基于智能電網(wǎng)的綜合通信系統(tǒng)簡述

郭琳

（成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059）

當(dāng)前，我國電力系統(tǒng)通信技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。電力通信的主要傳輸方式從20世紀(jì)70年代的電力線載波，80年代的模擬微波，90年代的數(shù)字載波，到今天的以光纖和數(shù)字微波為主，衛(wèi)星、電力線載波、電纜、無線等多種通信方式并存，初步建成了以光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的電力專用通信網(wǎng)IP業(yè)務(wù)綜合平臺，為電力信息化的深層發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同時，國家電網(wǎng)公司所屬區(qū)域和省級電網(wǎng)公司均建立了企業(yè)本部局域網(wǎng)和企業(yè)廣域網(wǎng)，隨著特高壓的蓬勃發(fā)展、智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進和SG186信息化的興起，電力系統(tǒng)通信技術(shù)已在向數(shù)字化、綜合化、寬帶化、智能化和個人化發(fā)展。電力通信系統(tǒng)大發(fā)展時代已經(jīng)開始。

綜合通信系統(tǒng)是支撐堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的重要手段，它貫穿于發(fā)電、線路、變電、配電、用戶、調(diào)度6個環(huán)節(jié)，以高轉(zhuǎn)速、大容量、智能化使傳統(tǒng)電網(wǎng)邁向清潔、高效、互動的現(xiàn)代電網(wǎng)。

1 綜合通信系統(tǒng)體系

作為智能電網(wǎng)的支撐技術(shù)，綜合通信系統(tǒng)不同于一般的通信系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在以下5個方面。

1.1 綜合性是靈魂

1）技術(shù)綜合 在統(tǒng)一、開放、公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下，通信技術(shù)融合傳感與計量技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、界面決策支持技術(shù)，實時、高效、動態(tài)傳輸電力信息。在多技術(shù)的支撐下，電力信息呈現(xiàn)多樣性，可以是數(shù)字、文字、圖片、聲音、視頻等等。這種數(shù)字化電力適應(yīng)當(dāng)今電力市場的多變需求，是智能電網(wǎng)生存和發(fā)展的必要條件。

2）業(yè)務(wù)綜合 容許各種電力通信業(yè)務(wù)網(wǎng)（電話交換網(wǎng)、電力數(shù)據(jù)網(wǎng)、繼電保護網(wǎng)、電視電話會議網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、安防系統(tǒng)）相互連接，實現(xiàn)從發(fā)電到用電每個環(huán)節(jié)的無縫聯(lián)系。容許不同類型的發(fā)電和儲能系統(tǒng)接入，簡化聯(lián)網(wǎng)過程，實現(xiàn)“即插即用”。

1.2 可靠性是保證

1）避免攻擊 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或發(fā)生其他問題時，故障處傳感器與控制器進行通信，迅速切除故障元件或?qū)⒂脩羟袚Q到另外可靠的電源上。并及時提供來自故障部分的核心數(shù)據(jù)，減少電網(wǎng)在出現(xiàn)較大故障時的恢復(fù)時間。電網(wǎng)的快速恢復(fù)能力與自愈能力，都取決于綜合通信系統(tǒng)的實時性、高效性。

2）提前預(yù)警 雙向?qū)崟r通信系統(tǒng)使電網(wǎng)具有故障前兆的能力。通過通信網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測設(shè)備運行狀況，在故障發(fā)生前將設(shè)備狀況告知系統(tǒng)，系統(tǒng)及時提出預(yù)警信息，避免電力中斷。

1.3 經(jīng)濟性是動力

1）降低成本 實時信息的獲取和數(shù)據(jù)的高效傳輸使電網(wǎng)在面對不利趨勢的時候具有監(jiān)測、分析、自動反應(yīng)的能力。同時，綜合通信體系將會促進新的實時分析工具的發(fā)展，包括廣域計量技術(shù)等，它將和新興通信技術(shù)、控制技術(shù)等其他多種技術(shù)一起，輔助電力系統(tǒng)的運營、預(yù)測、阻止那些可能對電網(wǎng)可靠性產(chǎn)生消極影響的事件發(fā)生，避免因電能質(zhì)量問題造成的追加成本。

綜合通信系統(tǒng)可以準(zhǔn)確無誤地實現(xiàn)設(shè)備自動監(jiān)測、智能分析等功能，大大減少人員監(jiān)控成本和設(shè)備維護成本。

2）調(diào)節(jié)供需 綜合通信系統(tǒng)容許用戶將自己的發(fā)電設(shè)備與電力儲能設(shè)施接入電網(wǎng)中，給用戶一個自主選擇能源的機會，從而給用戶帶來利益。通過價格信號，將激勵用戶參與電力市場的供需調(diào)節(jié)，促進電力市場的發(fā)展和繁榮。

