什么是智能电网，IoT ？

电网 "是为城市中的每个居民、企业和基础设施服务的电力网络。智能电网 "是这些能源系统的下一代产品，它采用了最新的通信技术和连接技术，能够更智能地使用资源、提高能效并减少碳排放。

使当今IoT 的能源网变得 "智能 "的技术包括传感器、无线电模块、网关和路由器等无线设备。这些设备提供复杂的连接和通信，使消费者能够做出更好的能源使用决策，使城市能够节约用电和开支，并使电力部门能够在停电后更快地恢复供电。

出于各种原因，市政当局越来越倾向于采用智能电网技术。其中包括需要提高能源利用率、为市民提供更好的客户服务、做好应对灾害的准备以及升级维护成本高昂的老化技术。此外，技术的进步也使无线技术（包括蜂窝电话和 RF（射频））变得经济实惠，并易于在智能电网应用中使用。

根据 科学美国人 美国有 20 万英里长的高压输电线路，总输电功率超过 100 万兆瓦。美国的问题在于，这些基础设施大多建于 20 世纪，是在互联网发明之前，当然也是在蜂窝电话和其他无线技术取代昂贵电缆的可行方案出现之前，一项耗资数十亿美元的项目中构思和实施的。

快速解答：

• 智能电网定义：智能电网通过引入双向数字通信、传感器及自动化控制系统，实现电力系统的现代化升级，从而提升供电可靠性、运行效率、网络韧性及可再生能源并网能力。
• IoT的作用： IoT （智能电表、传感器、网关、路由器）收集并传输实时运行数据，使公用事业公司能够自动化停电响应、优化能源分配，并支持需求响应和分布式能源资源。

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智能电网与传统电网有何不同？

要理解智能电网为何重要，不妨将其与传统电网进行对比——看看当双向数据传输和自动化技术引入后会带来哪些变化。

特点	传统网格	智能电网
数据流	单向	双向
停电响应	手册	自动路由切换 + 警报
计量	模拟/估计	智能电表 + 实时
可再生能源并网	有限公司	专为分布式能源资源设计
客户洞察	低	高（定价 + 需求响应）

智能电网的关键组件（及IoT ）

智能电网通过连接设备、通信网络和软件平台，实现对电力生产、输送和消费的近实时监测与管理。以下是推动智能电网现代化进程的核心组件：

智能电表

智能电表是一种数字化能源计量设备，能够自动测量用电量并向电力公司传输数据。它支持远程抄表功能，可实现分时电价计费，有助于检测停电情况，并通过分析用电模式提升需求预测的准确性。

网格传感器与监测设备

传感器实时监测电网各环节的运行状态，包括电压、电流、频率、温度、设备健康状况及故障检测。这些设备为电力公司提供所需的实时可见性，助力预测故障、预防停机并优化系统性能。

配电自动化设备

配电自动化设备在电网边缘控制和保护基础设施，包括重合闸装置、开关、电容器组和电压调节器。通过将自动化与传感器数据相结合，电力公司能够隔离故障并重新路由电力，从而提升停电响应能力和供电可靠性。

变电站监控系统

变电站是电力分配的关键控制点。智能电网解决方案通常包含联网设备和监控系统，用于追踪变压器性能、检测过热或异常负载行为，并支持远程诊断——从而减少人工检查并提升安全性。

IoT 与工业路由器

网关和路由器负责聚合并安全传输来自现场设备的数据至公用事业系统。它们通常支持 边缘计算，使基础分析或决策更接近数据源。在智能电网中，网关在安全连接、协议转换和远程设备管理方面也发挥着关键作用。

通信网络

智能电网依赖可靠的连接性，以在分布式资产与公用事业运营之间传输数据。常见的智能电网网络技术包括：

• 蜂窝网络（LTE/5G）支持广泛覆盖和可扩展部署
• 用于表对表通信和本地弹性的射频网状网络
• Wi-SUN®：面向公用事业领域的安全现场区域网络
• 专属LTE网络，专为公用事业基础设施及关键任务性能打造

