張姣姣，于  然，許鴻飛，龐思睿，于  蒙，李雪梅，金  燊，趙慶凱

　?。▏?guó)網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053）

　　摘  要： 智能電網(wǎng)是將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)，通過(guò)統(tǒng)一信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)廣域、全局的信息實(shí)時(shí)共享。本文介紹了智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，現(xiàn)有通信系統(tǒng)的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以及通信系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，并提出了未來(lái)智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)所面臨的難題。

　　關(guān)鍵詞： 智能電網(wǎng)；無(wú)線通信；用戶戶內(nèi)網(wǎng)；領(lǐng)域區(qū)域網(wǎng)；廣域網(wǎng)

0 引言

　　在過(guò)去的幾十年里，電氣和電子技術(shù)都經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，大量的產(chǎn)品使人們的日常生活更加方便和舒適，從智能手機(jī)和流行的移動(dòng)消費(fèi)設(shè)備到智能溫濕度控制系統(tǒng)和日常家用電器如電飯煲、洗碗機(jī)和電冰箱等。自然而然地，這些電子設(shè)備的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致電力消費(fèi)的增長(zhǎng)。

　　伴隨著人口的不斷增長(zhǎng)、能源消耗的不斷增加、全球氣候變暖、化石燃料的不斷減少等問(wèn)題與電能生產(chǎn)能力的有限性之間矛盾的不斷激化，未來(lái)的電力來(lái)源將多樣化，未來(lái)的電網(wǎng)必須適應(yīng)多種能源類型的發(fā)電方式。

　　現(xiàn)有的電網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)維持將近百年，具有信息可見(jiàn)度低、開(kāi)關(guān)操作機(jī)械式、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化分析和測(cè)控感知能力差等缺陷，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化用電的新需求。為適應(yīng)高度市場(chǎng)化的電力交易的需要，減少電網(wǎng)損耗，提高電網(wǎng)利用率，迫切需要設(shè)計(jì)一種新的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，下一代電力網(wǎng)絡(luò)——“智能電網(wǎng)”應(yīng)運(yùn)而生。智能電網(wǎng)以集成的、雙向的、高速的通信技術(shù)為基礎(chǔ)，將先進(jìn)的傳感器技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制方法結(jié)合起來(lái)，在建立能源互聯(lián)網(wǎng)、提高電網(wǎng)可靠性以及電能質(zhì)量和效率、最小化電網(wǎng)故障、減少損耗，促進(jìn)消費(fèi)管理等方面提供有效保障。

1 智能電網(wǎng)的定義及發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.1  定義

　　智能電網(wǎng)（smart power grid )就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”。它是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，在高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上，將傳感測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)，信息化技術(shù)、控制技術(shù)、設(shè)備互動(dòng)技術(shù)、決策支持系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和物理電網(wǎng)高度集成而形成的智能網(wǎng)絡(luò)。它通過(guò)信息化手段，使資源開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)化（發(fā)電）、輸電、配電、供電、售電及用電的電網(wǎng)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行智能交流，發(fā)揮了中央電力體系的集成作用，實(shí)現(xiàn)精確供電、互補(bǔ)供電、各種電源和客戶終端與電網(wǎng)的無(wú)縫互連，提供了整個(gè)電網(wǎng)的可靠性、可用性和綜合效率。

　　1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

　　美國(guó)是最早從事智能電網(wǎng)研究的國(guó)家，美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）在1998年就開(kāi)始了“復(fù)雜交互式網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”研究，2001年開(kāi)展了“Intelligird（智能電網(wǎng)）”系統(tǒng)研究；在2003年7月美國(guó)能源部輸配電辦公室發(fā)布了《2030電網(wǎng)》的遠(yuǎn)景規(guī)劃，提出了到2010年建成智能電網(wǎng)示范工程、至2020年半數(shù)的電力要經(jīng)過(guò)智能電網(wǎng)輸送、至2030年要使100%的電力通過(guò)智能電網(wǎng)輸送的目標(biāo)。2010年1月美國(guó)NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù))發(fā)布了智能電網(wǎng)互操作性標(biāo)準(zhǔn)框架，其中包括相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、需求以及指導(dǎo)性說(shuō)明文件共75項(xiàng)，并提出了智能電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)階段需求的15項(xiàng)工程，基本上涵蓋了智能電網(wǎng)的各個(gè)方面。

