要解决的关键技术；研究物联网和智能电网融合条件下的坚强智能电网信息通信网络体系架构；研究面向智能电网应用的物联网网络架构、技术架构。
（3）预期目标：
提出满足智能电网发展需求的电力物联网网络层次模型、技术体系以及信息通信网络体系架构的研究报告。
（4）实施安排：
2010年6月-2010年8月：
开展电力物联网系统总体架构研究，提出电力物联网网络层次模型；
2010年9月-2010年12月：
开展电力物联网技术架构研究，提出电力物联网的技术体系架构和关键技术；
2011年1月-2011年5月：
研究物联网和智能电网融合条件下的坚强智能电网信息通信网络体系架构，提出智能电网和物联网融合条件下的电力信息通信网络体系架构的研究报告。
3.2基本技术研究
3.2.1电力物联网感知技术研究
（1）国内外研究现状：
目前，业界一般将物联网划分为感知层、网络层和应用层。
分别负责完成对物理世界数据的信息采集、数据传输和数据处理及应用辅助决策。
其中感知层
层是利用传感技术和识别技术实现对智能电网各应用环节相关信息的采集。
传感和识别技术的发展方向是低成本、低功耗、新型化、微型化、智能化、综合化。
传感器技术依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术，对基础技术和综合技术要求非常高。
目前传感器整体在被检测量类型和精度、稳定性可靠性、低成本、低功耗方面还没有达到规模应用水平，是物联网发展的重要瓶颈之一，有待在材料、工艺、原理上继续研究，提高技术成熟度。
整体上来看，我国传感器产业处于初期发展阶段，基础传感器芯片研发生产薄弱、企业规模偏小、技术标准缺乏、创新体系不完善、应用领域不广、层次偏低、运营模式不成熟。
因此，在发展过程中必须兼顾传感器、传感器网芯片、传感节点、操作系统、数据库软件、中间件、应用软件、系统集成、网络与内容服务、智能控制系统及设备等核心产业以及集成电路、网络与通信设备、软件等支撑产业的发展。
虽然欧美等国传感技术较我国先进，掌握有更多核心关键技术，但传感技术总体处于起步阶段，整体技术水平在功能、成本、可靠性方面尚有很大提升空间。
传感器网络方面，无线传感器网络逐渐成为国际主流，其技术研发基本面向应用定制，在嵌入平台上进行技术和产品研究。
识别技术相对较为成熟，开始步入发展期。
RFID、二维编码、定位、GIS等识别技术已经实现规模化应用，标准体系比较清晰。
目前RFID编码技术进入到全球统一标识标准争夺的关键阶段。
从全球产业格局来看，目前RFID产业主要集中在RFID技术应用比较成熟的欧美市场。
美、英、德、日、瑞典、瑞士、南非等国家均有较为成熟且先进的RFID产品，RFID被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。
目前，我国RFID企业总数虽然超过一百家，产业链虽已初步形成，但是缺乏关键核心技术，特别是在超高频RFID方面。
（2）研究内容：
传感器技术的研发侧重以下方面：
1）半导体硅、石英晶体、功能陶瓷、以及复合、薄膜、形状记忆合金材料等新材料新功能的新型传感器，2）MEMS等微型化传感器，3）能处理和存储信息的智能化传感器，4）多敏感元件综装在同一芯片上的多功能传感。
重新分类
根据智能电网的实际需求，充分利用已有技术成果，在智能电网的发电、输电、变电、配电、用电环节研制基于电力物联网的专用传感器。
传感器网络方面，以面向电力行业的应用定制为主，在嵌入平台上进行技术和产品研究。
开展传感器网络的处理器、存储器、电源、收发器、嵌入式硬件和软件、近距离无线通信芯片、新型电池等技术研究。
识别技术研发侧重于：
1）（低功耗、低成本、高可靠性、远距离，调整语言）RFID芯片设计与制造，2）标签封装与印刷、造纸、包装结合，导电油墨印制的低成本标签天线、低成本封装技术，3）多功能、多接口、多制式的模块化、嵌入式RFID读写器设计与制造，4）多读写器协调与组网技术，5）嵌入式、智能化、可重组RFID系统集成软件。
（3）预期目标：
