第3章物联网典型应用203

第3章物联网典型应用随着2009年初美国在IBM公司的倡议下，将物联网正式引入美国国家战略，在全球掀起了一阵阵物联网热浪。欧盟、日本、韩国、中国等纷纷跟进，将物联网作为各自信息产业领域的国家级战略，物联网也有望成为继计算机、互联网之后的世界信息产业的第三次浪潮。那么，物联网的主要应用包括什么，将给人们的生产、生活带来怎样的影响？本章将一一呈现。第3章物联网典型应用3.1智能电网3.2智能交通3.3智慧物流3.4精细农业3.5公共安全3.6智慧医疗3.7智能环保3.8智能家居本章小结3.1智能电网3.1.1智能电网概述3.1.2智能电网系统与技术需求3.1.3智能电网应用与市场预期3.1.1智能电网概述智能电网的一个重要内容就是大力支持可再生能源的接入，这与中国整个电力能源结构的调整目标相一致，可以加快风电、光伏发电等绿色能源发电及其并网技术研究，规范新能源的并网接入和运行，实现新能源和电网的和谐发展。智能电网能容忍对电网多个部分的同时攻击，以及可能出现的多方面、交联、较长时间的攻击。电网的安全协议包括阻止、预防、检测、响应等，将电网和经济的影响最小化。3.1.1智能电网概述随着电网规模的日益增大，电网的运行与控制的复杂程度越来越高，对实现电能安全传输和可靠供应提出了更大的挑战，这要求我们从经济高效以及安全可靠性方面都要进行考虑。经济方面，优化资源配置，提高设备传输容量和利用率；在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口；支持电力市场竞争的要求，实行动态的浮动电价制度，实现整个电力系统优化运行。安全可靠性方面，更好地对人为或自然发生的扰动做出辨识与反应。在自然灾害、外力破坏和计算机攻击等不同情况下，保证人身、设备和电网的安全。3.1.2智能电网系统与技术需求(1)感知互动层(2)网络传输层(3)应用服务层1.发电与储能2.智能输电3.智能变电4.配电自动化5.智能用电(1)感知互动层感知互动层主要通过无线传感网络、RFID、全球定位系统等信息传感终端，实现对智能电网各应用环节相关信息的采集，包括传感器等数据采集设备以及数据接入到网关之前的传感器网络，例如RFID标签和用来识别RFID信息的扫描仪、视频采集的摄像头、各种传感器以及由短距离传输技术组成的无线传感网。电力物联网感知互动层以传感网和通信网的结合为切入点，通过异构网络实现协同工作以形成可管理的感知网。感知互动层可进一步划分为两个子层，首先是通过传感器、智能视频识别等设备采集数据，然后通过RFID、工业现场总线、微功率无线、红外等短距离传输技术传输数据。感知互动层是电力物联网发展和应用的基础，RFID技术、感知和控制技术、短距离无线通信技术是感知互动层涉及的主要技术，其中又包括芯片、通信协议、RFID材料、智能节点等细分领域。目前，感知互动层的无线传感网技术标准众多，但电力物联网的标准和规范较少，一方面是由于物联网技术在电力系统中的应用刚起步，尚处于探索阶段；另一方面，物联网设备在强电磁环境下应用的可行性以及对电力设备的潜在影响需进行严格论证和验证。(2)网络传输层网络传输层以电力光纤网、电力无线专用网为主，辅以电力线载波通信网、无线通信公网，实现感知互动层各类电力系统信息的广域或局部范围内的信息传输。这些数据可以通过电力专网、电信运营通信网、国际互联网、小型局域网等网络传输，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。网络传输层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括传感网数据的存储、查询、分析以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网传输层的重要组成部分，也是应用服务层众多应用的基础。(3)应用服务层应用服务层主要采用数据挖掘、智能计算、模式识别以及云计算等技术，协同各系统共同运作，实现电网海量信息的综合分析和处理，实现智能化的决策、控制和服务，从而提升电网各个应用环节的智能化水平。