公用事业公司可根据地理位置、延迟需求和安全要求采用混合方案。

实用软件平台（分析与控制）

软件系统将IoT 转化为运营决策。这些平台助力公用事业公司：

• 监控网格健康状况和资产状态
• 预测需求并规划负载均衡
• 管理分布式能源资源（DERs）
• 自动化停电检测与恢复工作流程
• 支持网络安全监控与合规性

常见平台包括电网分析工具、SCADA系统以及运营管理软件（OMS/DMS）。

关键要点

智能电网依托互联的计量与传感系统、自动化现场设备、安全网络以及分析驱动的运营模式。这些组件协同工作，实现实时可视化管理、快速响应能力，并促进可再生能源与分布式资源的深度融合。

智能电网如何运作（分步详解）

智能电网利用IoT 、安全连接和公用事业软件，实时监测电网状况并自动响应。

1. 设备收集数据：智能电表和传感器实时采集用电量、电压及设备运行状态等信息。
2. 数据传输： 通过多种连接方式（蜂窝网络、射频网状网络、Wi-SUN、私有LTE）将现场数据安全传输至公用事业系统。
3. 网关聚合与安全：IoT 和工业路由器收集本地设备数据，加密传输，并可能支持边缘处理。
4. 系统分析状况：公用事业平台分析传入数据以识别停电、风险、低效及异常模式。
5. 自动化响应：电网控制系统隔离故障、重新路由电力并调整设备，以更快恢复供电并稳定运行性能。
6. 需求响应平衡负荷：公用事业公司通过价格信号或自动化手段降低峰值需求，优化能源分配。
7. 分布式能源系统实现集成：智能电网协调可再生能源、储能及电动汽车充电，以平衡波动的供需关系。
8. 远程监控保障系统可靠性：公用事业公司可通过 Digi Remote Manager®实现集中监控与生命周期管理，有效保障设备安全性、运行时效及配置一致性。

智能电网的安全性与弹性

随着公用事业公司对电网基础设施的现代化改造，互联互通成为重要优势，同时也提升了网络安全、运行可靠性和韧性规划的重要性。智能电网通过结合安全设备、加密通信和集中监控，助力保护关键基础设施并维持服务连续性。

为何安全至关重要：IoT智能电网

智能电网将数千（或数百万）个现场设备——如智能电表、传感器和自动化设备——连接在广阔的地理区域内。保护这些联网终端有助于公用事业公司降低以下风险：

• 未经授权的设备访问
• 数据操纵或拦截
• 网络攻击导致的服务中断
• 因物理损坏或极端天气导致的停电

智能电网IoT 中采用的核心安全控制措施

智能电网安全通常围绕分层防护构建，包括：

• 设备身份与认证：确保 仅授权设备和用户能够访问系统和网络
• 加密通信：使用TLS和基于VPN的方法等加密协议保护传输中的数据
• 安全启动与固件完整性：通过确保设备仅运行可信固件并验证启动时的软件完整性，防止篡改行为。
• 远程补丁更新与生命周期管理：通过安全补丁保持设备更新，降低大规模部署中的长期漏洞风险。
• 网络分段与访问控制：隔离运营技术（OT）网络以限制暴露范围并降低横向移动风险
• 持续监控与异常检测：及早发现异常设备行为、流量模式或未经授权的访问尝试

智能电网如何增强韧性

智能电网通过将实时可视性与自动化相结合来增强韧性，使系统在风暴、设备故障或网络安全事件等中断期间能够更快响应。其关键韧性优势包括：

• 更快的故障检测与隔离
• 自动电力路由切换（在支持的情况下）
• 提升电网资产的态势感知能力
• 更高效的船员调度与恢复计划
• 在供电中断期间更好地整合分布式能源资源（DERs）

