物聯網與智慧電網關鍵技術

物聯網是近幾年發展起來的新型資訊科學技術，是電腦、通訊、自動控制等學科的高度交叉融合。物聯網從概念已落實為具體的行動，全國的物聯網產業、工程示範、應用服務、科研以及相關領域的應用逐漸發展壯大，在當今的社會、經濟和生活中發揮著日益重要作用。

物聯網是資訊技術發展到一定高度的結果，是以資訊技術、通訊技術和電腦技術為代表的，包括電子技術、自動控制技術、智慧科學等在內的多種技術與科學的融合與擴展，是繼互聯網後的又一次創新。物聯網是一個複雜的系統工程，涉及多個層次與多個領域，其特徵體現為「全面感知、可靠傳送、智慧處理」。

智慧電網與物聯網作為具有策略意義的高新技術和新興產業，已引起世界各國的高度重視。智慧電網與物聯網的相互滲透、深度融合和廣泛應用，能有效整合通訊基礎設施資源和電力系統基礎設施資源，進一步實現節能減碳，提升電網資訊化、自動化、互動化水準，提高電網運行能力和服務品質。物聯網和智慧電網的發展也將促進電力工業的結構轉型和產業升級。物聯網技術將進一步助力智慧電網的實現，如設備狀態的預測和調控、資產全壽命週期管理的輔助決策、電網與使用者間的智慧互動等。

本書是以物聯網的架構為基礎展開的，著重介紹了物聯網與智慧電網的關鍵技術和近幾年來發展並得到廣泛應用的新技術，主要包括物聯網架構、感知關鍵技術、通訊與安全關鍵技術、大資料與邊緣計算技術、智慧電網的優化與運行等。

第1章主要介紹了物聯網的基本概念、物聯網架構、元素與標準及關鍵技術域，並重點討論了物聯網一個非常重要的領域——智慧電網。第2章在分析智慧電網與傳統電網不同的基礎上，介紹了新資訊通訊技術在電力系統中的應用。第3章～第6章著重介紹了物聯網與智慧電網的關鍵技術。

第3章為感知技術。目前，感測器技術已向智慧感測器方向發展，而RFID 技術向著多功能、多維度、無線化的方向發展。在物聯網中最有廣闊應用前景的是生化無線感測器，它與RFID 和無線感測器網路的結合為其在物聯網中便捷應用帶來了光明的前景。以NB-IoT 和LoRa 為代表的廣域通訊技術將為物聯網的發展注入活力。

第4章為物聯網通訊與安全技術。5G 作為將要全面應用的移動通訊系統，其廣覆蓋、高速率、低時延和低功耗的特點將使其成為物聯網的首選接入平臺。物聯網所面對的安全性挑戰比傳統的互聯網的安全性挑戰更為嚴峻，其本質是對「實體資訊」的挑戰。這需要採用更為先進的安全技術解決物聯網在互聯網中面對的安全問題。智慧電網作為物聯網的一個應用領域，其通訊基礎設施的構成較為複雜，同樣存在多方面的安全威脅，這需要採用技術性和非技術性的解決方案保障其安全。

第5章為智慧電網中的大資料與物聯網的邊緣計算。大資料具有許多優勢，可以從中挖掘出新規律、新知識和新價值，從而更好地滿足使用者的用電需求、更好地響應需求側、更好地調度管理電網。邊緣／霧端運算技術是對雲端運算的補充和延展，邊緣／霧端設備的位置接近所產生的資料，使其在資源配置、服務交付和隱私保護表現出了突出性能。

第6章為AMI 與DR 及其智慧電網中資訊處理的使能技術。在智慧電網時代，由於使用者更多的參與以及波動性較大的分散式可再生能源對電力系統的日益滲透，使傳統的集中式的資訊處理方式難以應對智慧電網的需要。為此智慧電網從傳統的集中式計算向分散的、自組織的、主動的和整體計算方式轉變，其意義旨在支援資料豐富但資訊有限的環境的快速決策，增強智慧電網運行。