　　2005年，歐洲委員會(huì)(European Commission)就發(fā)布了歐洲智能電網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)(European Smart Grids Technology Platform)以及相關(guān)其他文件，闡述了歐洲智能電網(wǎng)建設(shè)的整體方案，整個(gè)電網(wǎng)的建設(shè)依托于IEC標(biāo)準(zhǔn)，充分關(guān)注了分布式能源和核心能源的開(kāi)發(fā)和利用。2009年10月，歐盟公布了戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃（SET-Plan）路線圖，其中將智能電網(wǎng)作為第一批啟動(dòng)的6個(gè)重點(diǎn)研發(fā)投資方向之一，提出了2010至2020年智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展路線。

　　在國(guó)內(nèi)，2008年國(guó)家電網(wǎng)公司開(kāi)始推行電力用戶用電信息采集系統(tǒng)，規(guī)劃用3～5的時(shí)間實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的電能信息采集，實(shí)現(xiàn)“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費(fèi)”的目標(biāo)。2009年5月，在北京召開(kāi)的“2009特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議”上，國(guó)家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略。在2010年3月召開(kāi)的全國(guó)“兩會(huì)”上，溫家寶總理在《政府工作報(bào)告》中強(qiáng)調(diào)：“大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推廣高效節(jié)能技術(shù)，積極發(fā)展新能源和可再生能源，加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)”。這標(biāo)志著智能電網(wǎng)建設(shè)已成為國(guó)家的基本發(fā)展戰(zhàn)略。

2 智能電網(wǎng)中的通信技術(shù)

　　智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)通常分為骨干網(wǎng)、匯聚網(wǎng)和接入網(wǎng)三個(gè)層次。接入網(wǎng)位于通信網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)末梢，根據(jù)組網(wǎng)和接入形式可分為有線接入和無(wú)線接入兩種。有線接入網(wǎng)主要包括無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network, PON）和電力線傳輸技術(shù)（Power Line Communication, PLC），無(wú)線接入方式包括短距離無(wú)線通信技術(shù)和無(wú)線蜂窩網(wǎng)等，本節(jié)重點(diǎn)討論無(wú)線接入技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

　　從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕嵌葋?lái)看，智能電網(wǎng)通信實(shí)體可以分為三種類型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，即用戶戶內(nèi)網(wǎng)（Home Area Network，HAN），鄰域區(qū)域網(wǎng)（Neighbourhood Area Network，NAN）和廣域網(wǎng)（Wide Area Network，WAN），圖1顯示了智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

　　（1）用戶戶內(nèi)網(wǎng)（HAN）

　　HAN是智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本核心單元。圖2顯示了一個(gè)用戶戶內(nèi)網(wǎng)的框圖，消耗電力能源的家用設(shè)備和電表是主要的組成部分。理想情況下，所有家庭電器都連接到智能電表，智能電表將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊彝ゾW(wǎng)關(guān)，然后傳輸?shù)奖镜財(cái)?shù)據(jù)集中分配器。

　　短距離通信技術(shù)有利于設(shè)備之間的通信，主要通過(guò)安裝或者鑲嵌在設(shè)備內(nèi)的傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信，ZigBee是這方面應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，機(jī)器間通信（M2M）技術(shù)也可以利用，目前在LTE Release 10和更高級(jí)版本中正在標(biāo)準(zhǔn)化M2M技術(shù)。智能電表通過(guò)HAN家庭網(wǎng)關(guān)把收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜財(cái)?shù)據(jù)集中分配器中。HAN是一個(gè)典型的家庭能源管理系統(tǒng)，其使得能源管理的過(guò)程更加互動(dòng)和動(dòng)態(tài)，這將有助于優(yōu)化能源的使用并降低消費(fèi)者的費(fèi)用。

　　（2）鄰域區(qū)域網(wǎng)（NAN）

　　鄰域區(qū)域網(wǎng)NAN包括幾個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)集中分配器相連的用戶戶內(nèi)網(wǎng)（HAN），其主要作用是可靠地從HAN中采集能耗信息存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)集中分配器中。鄰域區(qū)域網(wǎng)的覆蓋范圍可能包括一個(gè)城市內(nèi)的某些建筑物或者農(nóng)村區(qū)域內(nèi)幾個(gè)同地理位置上的房子，在城市和農(nóng)村地區(qū)鄰域區(qū)域網(wǎng)的覆蓋范圍應(yīng)當(dāng)包括離本地?cái)?shù)據(jù)集中分配器最高可達(dá)500 m和700 m距離的建筑。在城市地區(qū)，無(wú)線局域網(wǎng)可以作為鄰域區(qū)域網(wǎng)實(shí)體之間的通信，F(xiàn)emtocell也是一個(gè)有吸引力的選擇；而在農(nóng)村地區(qū)，蜂窩系統(tǒng)可以被用于鄰域區(qū)域網(wǎng)實(shí)體之間的通信。