1.4 新技術(shù)是支撐

目前電力系統(tǒng)通信以光纖、數(shù)字微波為主，衛(wèi)星、電力線載波、電纜、移動通信等多種通信方式并存。

通信技術(shù)近幾年更新較快，新技術(shù)有些已開始在電力通信中應(yīng)用，如OPPC（光纖復(fù)合架空相線），EPON（以太無源光網(wǎng)絡(luò)），ASON（自動交換光網(wǎng)絡(luò)）等。還有一些雖然目前沒有實際應(yīng)用在電力通信中，但是隨著智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)的高度綜合化，這些新技術(shù)都將得到應(yīng)用。

1.4.1 輸電線寬帶技術(shù)（BPL）

是輸電線傳輸技術(shù)（PLC），在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)存取，實現(xiàn)PLC通信業(yè)務(wù)的綜合化、傳輸能力的寬帶化和網(wǎng)絡(luò)管理的智能化，并實現(xiàn)與遠(yuǎn)程網(wǎng)的無縫連接，以滿足電力企業(yè)的需要。如，分布式能源（DER）、智能讀表（AMR）、需求響應(yīng)（DR）、家庭用戶接入軟件等。

1.4.2 無線技術(shù)

1）WiFi無線寬帶 使用 IEEE 802.11b和 IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)。 數(shù)據(jù)傳送速率達(dá)到 5～10 Mb/s（802.11b），54 Mb/s（802.11 g）。在辦公室或居室內(nèi)較為有效，信號覆蓋距離大約在100 m。

2）WiMax全球微波互聯(lián)接入技術(shù) 使用IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，可以進行長距離的通信，數(shù)據(jù)傳送速率為75 Mb/s，可以成為輸配電通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，也可支持配電和變電自動化的WiFi應(yīng)用軟件。

使用IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)在視野范圍以外的通信，可以與移動的交通工具進行通信，實現(xiàn)點對點通信。

3）3G無線寬帶 以低成本應(yīng)用于變電自動化領(lǐng)域，實現(xiàn)對變電站工作情況的控制和監(jiān)測，可以達(dá)到在線變電站控制和監(jiān)測質(zhì)量的要求。但是覆蓋率并非100%，存在死區(qū)。目前期待其降低成本，盡快推行。

4）藍(lán)牙技術(shù) 使用IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)，提供一個低成本短距離的無線連接解決方案。采用2.4 GHZ的ISM（工業(yè)、科研和醫(yī)療）頻段，可以免受各國頻率分配不同意的影響。采用FM調(diào)制方式，降低設(shè)備成本，采用快速跳頻、前向糾錯和短分組技術(shù)，可減少同頻干擾和隨機噪聲，使無線通信質(zhì)量有所提高。利用藍(lán)牙技術(shù)，可以用在家庭信息網(wǎng)絡(luò)中讀取電表，獲取電力消費信息，連接控制負(fù)荷，控制各種能源的使用和消耗。

5）碼分多址（CDMA）無線技術(shù) 使用 IS-95標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)正在被3G系統(tǒng)的IS-2000標(biāo)準(zhǔn)取代，在美國已經(jīng)得到了廣泛的使用。目前CDMA已經(jīng)變成未來無線系統(tǒng)發(fā)展方向的選擇之一，其網(wǎng)絡(luò)不限制無線電傳送的數(shù)量，這使其經(jīng)濟效益超過TDMA的主要原因。

6）VSTA衛(wèi)星 使用IS-95標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)正在被3G系統(tǒng)的IS-2000標(biāo)準(zhǔn)取代。

衛(wèi)星地球主站通過衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)、編碼器，條件接收發(fā)送設(shè)備，DVB／IP復(fù)接器，調(diào)制器，變頻器發(fā)送設(shè)備，接收設(shè)備，變頻器，解調(diào)器等設(shè)備與衛(wèi)星鏈路相接；通過地面網(wǎng)關(guān)與地面寬帶網(wǎng)絡(luò)相連。提供ISP的雙向傳輸。

由于VSAT設(shè)備智能化，地面接口靈活，有GPS全球定位功能，可同步傳輸，可變數(shù)據(jù)速率和傳輸帶寬，能以不同的拓?fù)浞绞胶投嘀贩绞浇尤胄l(wèi)星通信網(wǎng)。比如，它可以呈星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)音頻視頻廣播接收、文件軟件下載、互連網(wǎng)瀏覽、遠(yuǎn)程登錄和文件傳輸，網(wǎng)絡(luò)管理等業(yè)務(wù)；也可以呈網(wǎng)狀網(wǎng)進行話音數(shù)據(jù)傳輸，舉行各種會議。因此，能根據(jù)不同變電站的監(jiān)測情況進行調(diào)整，對遠(yuǎn)距離監(jiān)控和輸變電控制提出了新的解決方案，覆蓋范圍廣泛。但是成本較高，而且天氣惡劣會影響其功能的正常發(fā)揮。