对于远程智能电网资产，解决方案如 Digi IX30工业路由器 等解决方案可提供安全可靠的连接服务。

智能电网应用案例：公用事业公司如何IoT 现场运用IoT

智能电网实现了多种实际应用——从更精确的计费到更快速的停电响应。以下是公用事业公司运用IoT 电网现代化运营并提升可靠性的常见方式。

智能计量与用电可视化

问题：传统抄表依赖人工或估算，公用事业公司对实时用量缺乏可视性
IoT ：智能电表通过安全网络自动传输用量数据，实现精准计量与及时报告
优势：远程抄表、提升计费准确性、加速故障检测、优化需求预测
典型设备/连接方案：智能电表、AMI网络、 Digi XBee Wi-SUN

故障检测与快速恢复

问题：停电故障难以快速定位，尤其在广阔的服务区域内
IoT ：电网传感器与智能电表可检测故障状态，并近乎实时地通报停电事件
优势：更快隔离故障、缩短停电时长、提升抢修人员调度精度、优化客户沟通
典型设备/连接方案：线路传感器、重合器、智能电表、网关/路由器、蜂窝网络或私有LTE回传

配电自动化与电网自愈

问题：手动切换和被动维护会增加停机时间并降低电网可靠性
IoT ：联网自动化设备可响应变化条件，自动重路由电力并隔离故障
优势：减少人工干预、提升可靠性、优化电压调节、降低连锁故障风险
典型设备/连接方案：重合器、开关、电压调节器、IoT 、安全通信网络

变电站与变压器监控

问题：变压器和变电站是高价值资产，故障可能导致长时间停电和昂贵的维修费用
IoT ：传感器监测设备健康指标，包括温度、振动、负载及电能质量参数
优势：实现预测性维护，减少非计划停机时间，延长资产寿命，提升运行安全性
典型设备/连接方案：状态监测传感器、变电站远程终端单元（RTU）、 工业路由器、有线+蜂窝回传

需求响应与峰值负荷管理

问题：用电高峰期对基础设施造成压力，可能增加运营成本
IoT ：智能电表与公用事业系统支持分时电价及自动负荷削减计划
效益：降低峰值负荷、减少用电高峰停电、提升效率并避免资本扩容
典型设备/连接方案：智能电表、IoT 、用户端自动化系统、先进计量基础设施及公用事业分析系统

可再生能源与分布式能源整合

问题：太阳能、风能、储能及电动汽车充电为电网运行引入波动性与复杂性
IoT ：智能电网通过实时监测、预测及自动化控制协调分布式能源资源（DERs）
效益：提升可再生能源利用率、增强电网稳定性、减少限电情况、实现更灵活的电网运行
典型设备/连接方式：分布式能源控制器、逆变器、监测传感器、网关、公用事业分析平台

智慧城市照明与基础设施能效

问题：市政照明与基础设施存在能源浪费及频繁维护需求
IoT ：联网路灯与基础设施传感器可动态调节输出并自动报告故障
优势：降低能耗、加速维修、提升公共安全、减少维护成本
典型设备/连接方案：智能照明控制器、运动/日光传感器、蜂窝或低功耗广域网连接、集中管理平台

智能城市如何采用智能电网技术

智能城市的应用领域非常广泛，从智能城市照明、能源管理、智能交通管理到水处理和废水管理，无所不包。

交通信号灯中的传感器可以将信息反馈给中央主管机构，以便做出决策。更妙的是，有了智能交通系统，地面交通和公共交通都可以通过路由和交通照明进行管理，从而改善或消除拥堵现象。

IoT 路灯中的传感器还可以根据实时情况调整开关时间和亮度。正负几瓦听起来并不多。但是，如果考虑到任何一个城市都有数千或数万盏路灯，那么所节省的电量和对环境的影响就会迅速增加。这些传感器还能在路灯需要维修时发出警报。 无需等待愤怒的客户打电话来抱怨路灯坏了。

此外，有了先进的远程管理解决方案，技术人员就可以远程排除故障，并决定是否派出卡车。在过去，与通过家庭办公室的管理系统进行快速固件修复或重启相比，出动卡车是不可避免的，而且费用高昂。