应用服务层解决的是信息处理和人机界面的问题，由网络传输层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理。应用服务层也可以按照形态直观地划分为两个子层，一个是应用程序层，进行数据处理；另一个是终端设备层，提供人机界面。1.发电与储能图3-1电力物联网的应用服务架构2.智能输电输电环节是智能电网中一个极为重要的环节，虽然已经开展大量研究和示范工作，但依然存在许多问题，主要有：电网结构仍然薄弱，设备装备水平和健康水平仍不能满足建设坚强电网的要求；设备检修方式较为落后；系统化的设备状态评价工作刚刚起步。因此，在输电可靠性、设备检修模式以及设备状态自动诊断技术上，和国际水平相比还存在一定的差距。在智能电网的输电环节中有许多应用需求亟待得到满足，需要结合物联网的相关技术，提高智能电网中输电环节各方面的技术水平。2.智能输电电网技术改造工作将持续开展，改造范围包括线路、杆塔和电容器等重要一次设备，保护、安稳和通信等二次设备，以及营销和信息系统等。可以结合物联网技术，提高一次设备的感知能力，并很好地结合二次设备，实现联合处理、数据传输、综合判断等功能，提高电网的技术水平和智能化程度。输电线路状态检测是输电环节的重要应用，主要包括雷电定位和预警、输电线路气象环境监测与预警、输电线路覆冰监测与预警、输电线路在线增容、导地线微风振动监测、导线温度与弧垂监测、输电线路风偏在线监测与预警、输电线路图像与视频监控、输电线路运行故障定位及性质判断、绝缘子污秽监测与预警、杆塔倾斜在线监测与预警等方面。这些方面都需要物联网技术的支持，包括传感器技术、分析技术和通信技术等。利用物联网技术加强这些高级应用，可以进一步提高输电环节的智能化水平和可靠性程度。3.智能变电变电环节也是智能电网中一个十分重要的环节，目前已经开展了许多相关的工作，包括全面规范开展设备状态检修，全面开展资产全寿命管理工作研究，全面开展变电站综合自动化建设。变电环节存在的问题主要有：设备装备水平和健康水平仍不能满足建设坚强电网的要求；变电站自动化技术尚不成熟；智能化变电站技术、运行和管理系统尚不完善；设备检修方式较为落后；系统化的设备状态评价工作刚刚起步。中国电网变电环节的自动化和数字化水平、设备检修模式以及设备状态自动诊断技术和国际水平相比还存在一定的差距。在变电环节中有许多应用需求亟待得到满足，需要结合物联网的相关技术，提高电网变电环节各方面的技术水平。3.智能变电设备状态检修工作正在全面推进。以110kV及以上电压等级变压器、断路器设备为重点，设备检修工作逐步过渡到以状态检修为主的管理模式。需要物联网技术将重要设备的状态通过传感器感知到管理中心，实现对重要设备状态的实时监测和预警，提前做好设备更换、检修、故障预判等工作。智能化变电站的建设也需要全面推进。近年来，随着数字化技术的不断进步和IEC61850标准在国内的推广应用，变电站综合自动化的程度也越来越高。将物联网技术应用于变电站的数字化建设，可以提高环境监控、设备资产管理、设备检测、安全防护等应用水平。4.配电自动化配电自动化系统，又称配电管理系统，通过对配电的集中监测、优化运行控制与管理，达到高可靠性、高质量供电，降低损耗和提供优质服务的目标。电力设备的状态检修是工业化国家普遍推行的一种科学的设备检修管理策略。长期以来，中国电力设备大多采用传统的计划检修模式，耗费巨大，工效不佳。科学、合理地安排检修，降低检修成本及工作量，保证系统的高可靠性，提高设备有效利用率，是国内电力全行业所面临的困难与挑战。物联网在配电网设备状态监测、预警与检修方面的应用主要包括：对配电网关键设备的环境状态信息、机械状态信息、运行状态信息的感知与监测；配电网设备安全防护预警；对配电网设备故障的诊断评估和配电网设备定位检修等方面。目前，中国配电网设备的检修方式还普遍落后，有必要使用先进的物联网技术实现突破。4.