本書的最後一章主要介紹了中國的可再生能源現狀與發展趨勢，及相應的微電網技術。

本書內容全面，脈絡清晰，文字通俗易懂，方便讀者自學。本書適用於從事物聯網、智慧電網、電力系統研究、開發及應用的工程技術人員、技術管理人員等，也可供高等院校相關專業師生參考。

曾憲武，副教授，工學碩士，理學博士。現為系主任、碩士生指導教授，從事通訊工程與物聯網工程教學、智慧電網方向的教學科學研究工作。

包淑萍，科研學者。

第1章 概述
1.1 物聯網的基本概念
1.1.1 物聯網的願景與定義
1.1.2 物聯網的主要特徵與面向服務的物聯網功能願景
1.1.3 物聯網機遇
1.2 物聯網架構、元素與標準
1.2.1 物聯網架構
1.2.2 物聯網元素
1.2.3 物聯網標準
1.3 物聯網關鍵技術
1.3.1 應用域、中間件域、網路域和對象域技術
1.3.2 互操作性和集成技術
1.3.3 可用性與可靠性技術
1.3.4 資料記憶體、處理與視覺化技術
1.3.5 可擴展性技術
1.3.6 管理與自配置技術
1.3.7 建模與仿真
1.3.8 標識的唯一性
1.3.9 安全與隱私
1.4 物聯網在中國的應用與發展
1.4.1 物聯網在中國的主要應用領域
1.4.2 物聯網在中國的發展
1.5 物聯網與智慧電網
1.5.1 智慧電網的基本概念
1.5.2 智慧電網中的物聯網
1.6 智慧電網中的物聯網關鍵技術
1.6.1 基於智慧電網的物聯網架構層次
1.6.2 智慧電網中的物聯網關鍵技術
1.7 智慧電網誕生與政策推動
1.7.1 智慧電網的誕生
1.7.2 主要國家對智慧電網的政策推動
1.8 智慧電網面臨的挑戰
1.8.1 資訊和通訊
1.8.2 感知、測量、控制
1.8.3 電力電子與電量記憶體
1.9 小結
參考文獻
第2章 智慧電網基礎
2.1 電力系統構成
2.1.1 電力系統結構
2.1.2 發電與電網結構
2.2 電力自動化系統
2.2.1 電力自動化的目標、新技術與內容
2.2.2 變電站綜合自動化系統
2.2.3 電力調度自動化系統
2.2.4 配電網綜合自動化系統
2.2.5 電能自動抄表系統
2.3 新資訊通訊技術在電力系統中的應用
2.3.1 雲端運算與邊緣運算的狀態估計架構
2.3.2 智慧電網中的大數據分析
2.4 小結
參考文獻
第3章 感知技術
3.1 智慧感測器
3.1.1 智慧感測器的構成
3.1.2 智慧感測器的軟體系統
3.1.3 MEMS
3.2 無線生化感測器
3.2.1 無線電化學感測器
3.2.2 無線電子化學感測器
3.2.3 無線光學感測器
3.2.4 其他轉導機制的無線感測器
3.2.5 無線化學感測器的挑戰與關鍵技術
3.3 智慧電表
3.3.1 智慧電表的發展與基本構成
3.3.2 智慧電表的構成模組
3.3.3 諧波對智慧電表的影響及智慧電表的安全與隱私
及攻擊類型
3.4 RFID與無線感測器網路
3.4.1 RFID
3.4.2 無線感測器網路
3.4.3 IEEE802.15.4 標準及ZigBee協議規範
3.4.4 RFID與WSN的集成
3.5 NB-IoT與LoRa技術
3.5.1 NB-IoT
3.5.2 LoRa技術
3.6 定位技術
3.6.1 基於無線訊號的定位技術
3.6.2 基於WLAN頻道狀態資訊的室內定位技術
3.6.3 5G定位技術
3.7小結
參考文獻
第4章 物聯網通訊與安全技術
4.1 物聯網對通訊與安全要求
4.1.1 物聯網通訊系統的構成
4.1.2 對通訊及安全的要求
4.2 無線網路技術及其分類
4.2.1 物理層技術
