“中国制造2025”出版工程--物联网与智能电网关键技术

在“中国制造2025”的大环境下，物联网与智能电网技术作为高新技术和新兴产业，是国家战略发展的重点。本书集中介绍了物联网与智能电网关键技术。首先从物联网的定义和架构入手，概要性地讲述物联网与智能电网所涵盖的相关学科知识与技术，使读者能了智能电网的基本概念、基本知识与相关技术以及发展趋势，系统地掌握智能电网的全貌。其次将物联网的知识、技术、理论与智能电网结合起来，突出该学科融合交叉的创新特点。从更广阔的视角看待智能电网，即智能电网应与社会、经济、环境相结合，智能电网的智能概念除了传统的电力系统内涵外，还应包括多种维度的内涵，以便驱动“智能”的发展与演进。

物联网是近几年发展起来的新型信息科学技术，是计算机、通信、自动控制等学科的高度交叉融合。物联网从概念已落实为具体的行动，全国的物联网产业、工程示范、应用服务、科研以及相关领域的应用逐渐发展壮大，在当今的社会、经济和生活中发挥着日益重要作用。
物联网是信息技术发展到一定高度的结果，是以信息技术、通信技术和计算机技术为代表的，包括电子技术、自动控制技术、智能科学等在内的多种技术与科学的融合与扩展，是继互联网后的又一次创新。物联网是一个复杂的系统工程，涉及多个层次与多个领域，其特征体现为“全面感知、可靠传送、智能处理”。
智能电网与物联网作为具有战略意义的高新技术和新兴产业，已引起世界各国的高度重视，我国政府不仅将物联网、智能电网上升为国家战略，还在产业政策、重大科技项目支持、示范工程建设等方面进行了全面部署。智能电网与物联网的相互渗透、深度融合和广泛应用，能有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，进一步实现节能减排，提升电网信息化、自动化、互动化水平，提高电网运行能力和服务质量。物联网和智能电网的发展也将促进电力工业的结构转型和产业升级。物联网技术将进一步助力智能电网的实现，如设备状态的预测和调控、资产全寿命周期管理的辅助决策、电网与用户间的智能互动等。
本书是以物联网的架构为基础展开的，着重介绍了物联网与智能电网的关键技术和近几年来发展并得到广泛应用的新技术，主要包括物联网架构、感知关键技术、通信与安全关键技术、大数据与边缘计算技术、智能电网的优化与运行等。
第1 章主要介绍了物联网的基本概念、物联网架构、元素与标准及关键技术域，并重点讨论了物联网一个非常重要的领域——智能电网。第2 章在分析智能电网与传统电网不同的基础上，介绍了新信息通信技术在电力系统中的应用。第3 章～第6 章着重介绍了物联网与智能电网的关键技术。
第3 章为感知技术。目前，传感器技术已向智能传感器方向发展，而RFID 技术向着多功能、多维度、无线化的方向发展。在物联网中最有广阔应用前景的是生化无线传感器，它与RFID 和无线传感器网络的结合为其在物联网中便捷应用带来了光明的前景。以NB-IoT 和LoRa 为代表的广域通信技术将为物联网的发展注入活力。
第4 章为物联网通信与安全技术。5G 作为将要全面应用的移动通信系统，其广覆盖、高速率、低时延和低功耗的特点将使其成为物联网的首选接入平台。物联网所面对的安全性挑战比传统的互联网的安全性挑战更为严峻，其本质是对“实体信息”的挑战。这需要采用更为先进的安全技术解决物联网在互联网中面对的安全问题。智能电网作为物联网的一个应用领域，其通信基础设施的构成较为复杂，同样存在多方面的安全威胁，这需要采用技术性和非技术性的解决方案保障其安全。
第5 章为智能电网中的大数据与物联网的边缘计算。大数据具有许多优势，可以从中挖掘出新规律、新知识和新价值，从而更好地满足用户的用电需求、更好地响应需求侧、更好地调度管理电网。边缘/雾计算技术是对云计算的补充和延展，边缘/雾设备的位置接近所产生的数据，使其在资源分配、服务交付和隐私保护表现出了突出性能。
第6 章为AMI 与DR 及其智能电网中信息处理的使能技术。在智能电网时代，由于用户更多的参与以及波动性较大的分布式可再生能源对电力系统的日益渗透，使传统的集中式的信息处理方式难以应对智能电网的需要。为此智能电网从传统的集中式计算向分散的、自组织的、主动的和整体计算方式转变，其意义旨在支持数据丰富但信息有限的环境的快速决策，增强智能电网运行。
本书的最后一章主要介绍了我国的可再生能源现状与发展趋势，及相应的微电网技术。
本书内容全面，脉络清晰，文字通俗易懂，方便读者自学。本书适用于从事物联网、智能电网、电力系统研究、开发及应用的工程技术人员、技术管理人员等，也可供高等院校相关专业师生参考。
本书在写作过程中得到了北京科技大学王志良教授、青岛科技大学物联网工程教研室全体老师的大力协助，在此表示衷心的感谢！
由于物联网与智能电网技术发展迅速，以及笔者的水平有限，书中难免有不当之处，敬请读者批评指正。