全面提高面向智能电网的物联网信息感知能力，推动信息采集装备的智能化，引导智能感知装备制造技术的发展，完成适合电力系统的传感器节点的取电技术研究，研制并推出具有更多种类、更高级、可靠、灵活的、拥有自主知识产权的，智能电网系列专用智能感知装备（列出具体设备），满足我国面向智能电网的物联网应用的信息采集前端产品需求。
（4）实施安排：
2010年6月-2010年7月：
开展对电力物联网感知层的需求的调研，形成调研报告；
2010年4月-2011年8月：
研制拥有自主知识产权的智能电网系列专用智能感知装备；其中：
2010年7月-2010年10月：
研制拥有自主知识产权的用电环节的感知及数据采集智能设备；2010年11月-2011年8月：
研制拥有自主知识产权的输电、变电、配电环节的系列专用智能感知设备。
2011年8月-2012年12月：
进行研究成果的试点和推广。
3.2.2电力物联网通信关键技术研究
（1）国内外研究现状：
传感器网络的通信和组网技术是传感技术的重要组成部分。
网络通信层相对于感知层和应用层技术较为成熟发达。
经过多年的发展，我国目前已建成三纵四横的主干网络，形成了以光纤通信为主，微波、载波等多种通信方式并存的电力通信网络格局。
完善的电力通信网络为物联网在电力生产与企业经营管理中的应用提供了坚强的信息传输保障。
与此同时，经过多年的信息化建设，电网企业建成了ERP、办公自动化、营销管理、生产管理等涵盖企业生产、经营、管理各环节的信息系统，各电网公司对信息化建设的重视和投入，为物联网的应用提供了较好的切入点。
在感知层，目前电力系统采用多种通信接入方式实现感知信息的采集、传输、处理及汇聚。
对于电网的监控数据基本采用光纤通信方式，也有少量业务通过无线或电力线载波通信方式，如载波通信仍是保护信息传输的主要方式之一。
在输电线路在线监测、电气设备状态监测方面，除利用光纤传递信息外，无线传感技术也得到一定的应用，如基于无线传感器网络的输电线路在线监测系统、无线数字测温系统等。
在用电信息采集和智能用电方面，应用的通信技术较为广泛，主要包括窄带电力线通信、宽带电力线通信、短距离无线通信等。
物联网通信和网络技术涵盖低速低功耗无线接入、区域宽带接入、广域宽带接入技术以及Adhoc网络和下一代IP网络。
国外公司和标准化组织主导了低速低功耗近距离，以及UWB和WiFi等区域范围宽带无线接入技术。
以IEEE802.15.4为代表低功耗近距离技术正面向具体行业的业务需求研究新的物理层和MAC层技术。
Adhoc网络以无线传感器网络为代表，技术研发基本面向应用定制，在嵌入平台上进行技术和产品研究，国外无线传感器网络标准研究刚开始起步，ISO/IECJTC1传感器网络标准工作组2009年底成立，标准化研究内容未清晰。
欧、美、日、韩等国都启动了下一代IP网络研究，ITU-T、ISO、ETSI和IETF也积极开展下一代互联网相关标准的研究工作。
在无线传感器网络方面，加州伯克利大学研发的Mote节点以及具备节点组网功能的专用操作系统TinyOS的开发为无线传感器网络的组建和其他方面的测试研究提供了基础。
IEEE802.15.4为无线传感器网络定义了物理层和媒体接入层的接入标准；ZigBee联盟制定和设计了实现传感器节点组网的ZigBee协议规范。
国内在无线传感器网络领域的研究已经在许多研究所、企业和高校展开，中国科学院计算技术研究所在IPv6无线传感器网络节点和适合于IEEE802.15.4标准并满足ZigBee规范的无线传感器网络方面作了很多工作，推出了自主开发的GAINS系列无线传感器网络节点，国家电网公司也曾立项支持无线传感器网络在电网信息采集中的应用研究。
同时国内外研究机构也在进行基于其他物理层技术的无线传感器网络技术研究，如蓝牙、WiFi、超宽带（UWB）等。
（2）研究内容：
研究智能电网无线传感器网络物理层、链路层以及网络层的技术方案；研究无线传感器网络在不同应用环境下的可靠性、自组网特性、信号穿透性以及组网技术；研究无线传感网络与电力线载波通信、光纤复合低压电缆以及其他电力通信的混合组网技术，开发应用系统，建立应用示范；研究无线传感器网络电磁干扰及电磁加固技术，提出无线传感器网络的技术规范及相关建议；研究面向智能电网应用的电力专用无线传感器网络专用芯片设计技术；研究M2M通信技术。