4.2.2 媒質訪問控制層技術
4.2.3 網路層技術
4.3 物聯網的無線通訊標準
4.3.1 超短距離通訊標準
4.3.2 短距離和低資料速率的標準
4.3.3 WiFi標準
4.3.4 低功耗廣域網路標準
4.3.5 行動網路通訊標準
4.4 物聯網的通訊協議
4.4.1 應用協議
4.4.2 服務發現協議
4.4.3 基礎設施協議
4.4.4 其他協議
4.5 物聯網架構的安全
4.5.1 典型的商業物聯網架構
4.5.2 典型的商業物聯網架構的安全功能
4.6 5G與物聯網
4.6.1 5G物聯網的能力與要求
4.6.2 5G物聯網的關鍵使能技術
4.6.3 5G-IoT面臨的技術挑戰與發展趨勢
4.7 智慧電網的通訊技術
4.7.1 通訊系統結構
4.7.2 有線通訊技術
4.7.3 無線通訊技術
4.8 智慧電網的安全問題
4.8.1 智慧電網安全挑戰和目標及一些相關工作簡介
4.8.2 威脅智慧電網安全的技術來源
4.8.3 清除智慧電網安全威脅的參考框架
4.9 小結
參考文獻
第5章 智慧電網中的大數據與物聯網的邊緣運算
5.1 智慧電網與大數據
5.1.1 智慧電網的大數據源及大數據分析帶來的益處
5.1.2 智慧電網中的大數據應用
5.2 智慧電網大數據分析的技術
5.2.1 大數據分析的平台
5.2.2 對電能大數據的分析及其關鍵技術
5.3 物聯網中的邊緣/霧端運算
5.3.1 基本概念
5.3.2 霧端/邊緣運算架構
5.3.3 霧端/邊緣運算提供的服務
5.4 物聯網霧端/邊緣運算域內的協議與模擬技術
5.4.1 物聯網霧端/邊緣運算域內的協議
5.4.2 物聯網霧端/邊緣運算域內的模擬技術
5.4.3 安全與隱私
5.5 小結
參考文獻
第6章 AMI與DR及其智慧電網中資訊處理的使能技術
6.1 高級計量基礎設施
6.1.1 AMI與智慧電網
6.1.2 AMI的子系統
6.1.3 AMI的安全
6.1.4 AMI的相關標準和協議
6.2 需要響應（DR）
6.2.1DR 基本概念與實施DR的益處
6.2.2DR 中的使用者分類及使用者域的概念模型
6.2.3DR 計劃
6.2.4DR 的使能智慧技術
6.3 智慧電網中資訊處理的使能技術
6.3.1 智慧電網中資訊處理技術面臨的挑戰
6.3.2 智慧電網優化模型
6.3.3 線上電壓控制
6.3.4 線上安全分析
6.3.5 廣域監控、保護和控制
6.3.6 電力市場預測
6.3.7 自適應風電預測
6.4 小結
參考文獻
第7章 可再生能源與微電網
7.1 中國的可再生能源與減排
7.1.1 水電
7.1.2 風電
7.1.3 太陽能
7.1.4 生物能
7.1.5 其他可再生能源
7.1.6 中國可再生能源發展的前景
7.2 智慧電網與微電網的集成
7.2.1 微電網與混合AC/DC微電網
7.2.2 混合AC/DC的組件及其模型
7.3 微電網的優化運行問題
7.3.1 微電網的優化運行模型
7.3.2 微電網的優化運行模型解的概述
7.4 小結
參考文獻
附錄

1.1物聯網的基本概念

物聯網是一種新資訊技術的範例，為資訊技術創新提供了一系列新服務。物聯網應用幾乎是無限的，它實現了網路世界與物理世界的無縫集成。物聯網將所有物理實體與虛擬實體的「物」連接到互聯網，以商定的協議交換資訊並進行互動，從而實現智慧辨識、定位、追蹤、監控和管理「物」的目標。它是基於互聯網的擴展，擴展了人與人之間以及人或物與物之間的通訊。在物聯網範例中，許多物將以某種形式連接到網路。射頻辨識（RFID）、感測器技術和其他智慧技術將嵌入到各種應用中。