著者

曾宪武，青岛科技大学信息学院，中国物联网人才培养众创联盟副理事长，青岛市软件学会理事，系主任，教授，
教育背景：
（1）1987年7月毕业于北京邮电大学，通信工程系；
（2）1993年7月毕业于兰州交通大学，铁路运输自动化方向，获工学硕士学位；
（3）2008年毕业于中国海洋大学，海洋信息探测与处理方向，获理学博士学位。
工作经历与代表性科研成果：
（1）1987.07～1990.09，甘肃省邮电管理局，任载波通信助理工程师；
（2）1993.07～1996.04，兰州交通大学，电信系，通信工程专业，任讲师；
（3）1996.04～2002.12，烟台东方电子信息产业集团有限公司，任通信事业部、配电自动化事业部主任工程师，主持了枣庄配电自动化、上海闵行及人民广场配电自动化等项目，规划设计了岳阳、东营等配电自动化系统；
（4）2003.01～至今，青岛科技大学任教，从事通信工程与物联网工程教学、智能电网方向的教学科研工作，完成国家自然科学基金资助项目“时滞离散变结构控制系统的分析与综合（60574005）”，国家自然科学基金项目“具有时间滞后的离散变结构控制系统的分析与设计（60674020）”，及山东省自然科学重点基金项目“滞后广义变结构控制系统的建模”（资助号：Z2006G11）。承担自然科学基金资助项目“基于海量时空数据语义挖掘及分布密度估计的城市区域社会功能研究(61402246)”。先后发布科研论文40多篇，其中被SCI、EI收录20篇，主持横向课题3项、主讲的《电磁场理论》被评为2010校级课程，2011年度被山东经信委、省教育厅评为山东省企校合作办学先进个人。

本书以物联网与智能电网的发展为基础, 较为全面地介绍了物联网与智能电网的关键技术, 主要包括物联网架构、感知关键技术、通信与安全关键技术、大数据与边缘计算技术、智能电网的优化与运行等, 最后分析了我国可再生能源的现状与发展趋势及相应的微电网技术。内容全面, 脉络清晰, 文字通俗易懂, 方便读者自学。
本书适合从事物联网、智能电网、电力系统研究、开发及应用的工程技术人员、技术管理人员等, 也可作为高等院校相关专业的师生的参考教材。

第1 章　概述　/ 1
　1.1　物联网的基本概念　/ 1
 　1.1.1　物联网的愿景与定义　/ 1
 　1.1.2　物联网的主要特征与面向服务的物联网功能愿景　/ 2
 　1.1.3　物联网机遇　/ 4
　1.2　物联网架构、元素与标准　/ 5
 　1.2.1　物联网架构　/ 5
 　1.2.2　物联网元素　/ 7
 　1.2.3　物联网标准　/ 9
　1.3　物联网关键技术　/ 13
 　1.3.1　应用域、中间件域、网络域和对象域技术　/ 13
 　1.3.2　互操作性和集成技术　/ 14
 　1.3.3　可用性与可靠性技术　/ 16
 　1.3.4　数据存储、处理与可视化技术　/ 17
 　1.3.5　可扩展性技术　/ 18
 　1.3.6　管理与自配置技术　/ 19
 　1.3.7　建模与仿真　/ 20
 　1.3.8　标识的唯一性　/ 20
 　1.3.9　安全与隐私　/ 21
　1.4　物联网在中国的应用与发展　/ 22
 　1.4.1　物联网在中国的主要应用领域　/ 23
 　1.4.2　物联网在中国的发展　/ 24
　1.5　物联网与智能电网　/ 25
 　1.5.1　智能电网的基本概念　/ 26
 　1.5.2　智能电网中的物联网　/ 27
　1.6　智能电网中的物联网关键技术　/ 29
 　1.6.1　基于智能电网的物联网架构层次　/ 29
 　1.6.2　智能电网中的物联网关键技术　/ 30
　1.7　智能电网诞生与政策推动　/ 32
 　1.7.1　智能电网的诞生　/ 32
 　1.7.2　主要国家对智能电网的政策推动　/ 32
　1.8　智能电网面临的挑战　/ 35
 　1.8.1　信息和通信　/ 35
 　1.8.2　感知、测量、控制　/ 36
 　1.8.3　电力电子与电量存储　/ 38
　1.9　小结　/ 40
　参考文献　/ 41