（3）预期目标：
1）完成智能电网无线传感器网络物理层、链路层以及网络层技术方案的研究，提交无线传感器网络的技术规范及相关建议的研究报告；
2）完成电力物联网在不同应用环境下的可靠性、自组网特性、信号穿透性以及组网技术的研究，提出输电线路、变电站、小区无线信号传播模型和穿透特性的研究报告，提出无线传感器网络在不同应用场景下的组网方案，设计通信协议栈，完成无线传感器网络通用平台的开发；
3）完成无线传感网络与宽带载波通信、光纤复合低压电缆的混合组网技术、接口规范、标准协议以及实用化应用技术的研究，提交研究报告；完成基于无线传感网络与宽带载波通信、光纤复合低压电缆混合组网的用电信息采集系统、智能用电服务系统、智能家电/智能家居系统的开发，建立应用示范；
4）研究无线传感器网络的电磁加固技术，提出无线传感器网络在强电磁干扰以及电磁封闭环境下的可靠通信技术解决方案，研制微型化、低功耗、自组网、智能化的无线传感器网络节点设备，建立应用示范；
5）开发面向智能电网应用的电力专用无线传感器网络专用芯片，包括短距离无线通信芯片、通道加密芯片、电力线载波通信芯片、智能家电通信与控制芯片、可信接入网关控制芯片等。
（4）实施安排：
2010年6月-2010年9月：
完成智能电网无线传感器网络物理层、链路层以及网络层技术方案的研究，提交无线传感器网络的技术规范及相关建议的研究报告；
2010年10月-2011年3月：
完成电力物联网在不同应用环境下的可靠性、自组网特性、信号穿透性以及组网技术的研究，提出输电线路、变电站、小区无线信号传播模型和穿透特性的研究报告，提出无线传感器网络在不同应用场景下的组网方案，设计通信协议栈，完成无线传感器网络通用平台的开发；
2011年4月-2011年8月：
完成无线传感网络与宽带载波通信、光纤复合低压电缆的混合组网技术、接口规范、标准协议以及实用化应用技术的研究，提交研究报告；完成基于无线传感网络与宽带载波通信、光纤复合低压电缆混合组网的用电信息采集系统、智能用电服务系统、智能家电/智能家居系统的开发，建立应用示范；
2011年9月-2011年12月：
研究无线传感器网络的电磁加固技术，提出无线传感器网络在强电磁干扰以及电磁封闭环境下的可靠通信技术解决方案，研制微型化、低功耗、自组网、智能化的无线传感器网络节点设备，建立应用示范；
2012年1月-2012年12月：
开发面向智能电网应用的短距离无线通信芯片、通道加密芯片、电力线载波通信芯片、智能家电通信与控制芯片、可信接入网关控制芯片等。
3.2.3电力物联网信息处理技术研究
（1）国内外研究现状：
研究支持物联网海量复杂数据的数据存储共享、信息处理、数据挖掘、智能计算和智能服务平台及技术。
重点包括跨平台的嵌入式操作系统、面向物联网计算的一体化软件体系结构与可重构技术，感知识别层的应用中间件和面向业务应用架构的中间件，物联网搜索引擎；海量复杂感知数据存储和并行处理关键技术、高性能计算资源虚拟化控制技术，海量复杂感知数据的知识发现和数据挖掘关键技术，海量复杂感知数据处理的语义集成和共享关键技术；“云计算”虚拟化、网格计算技术；整合和分析海量信息并提供智能服务的方法；综合信息集成与业务集成技术；物联网网络管理、实时控制与多媒体人机交互技术。
目前，业界一般将物联网划分为感知层、网络层、应用层。
其中，感知层和网络层分别完成对物理世界的数据采集和传输，应用层则是指利用各种智能计算技术，对从感知层和网络层传输过来的海量数据和信息进行分析处理，从而实现对各类物体的智能化控制。
现在，国内外对物联网的研究尚处于起步阶段，但从事相关研究的专家学者们认为，物联网一旦形成规模化的应用，其接入的终端将呈现爆炸性增长，将产生海量的数据和信息，对于这些信息的存储、转换、计算、分析、检索等处理逻辑将非常复杂。
物流仓储行业的物联网当前应用都依赖于EPCglobal组织提出的EPC网络架构。
EPC网络架构包括EPC（电子产品码）标签、RFID标签阅读器、ALE中间件（实现信息的过滤和采集）、EPCIS信息服务系统，以及信息发现服务（包括ONS和PML）等五大部分，其中ONS和PML属于信息处理技术范畴，ONS即对象命名服务,类似于互联网中的DNS，主要处理电子产品码与对应的EPCIS信息服务器地址的查询和映射管理；PML指的是实体标识语言（PhysicalMarkupLanguage），所有关于产品有用的信息都用PML来描述。