1.1.1物聯網的願景與定義

物聯網作為一種新興的資訊技術，目前還沒有一個公認定義。但物聯網背後有各種定義、前景。

IoT（Internet of Things，物聯網），IoE（Internet of Everything，萬物互聯），M2M（Machineto Machine，機器到機器），CoT（Cloud of Things，物聯雲端），WoT（Web of Things，物聯網路）是不同作者，標準化機構（ITU、ETSI、IETF、OneM2M、OASIS、W3C、NIST等），聯盟（IERC、IoT-i、IoT-SRA、MCMC、UKFISG等），專案（IoT-A、iCore、CASAGRAS、ETPEPoSS、CERP等），行業（CISCO、IBM、Gartner、IDC、Bosch等）採用的具有相同或不同含義的相關術語。

IoE是CISCO的術語，它建立在包括人、物、資料和處理在內的含義上，而IoT僅由物構成。WoT被認為具有與IoT類似的含義，而M2M指的是對象（設備）之間沒有人為介入的直接通訊。

物聯網被認為是從兩個或三個主要觀點來定義的，即面向互聯網、面向物和面向語義的觀點。

（1）面向互聯網定義

根據面向互聯網的觀點，物聯網被視為一種全球基礎設施，可實現虛擬和物理對象之間的連接。ITU-TY.2060建議書將物聯網定義為資訊社會的全球基礎設施，通過現有的和不斷發展的可互操作的資訊和通訊技術互聯物理的或虛擬的「物」來實現高級服務。

ISO/IECJTC也給出類似的定義，將物聯網定義為互聯物的基礎設施，是人、系統和資訊資源以及智慧服務，使它們能夠處理物理和虛擬世界的資訊並做出反應。

（2）面向物定義

面向物的觀點將物視為物理實體或虛擬實體。Al-Fuqaha等人將物聯網視為一種技術，使物理對象能夠看到、聽到、思考、共享資訊、協調決策和執行工作。

在IEEE的特別報告中，物聯網被定義為「物品網路——每個物品都嵌入了感測器並連接到互聯網」。OASIS使用類似的方法將物聯網描述為「互聯網通過無處不在的感測器連接物理世界的系統」。與此觀點相關的大多數定義是指術語M2M。ETSI將名為M2M的通訊定義為兩個或更多實體之間的通訊，這些實體不一定需要任何直接的人為介入。

（3）面向語義定義

利用適當的建模解決方案，對物體進行描述，對物聯網產生的資料進行推理，適應物聯網需要的語義執行環境和架構、可擴展性記憶體和通訊基礎設施。

面向語義的定義來源於IPSO（IP for Smart Objects）聯盟。根據IPSO觀點，IP協議棧是一種高級協議，它連接大量的通訊設施，在微小的、電池供電的嵌入式設備上運行。面向語義的物聯網理念產生於該事實：物聯網的物體數量極多，因此有關如何表徵、記憶體、相互連接、搜尋和組織物聯網產生的資訊將變得很有挑戰性。在這種情況下，語義技術將起重要作用。與物聯網相關的更遠的構想被稱為「物網」（Web of Things），根據其定義，網路標準被重新連接和整合到包含嵌入式設備或電腦的網路日常生活中。

基於上述定義，我們可以將物聯網定義為基於互聯網的運算範例，它提供物理和虛擬對象之間的無縫連接，提供自適應功能配置和智慧服務與應用。

1.1.2物聯網的主要特徵與面向服務的物聯網功能願景

物聯網應該具有以下三個特徵。

（1）綜合感知

應用包括RFID、感測器等技術在內的感知設備隨時隨地獲取「物」的資訊，並應用所獲取的資訊，同時將資訊和通訊系統嵌入我們周圍的環境中。感知設備所構成的感測器網路能夠使人們與現實世界進行遠端互動。