智能电表可实现需求响应，让家庭和企业主看到实时价格信息，从而相应地调整能源使用。例如，在冬季关闭空调或调低恒温器。最重要的是，智能电表将使电动汽车车主受益。有了实时价格信息，电动汽车车主就能在用电最便宜时为汽车充电，并尽可能避免在用电高峰时充电。  

智能电网技术的核心优势

智能电网的好处不胜枚举，以下三个例子就说明了更新后的电网有多么有用。

1.智能电网促进可再生能源发电  

传统能源网的设计目的是将电力从大型集中式发电站传输到该地区广泛的家庭和企业网络。在现阶段，电网的设计并不能 接受通过太阳能电池板或风车发电的家庭和企业的输入。智能电网的设计目的是 接受来自可再生资源的电力。

最重要的是，智能电网与支持无线功能的智能电表相结合，可以跟踪净发电厂的发电量，并给予相应的补偿。 智能电网还可以监控太阳能电池板和设备。

我们在前面提到，智能电网可以减轻恐怖袭击或自然灾害等灾难对发电站的影响，而分散式能源生产使这一壮举成为可能。在传统模式下，少数发电厂为城市供电。这使得这些服务很容易受到威胁，导致大面积停电和能源短缺。在分散模式下，即使集中式发电厂断电，包括风能和太阳能在内的多种替代能源也能取代电网中的资源。这种分散式系统更难脱机，并能提供一个发电厂为整个城市供电时所无法提供的稳健性。

2.更好的计费，更好的预测

智能电表有两个好处。首先，通过无线IoT 设备，它们可以收集大量数据，这些数据是公用事业公司以前从未接触过的。公用事业公司可以利用这些信息更好地预测何时电力需求量大，以及哪些地区的电力需求量最大。

其次，对于消费者来说，智能电网意味着更高效的计费方式。以前，用电高峰期的电费是按社区和街区平均计算的。现在，如果你在电价高时用电，就会被计费。如果您关闭电器并节约用电，您的账单也会相应减少。这将激励每个人负责任地用电。

3.智能电网更具复原力

美国能源部（DOE）的一份报告显示，美国每年因停电给企业造成的损失约为 1500 亿美元。虽然这只是一个估计数字，但即使每年损失只有 500 亿美元，停电也是一个必须解决的问题。

有了智能电网技术，一旦发生停电，电力就能自动改道，最大限度地减少对家庭和企业的影响。IoT 传感器还能报告设备状况，以便在故障发生前进行维修。 电力公司可以在停电时通知客户（通过电子邮件/社交媒体），而不是被动地回应客户的停电报告电话。

智能电网是现代智能城市的支柱  

根据太阳能产业协会的数据，到 2018 年，美国安装的太阳能电池板足以为以下设备提供电力 1230 万个美国家庭.自 2013 年起、 太阳能 就总发电量而言，可再生能源一直是美国第一或第二大新增能源。城市越来越意识到可再生能源发电的重要性，而支持所有可再生能源发电需要智能电网。随着越来越多的家庭购买必须充电的电动汽车，更新的电网也将变得更加重要。

面向未来的智能电网

智能电网技术可以用一句话来概括：双向通信的新型电网。企业和消费者首次可以获得实时账单信息，而公用事业公司在应对需求激增、修复或管理停电和其他挑战时，可以更好地满足客户的需求。智能电网具有弹性、高效和绿色的特点，对消费者、公用事业公司和环境都有好处。 要将智能电网发展到今天的水平，需要铺设数千英里的电缆，而无线技术将取代这些电缆。

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此外，我们的专业服务团队还为需要IoT 规划和部署帮助的组织提供工程支持，Digi Wireless Design Services则为需要产品设计和认证工程支持的原始设备制造商提供帮助。

智能电网与IoT

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本文最初发布于2020年4月，于2023年11月进行修订，并于2026年2月再次修订。