第2 章　智能电网基础　/ 54
　2.1　电力系统构成　/ 54
 　2.1.1　电力系统结构　/ 54
 　2.1.2　发电与电网结构　/ 54
　2.2　电力自动化系统　/ 57
 　2.2.1　电力自动化的目标、新技术与内容　/ 57
 　2.2.2　变电站综合自动化系统　/ 60
 　2.2.3　电力调度自动化系统　/ 64
 　2.2.4　配电网综合自动化系统　/ 66
 　2.2.5　电能自动抄表系统　/ 68
　2.3　新信息通信技术在电力系统中的应用　/ 69
 　2.3.1　云计算与边缘计算的状态估计架构　/ 70
 　2.3.2　智能电网中的大数据分析　/ 78
　2.4　小结　/ 87
　参考文献　/ 88

第3 章　感知技术　/ 91
　3.1　智能传感器　/ 91
 　3.1.1　智能传感器的构成　/ 91
 　3.1.2　智能传感器的软件系统　/ 94
 　3.1.3　MEMS　/ 96
　3.2　无线生化传感器　/ 97
 　3.2.1　无线电化学传感器　/ 98
 　3.2.2　无线电子化学传感器　/ 100
 　3.2.3　无线光学传感器　/ 101
 　3.2.4　其他转导机制的无线传感器　/ 104
 　3.2.5　无线化学传感器的挑战与关键技术　/ 105
　3.3　智能电表　/ 106
 　3.3.1　智能电表的发展与基本构成　/ 106
 　3.3.2　智能电表的构成模块　/ 108
 　3.3.3　谐波对智能电表的影响及智能电表的安全与隐私及攻击类型　/ 110
　3.4　RFID 与无线传感器网络　/ 112
 　3.4.1　RFID　/ 112
 　3.4.2　无线传感器网络　/ 115
 　3.4.3　IEEE 802.15.4 标准及ZigBee 协议规范　/ 117
 　3.4.4　RFID 与WSN 的集成　/ 119
　3.5　NB-IoT 与LoRa 技术　/ 121
 　3.5.1　NB-IoT　/ 122
 　3.5.2　LoRa 技术　/ 136
　3.6　定位技术　/ 145
 　3.6.1　基于无线信号的定位技术　/ 147
 　3.6.2　基于WLAN 信道状态信息的室内定位技术　/ 149
 　3.6.3　5G 定位技术　/ 154
　3.7　小结　/ 157
　参考文献　/ 158