（2）可靠的傳輸

通過各種可用的無線電網路、電信網路和互聯網，可以隨時獲得物的資訊。這裡的通訊技術包括各種有線和無線傳輸技術、交換技術、網路技術和閘道器技術。

（3）智慧處理

將物聯網獲取的資料以合理的方式進行智慧處理，為人們及時提供所需的資訊服務。智慧處理可以集中的方式在雲端技術中進行，也可以分布的方式在霧端運算中進行。

由於物聯網定義多樣，目前難以給出一種具有普適性的定義，因此需要考慮物聯網的共性。文獻從服務的角度描述了物聯網所具有的共性。這些共性如下。

（1）全球性的物聯網基礎設施

物聯網提供了全球性的基礎設施。由於互聯網為全球性的資訊互動提供了強大而堅實的基礎，因此，構建於互聯網基礎上的物聯網也是全球性的基礎設施。這些設施提供了比互聯網更加廣泛、更加多樣、更加複雜的資訊和服務。

（2）無縫互聯

物聯網擴展了互聯網的功能和特性，尤其是其提供的無縫互聯。這種無縫互聯體現在四個any上，即anytime、anywhere、anyone和anything。這意味著人與人、人與物、物與人可以在任何時空維度上進行互聯。

（3）異構的、互動性的網路

物聯網是一個異構性的、互動性的網路。異構性體現在許多方面和層次，如感知與執行設備的多樣化、短距離通訊技術的多樣化、標準與協議的多樣化等均導致了物聯網的異構性。

物聯網不但需要提供獲取的資訊服務，而且還需要依據所獲取的資訊進行決策，同時還需要將決策回饋到執行實體（這個實體可以是人、虛擬的實體或物理性執行機構），因此，物聯網是互動性網。這種互動性可以是一對一的、一對多的或多對多的。

（4）智慧服務

物聯網提供了基於辨識、感知、聯網與處理功能的智慧服務。目前物聯網所應用的RFID技術就是基於辨識而提供的智慧服務。無線感測器網路就是集感知、聯網與處理功能於一體的智慧服務的範例。

（5）物理的與虛擬的「物」具有唯一的身分與位址

物聯網能夠提供廣泛服務的基本要求就是物聯網中物理的與虛擬的「物」應具有唯一的身分與位址。身分可以表示「物」的本體屬性，而位址則表示「物」的空間屬性。雖然物聯網中的「物」是資訊的源和宿，但從時空的維度來看，「物」在時空空間中是唯一的，而表徵這種唯一性的特徵就是其身分與位址。

（6）具有智慧介面的自配置的智慧體

物聯網中存在大量的智慧體，這些智慧體是具有記憶體、運算、通訊和互動功能的實體。面對不同的服務需要，智慧體應根據服務需要的變化進行自我功能配置，同時應具有有互動能力的智慧介面來滿足通訊、互動等服務需要。

（7）開放的、可互動性的標準

物聯網的構建需要標準，這些標準應是開放的、可互動性的。開放性可保證物聯網持續演進，而可互動性是提供物聯網服務的必要條件。

（8）集成了多種新興技術的堆棧

物聯網是新興的資訊技術，它必然是包括了多種新興資訊技術的有機組合體，因此各種新興技術在物聯網中的應用便構成了多種新興技術的堆棧。

1.1.3物聯網機遇

基於物聯網服務的經濟成長對企業來說也是相當大的。醫療保健應用和相關的基於物聯網的服務，如移動健康和遠端護理所提供的醫療保健、預防、診斷、治療和監測服務，其創造約1.1萬億至2.5萬億美元的商業機會。物聯網產生的年度經濟影響估計在2.7萬億到6.2萬億美元之間。

Wikibon曾預測，2020年工業互聯網創造的價值約為12,790億美元，投資報酬率（Return on Investment, RoI）成長至149％，而2012年為13％。所有這些統計資料都表明在不久的將來，物聯網相關行業和服務可能會出現大幅且快速的成長。這一進程為傳統設備製造商提供了將其產品轉變為「智慧產品」的獨特機會。