配电自动化由于中国配电网的复杂性和薄弱性，配电网作业监管难度很大，常出现误操作和安全隐患。切实保障配电网现场作业安全高效是智能配电网建设一个急需解决的问题。物联网技术在配电网现场作业监管方面的应用主要包括：身份识别、电子标签与电子工作票、环境信息监测、远程监控等。基于物联网的配电网现场作业管理系统主要用于实现确认对象状态，匹配工作程序和记录操作过程的功能，减少误操作风险和安全隐患，真正实现调度指挥中心与现场作业人员的实时互动。随着电网规模的扩大，输、变、配、用电设备数量及异动量迅速增多且运行情况更加复杂，对巡检工作提出了更多更高的要求，而目前的巡检工作主要还是依靠人力或离线电子设备进行巡视，面对更艰巨的巡检任务，针对巡检人员的监督机制成为生产管理的薄弱环节，需要更加完善的技术手段监督巡检人员确实到达巡检现场并按预定路线进行巡检。同时，由于电网规划、管理、分析、维护系统的高度集成，迫切需要一种更加信息化、智能化的辅助手段以进一步提升巡检工作的效率。5.智能用电智能用电环节作为智能电网直接面向社会、面向客户的重要环节，是社会各界感知和体验智能电网建设成果的重要载体。目前，中国的部分电网企业已在智能用电方面开展相关技术研究，并建立了集中抄表、智能用电等智能电网用户侧试点工程，主要包括利用智能表计、交互终端等，提供水电气三表抄收、家庭安全防范、家电控制、用电监测与管理等功能。5.智能用电但是目前用电环节还存在许多不足，主要有：低压用户用电信息采集建设较为滞后，覆盖率和通信可靠性都不理想；用户与电网灵活互动应用有限；分布式电源并网研究与实践经验较匮乏；用户能效监测管理还未得到真正应用。随着中国经济社会的快速发展，发展低碳经济、促进节能减排政策的持续深化，电网与用户的双向互动化、供电可靠率与用电效率要求的逐步提高，电能在终端能源消费中的比重不断增大，用户用能模式发生着巨大转变，大量分布式电源、微网、电动汽车充放电系统、大范围应用储能设备接入电网。这些不足将成为制约中国智能电网用电环节的瓶颈，因此，迫切需要研究与之相适应的物联网关键支撑技术，以适应不断扩大的用电需求与不断转变的用电模式。3.1.3智能电网应用与市场预期发电的应用主要包括：对大规模新能源，如风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等可再生能源的发电与并网的监测，对电动汽车和储能设备的运行状态监控。智能巡检的应用主要包括：巡检人员的定位、设备运行环境和状态信息的感知、辅助状态检修和标准化作业指导等。智能电网中的变电环节有多种应用和技术改进的需求，结合物联网技术，可以更好地实现各种高级应用，提高变电环节的智能化水平和可靠性程度。物联网也将在变电环节中实现具有较大规模的产业化应用。3.1.3智能电网应用与市场预期物联网技术在智能用电环节拥有广泛应用空间，主要有：智能表计及高级量测、智能插座、智能用电交互与智能用电服务；电动汽车及其充电站的管理；绿色数据中心与智能机房；能效监测与管理和电力需求侧管理等。面向智能电网的物联网应用，应当以实际需求为牵引，凭借技术和标准优势，在智能电网发、输、配、变、用等环节推动广泛应用。通过试点工程的验证示范作用，促进技术和产品的成熟，降低技术风险和商业风险，进而形成大规模、广辐射的应用体系。预计到2015年，全国将有5～10个面向智能电网应用的物联网应用的智能城市，产业规模达到2000亿元，带动相关产业的规模达到万亿级。3.2智能交通3.2.1智能交通概述3.2.2智能交通系统与技术需求3.2.3智能交通应用与市场预期3.2.1智能交通概述物联网提出以来，一直受到各国军事部门、学术界、工业界的极大关注。它在交通运输方面的应用备受关注，为智能化的交通运输系统建设提供了一种更加系统化的解决方案。智能交通物联网就是将先进的传感、通信和数据处理等物联网技术，应用于车辆、出行者、道路及其相关的管理部门，形成一个安全、畅通和环保的互联智能交通运输系统。物联网在传统的智能交通系统的基础上，使其智能化水平有质的飞跃，通过感知车辆运行状态、交通基础设施状态、出行者行为等，