（2）研究内容：
结合电力行业物联网应用的特点，充分研究在物联网条件下的业务数据的规模和特征，并在此基础上开展电力物联网信息处理技术研究，包括信息的采集、存储、交换、搜索、分发和与现有系统的互操作技术。
研究云计算和云存储技术在电力物联网信息处理中的应用，研究电力物联网统一消息总线技术，并重点开展电力网物联网海量感知信息的高并发和分布式处理技术研究。
对电力物联网的决策支持需求进行研究，包括海量感知数据的可视化展现、多维数据分析和数据挖掘技术。
（3）预期目标：
编制电力物联网信息处理需求调研报告，内容包括数据采集、存储、交换、搜索、分发等；形成典型的电力物联网海量感知数据存储和交换模型。
研究出云计算和云存储在电力物联网中的应用模式和典型技术方案。
研发满足高并发和分布式处理需求的电力物联网信息处理平台。
提出面向海量感知数据的可视化模式、技术方法、多维分析及数据挖掘模型，为形成电力物联网知识库、辅助决策支持打下基础，从而达到对物理世界的操作和控制。
（4）实施安排：
2010.6-2011.12开展对电力物联网信息处理需求的调研，并形成详细的调研报告；
2011.1-2011.12设计完成海量感知数据的存储和交换模型，提出辅助决策相关的技术方法和数据挖掘模型，并进行电力物联网信息处理平台的原型系统开发和验证；
2012.1-2012.12逐步完善相关技术研发，并进行研究成果的试点和推广。
3.2.4电力物联网可信接入网关及中间件技术研究
（1）国内外研究现状：
在智能电网中，物联网网关是连接末端感知网络与承载网络的桥梁，它的主要功能包括通信协议转换、应用协议实现和传感网管理三部分。
智能电网在其发、输、变、配、用等环节都会大量使用物联网实现感知监测，但各环节的布设环境与应用需求差异较大，感知网络的设计也会因地制宜并采用不同媒质和通信协议的接入网，因此网关的通信协议转换功能是沟通内网和外网的关键。
另外，对于非完全分布式的传感网，网关还负责一定的传感网管理功能，如拓扑管理、时隙分配、时间同步与定位服务。
智能电网是关系到国计民生的重大工程，其传感网网关的设计也和一般行业应用有着显著的差别。
首先，智能电网中某些核心传感网应用对网关的可靠性和数据安全性有着很高的要求，可以采用冗余通信链路和双机热备份的设计提高可靠性，并使用安全性较高的数据加密方式进行通信，特别是在网关不能直接连接电网通信专网而需要电信公网中转的情况下。
其次，智能电网的传感网应用覆盖面广，网关需要连接各种采用不同通信协议的传感网和接入网，这就需要网关的设计更好的模块化和标准化，以满足智能电网应用对互操作性的要求。
再次，智能电网的某些应用中，网关和传感器节点会具有一定的移动性，这就需要网关支持传感器节点的漫游功能，而且接入网也需要支持网关的无缝切换（handover）。
最后，智能电网异常情况监测和执行器节点控制应用对数据传输的实时性要求很高，传感网网关设计需要支持实时数据传输。
综上所述，智能电网的传感网网关需要实现通信协议转换、应用协议实现和传感网管理功能；并且传感网网关的设计需要针对智能电网的要求解决可靠性、安全性、互操作性、网关与节点的移动性以及实时性等关键技术问题。
面向智能电网应用的物联网是一个异构的网络系统。
从前端感知设备到接入网关到承载网络，整个智能电网物联网平台由为数众多的、结构和功能差异极大的硬件设备构成，这种硬件的异构性加大了智能电网物联网设备软件开发难度，各类设备、各功能分系统间互联互通极其困难，严重阻碍了面向智能电网应用的物联网的发展。
引入中间件技术，采用基于服务的软件系统架构可以屏蔽物联网平台的软硬件异构性，在技术上为智能电网物联网系统快速发展奠定基础。
目前，在智能电网应用中的物联网可信接入网关技术还是一个空白。
在中间件技术方面，按照IDC的分类方法，中间件可分为六类：
终端仿真/屏幕转换、数据访问
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