　?。?）廣域網(wǎng)（WAN）

　　廣域網(wǎng)WAN包含若干用戶戶內(nèi)網(wǎng)HAN和鄰域區(qū)域網(wǎng)NAN，也包括其他實(shí)體如本地?cái)?shù)據(jù)集中分配器和中心控制器。廣域網(wǎng)覆蓋較大的地理區(qū)域，并保持與其他所有實(shí)體的通信，比如發(fā)電和配電單元。由于不同類型的無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)都有可能成為廣域網(wǎng)WAN的一部分，互操作性顯得尤為重要，所以來(lái)自傳感器和制動(dòng)器的數(shù)據(jù)能夠在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)縫地流動(dòng)，同時(shí)路由需要在多傳輸選項(xiàng)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。大多情況下，智能電網(wǎng)將與其他應(yīng)用共享網(wǎng)絡(luò)，所以可能會(huì)遇到潛在延遲和/或?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)擁塞。智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)可能還包括關(guān)鍵時(shí)間信息，所以必須有一個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)或可選的優(yōu)先通道機(jī)制，以確保及時(shí)傳遞所有關(guān)鍵時(shí)間數(shù)據(jù)。

　　2.2 智能電網(wǎng)中的通信技術(shù)

　　通信技術(shù)作為智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，將擁有巨大的潛在發(fā)展空間。不同的通信技術(shù)可用于智能電網(wǎng)內(nèi)執(zhí)行不同的任務(wù)，從數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)發(fā)電和配電，主要技術(shù)如下:

　?。?）ZigBee

　　ZigBee設(shè)備工作在公共頻段上，在全球2.4 GHz、歐洲868 MHz和美國(guó)915 MHz 三個(gè)頻段上分別具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的傳輸速率，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，非常適合在大范圍智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用。例如，通過(guò)具有下一代IP地址(IPv6)的無(wú)線電表，用戶可以方便地訪問(wèn)電表、獲取電能使用信息、進(jìn)行電能管理、控制電器等；而電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)該電表對(duì)用戶的用電情況進(jìn)行計(jì)量、查詢和管理、優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行、監(jiān)控電網(wǎng)的使用情況、在電網(wǎng)收到?jīng)_擊時(shí)對(duì)用戶的電器設(shè)備進(jìn)行臨時(shí)的斷電管理功能。

　　（2）WLAN

　　IEEE 802.11為WLAN定義了一系列的標(biāo)準(zhǔn)以同時(shí)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。最新版本的IEEE 802.ad采用了正交頻分復(fù)用技術(shù)和多天線技術(shù)，并工作在60 GHz頻段，可以提供高達(dá)7 Gb/s的最大傳輸速率。WLAN可以作為智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的有效解決方案基于以下三點(diǎn)，首先，WLAN設(shè)備在世界上被廣泛接受和應(yīng)用部署在家庭用于因特網(wǎng)接入；其次，WLAN相對(duì)便宜，所以即使需要全新安裝，成本也不高；最后，WLAN卡是即插即用設(shè)備，安裝簡(jiǎn)單。WLAN工作在公共頻段，與其他標(biāo)準(zhǔn)共享相同的頻率資源，所以在密集部署區(qū)域容易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，這使得基于WLAN的智能電網(wǎng)系統(tǒng)面臨著挑戰(zhàn)。

　　（3）WiMAX

　　WiMAX工作在2～11 GHz頻段，采用正交頻分復(fù)用多址、多天線和自適應(yīng)編碼（AMC）等關(guān)鍵技術(shù)，峰值傳輸速率高達(dá)70 Mb/s，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50 km。WiMAX的MAC層是面向連接的，在數(shù)據(jù)傳輸之前，對(duì)應(yīng)連接的服務(wù)質(zhì)量(QoS)參數(shù)都已經(jīng)設(shè)置好了，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的業(yè)務(wù)，可提供固定發(fā)送周期和固定包長(zhǎng)，從而保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。WiMAX在MAC層定義了一個(gè)安全子層，采用加密封裝協(xié)議和密鑰管理協(xié)議兩個(gè)基本協(xié)議，并可定義安全聯(lián)盟使得基站和多個(gè)用戶站共享安全信息，具有很高的安全性，同時(shí)WiMAX具有豐富的業(yè)務(wù)接口，能夠保證電網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣性。