第4 章　物联网通信与安全技术　/ 167
　4.1　物联网对通信与安全要求　/ 167
 　4.1.1　物联网通信系统的构成　/ 167
 　4.1.2　对通信及安全的要求　/ 168
　4.2　无线网络技术及其分类　/ 170
 　4.2.1　物理层技术　/ 170
 　4.2.2　媒质访问控制层技术　/ 173
 　4.2.3　网络层技术　/ 179
　4.3　物联网的无线通信标准　/ 181
 　4.3.1　超短距离通信标准　/ 181
 　4.3.2　短距离和低数据速率的标准　/ 181
 　4.3.3　WiFi 标准　/ 183
 　4.3.4　低功耗广域网标准　/ 184
 　4.3.5　蜂窝移动通信标准　/ 185
　4.4　物联网的通信协议　/ 187
 　4.4.1　应用协议　/ 187
 　4.4.2　服务发现协议　/ 194
 　4.4.3　基础设施协议　/ 195
 　4.4.4　其他协议　/ 198
　4.5　物联网架构的安全　/ 199
 　4.5.1　典型的商业物联网架构　/ 200
 　4.5.2　典型的商业物联网架构的安全功能　/ 207
　4.6　5G 与物联网　/ 214
 　4.6.1　5G 物联网的能力与要求　/ 214
 　4.6.2　5G 物联网的关键使能技术　/ 216
 　4.6.3　5G-IoT 面临的技术挑战与发展趋势　/ 218
　4.7　智能电网的通信技术　/ 221
 　4.7.1　通信系统结构　/ 221
 　4.7.2　有线通信技术　/ 222
 　4.7.3　无线通信技术　/ 223
　4.8　智能电网的安全问题　/ 224
 　4.8.1　智能电网安全挑战和目标及一些相关工作简介　/ 224
 　4.8.2　威胁智能电网安全的技术来源　/ 226
 　4.8.3　清除智能电网安全威胁的参考框架　/ 228
　4.9　小结　/ 230
　参考文献　/ 230

第5 章　智能电网中的大数据与物联网的边缘计算　/ 244
　5.1　智能电网与大数据　/ 244
 　5.1.1　智能电网的大数据源及大数据分析带来的益处　/ 244
 　5.1.2　智能电网中的大数据应用　/ 246
　5.2　智能电网大数据分析的技术　/ 249
 　5.2.1　大数据分析的平台　/ 249
 　5.2.2　对电能大数据的分析及其关键技术　/ 251
　5.3　物联网中的边缘/雾计算　/ 253
 　5.3.1　基本概念　/ 253
 　5.3.2　雾/边缘计算架构　/ 256
 　5.3.3　雾/边缘计算提供的服务　/ 258
　5.4　物联网雾/边缘计算域内的协议与模拟技术　/ 260
 　5.4.1　物联网雾/边缘计算域内的协议　/ 261
 　5.4.2　物联网雾/边缘计算域内的模拟技术　/ 264
 　5.4.3　安全与隐私　/ 266
　5.5　小结　/ 269
　参考文献　/ 270

第6 章　AMI 与DR 及其智能电网中信息处理的使能技术　/ 279
　6.1　高级计量基础设施AMI　/ 279
 　6.1.1　AMI 与智能电网　/ 279
 　6.1.2　AMI 的子系统　/ 281
 　6.1.3　AMI 的安全　/ 284
 　6.1.4　AMI 的相关标准和协议　/ 288
　6.2　需求响应（DR）　/ 289
 　6.2.1　DR 基本概念与实施DR 的益处　/ 289
 　6.2.2　DR 中的用户分类及用户域的概念模型　/ 291
 　6.2.3　DR 计划　/ 295
 　6.2.4　DR 的使能智能技术　/ 296
　6.3　智能电网中信息处理的使能技术　/ 298
 　6.3.1　智能电网中信息处理技术面临的挑战　/ 298
 　6.3.2　智能电网优化模型　/ 299
 　6.3.3　在线电压控制　/ 301
 　6.3.4　在线安全分析　/ 302
 　6.3.5　广域监控、保护和控制　/ 303
 　6.3.6　电力市场预测　/ 303
 　6.3.7　自适应风电预测　/ 304
　6.4　小结　/ 305
　参考文献　/ 306

第7 章　可再生能源与微电网　/ 314
　7.1　中国的可再生能源与减排　/ 314
 　7.1.1　水电　/ 315
 　7.1.2　风电　/ 315
 　7.1.3　太阳能　/ 316
 　7.1.4　生物能　/ 317
 　7.1.5　其他可再生能源　/ 317
 　7.1.6　中国可再生能源发展的前景　/ 317
　7.2　智能电网与微电网的集成　/ 318
 　7.2.1　微电网与混合AC/DC 微电网　/ 319
 　7.2.2　混合AC/DC 的组件及其模型　/ 320
　7.3　微电网的优化运行问题　/ 325
 　7.3.1　微电网的优化运行模型　/ 325
 　7.3.2　微电网的优化运行模型解的概述　/ 329
　7.4　小结　/ 330
　参考文献　/ 331

附录　/ 336