　　（4）蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Femto

　　蜂窩網(wǎng)絡(luò)在世界范圍內(nèi)的普遍使用使得它們成為智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)特別有吸引力的選擇。特別是3GPP項(xiàng)目頒布的LTE標(biāo)準(zhǔn)與智能電網(wǎng)具有高相關(guān)度，首先高速數(shù)據(jù)傳輸速度滿足電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊?，同時(shí)高速可靠的數(shù)據(jù)交換為智能電網(wǎng)開(kāi)放性地兼容各類設(shè)備提供了可靠的通信機(jī)制。LTE的安全性和可靠性能夠使得智能電網(wǎng)防御信息攻擊，提供高信息安全和自愈能力，并為智能控制、負(fù)荷調(diào)度、電力搶修、智能管理提供了準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息。

　　LTE系統(tǒng)中的室內(nèi)基站設(shè)備俗稱Femtocell，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)回傳可以提供非常高的數(shù)據(jù)速率。Femtocell是一個(gè)相對(duì)低成本的設(shè)備，能夠擴(kuò)展移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由于墻體穿透損耗造成室內(nèi)環(huán)境信號(hào)質(zhì)量差的無(wú)線覆蓋范圍。除了提供所有WLAN具有的功能外，F(xiàn)emtocell還具有其他優(yōu)點(diǎn)，例如其可以工作在授權(quán)頻段，可以通過(guò)智能的分配信道從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶提供有保證的QoS服務(wù)。這意味著關(guān)鍵時(shí)間數(shù)據(jù)可以通過(guò)Femtocell網(wǎng)絡(luò)安全地發(fā)送。

　　3 智能電網(wǎng)通信網(wǎng)面臨的問(wèn)題

　　實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)，需全面建設(shè)高速、寬帶、自愈的堅(jiān)強(qiáng)電力通信網(wǎng)絡(luò)，支持業(yè)務(wù)的靈活接入，即支持任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何設(shè)備、任何業(yè)務(wù)、無(wú)所不在的信息通信接入方式，由于其本身的復(fù)雜性，面臨著幾個(gè)技術(shù)方案的挑戰(zhàn)：

　?。?）智能用戶戶內(nèi)網(wǎng)

　　未來(lái)智能電表、智能溫度計(jì)以及家庭區(qū)域內(nèi)的各種傳感器等各種實(shí)時(shí)設(shè)備投入應(yīng)用。由于大部分智能電網(wǎng)設(shè)備都是無(wú)線設(shè)備，當(dāng)其部署密度很高的時(shí)候，相互間存在的干擾成為棘手的問(wèn)題，因此干擾消除技術(shù)是非常重要的研究?jī)?nèi)容。在高密度的城市部署區(qū)域，鄰域區(qū)域網(wǎng)間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)重疊覆蓋的情況，鄰域區(qū)域網(wǎng)間的干擾會(huì)成為棘手的難點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)新的有效的干擾消除方案。

　　（2）無(wú)縫的互操作性

　　不像傳統(tǒng)的網(wǎng)格，智能電網(wǎng)包括分布在廣闊地理區(qū)域內(nèi)的各種實(shí)體，其中包括屬于不同廠家的設(shè)備，因此需要建立一個(gè)共同的通信接口以保證設(shè)備的交互操作能力，并且兼容新的通信媒介。

　　另外，確保不同網(wǎng)絡(luò)間的通信和數(shù)據(jù)傳輸也存在挑戰(zhàn)，現(xiàn)狀是沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但技術(shù)又發(fā)展迅猛，因此需要建立開(kāi)放統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。很多組織在倡導(dǎo)推廣基于IP的通信，但使IP延伸到終端設(shè)備和用戶層面還有很多問(wèn)題需要解決。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)安全和信息保護(hù)

　　開(kāi)放、兼容和互聯(lián)必然伴隨著信息安全的風(fēng)險(xiǎn)。智能電網(wǎng)必須確保網(wǎng)絡(luò)安全以確保信息的保密性、完整性和可用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　通信技術(shù)作為智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展,將擁有巨大的潛在發(fā)展空間。不同的通信技術(shù)可用于智能電網(wǎng)內(nèi)執(zhí)行不同的任務(wù)，從數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)發(fā)電和配電,究竟哪種技術(shù)會(huì)成為智能電網(wǎng)的應(yīng)用主流,還要看其技術(shù)本身的發(fā)展和智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)者的規(guī)劃和實(shí)際需要。

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