1.4.3 家庭光纖（FTTH）

是指將光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）安裝在住家用戶或企業(yè)用戶處，是光接入系列中除FTTD（光纖到桌面）外最靠近用戶的光接入網(wǎng)應(yīng)用類型。FTTH的顯著技術(shù)特點是不但提供更大的帶寬，而且增強了網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)格式、速率、波長和協(xié)議的透明性，放寬了對環(huán)境條件和供電等要求，簡化了維護和安裝。近年來，已經(jīng)成為電子通信工業(yè)的先鋒，有希望將無限帶寬引入用戶家中。

1.4.4 混合光纖/同軸接入技術(shù)（HFC）

HFC是光纖和同軸電纜相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)，既是一種靈活的接入系統(tǒng)同時也是一種優(yōu)良的傳輸系統(tǒng)，它把銅纜和光纜搭配起來，同時提供兩種物理媒質(zhì)所具有的優(yōu)秀特性。并且HFC可同時支持模擬和數(shù)字傳輸，在大多數(shù)情況下，HFC可以同現(xiàn)有的設(shè)備和設(shè)施合并。HFC同時還支持現(xiàn)有的、新興的全部傳輸技術(shù)，其中包括ATM、幀中繼、SONET和SMDS（交換式多兆位數(shù)據(jù)服務(wù)）。一旦HFC部署到位，它可以很方便地被運營商擴展以滿足日益增長的服務(wù)需求以及支持新型服務(wù)。這種能夠兼容各種設(shè)備和媒介、能夠在各種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中使用的功能正是綜合通信系統(tǒng)所要求的，因此在目前和可預(yù)見的未來，HFC都是一種理想的、全方位的、信號分派類型的服務(wù)媒質(zhì)。

1.5 公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)是前提

為使通信技術(shù)在電網(wǎng)中真正高效，就必須將其放入高級綜合系統(tǒng)中，應(yīng)用世界公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)將會對傳感器、高級電子設(shè)備、應(yīng)用軟件之間高速、準(zhǔn)確的通信提供必要的支持。

但是目前雖然很多通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)存在，但缺少同時被用戶、電廠和系統(tǒng)運營商公認(rèn)和接受的標(biāo)準(zhǔn)。因此下一步在智能電網(wǎng)的發(fā)展中，這些公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)需要盡快地制定。這些標(biāo)準(zhǔn)一旦被公眾采納，將會對資金擁有者產(chǎn)生強有力的激勵，促進他們對智能電網(wǎng)綜合通信系統(tǒng)進行投資。否則，將會限制電網(wǎng)的發(fā)展[2]。

1）已經(jīng)成為全球采用的通信標(biāo)準(zhǔn)，比如：

IEC61850，用于變電站自動化；

IEC 60870-6/TASE.2，用于低速輸電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA和能量管理系統(tǒng)EMS；

IEEE1588-2008，用于智能電網(wǎng)時鐘管理和時鐘同步；IEEE P1901，用于智能電網(wǎng)輸電線帶寬通信；

DNP3，用于繼電保護，計量裝置，開關(guān)，SCADA管理系統(tǒng)，用來使變電所以及饋線自動化等等。

2）還未被認(rèn)證的通信標(biāo)準(zhǔn)，比如：

IEC 61968，用來進行電力企業(yè)信息代理，包括輸電、配電、后勤辦公室的計量；

IEC 61970，用于調(diào)度控制中心的工作站和桌面系統(tǒng)，進行信息整合等等。

3）正在開發(fā)的通信標(biāo)準(zhǔn)，比如：

FERC（OASIS），用在智能電網(wǎng)的各種交叉領(lǐng)域，用來批發(fā)競爭的規(guī)范文件。

OSI Networking Profiles，用于路由器，中間和邊緣設(shè)備，用于電力通信網(wǎng)絡(luò)，線路，地址等網(wǎng)絡(luò)支持功能；

SAE J2847/1-3，用于即插即用型電動汽車，J2847/1：電動汽車和電網(wǎng)間通信；J2847/2：電動汽車和供電設(shè)備間通信；J2847/3：電動汽車和電網(wǎng)間逆潮流的通信

SAE J2293，用于即插即用型電動汽車，提供電動汽車和其他直流供電設(shè)備間的通信等等。

2 智能電網(wǎng)中綜合通信環(huán)境

綜合通信系統(tǒng)可以把高級的電子設(shè)備、智能電表、控制中心、電力操作員、保護系統(tǒng)、用戶等連接成一個網(wǎng)絡(luò)。通過高級信息技術(shù)，使整個電網(wǎng)在不斷的自我檢測和自我糾錯中保持高質(zhì)量、高可靠性的電力傳輸。當(dāng)有局部故障或受到攻擊時，網(wǎng)絡(luò)瞬間抵抗攻擊，改變網(wǎng)絡(luò)潮流，在故障擴大前消除損害，實現(xiàn)自愈功能，如圖1所示。

3 綜合通信系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用在先進用電運營（AUO）中

圖1 智能電網(wǎng)中的綜合通信環(huán)境Fig.1 Integrated communications environment in power grids

先進用電運營是智能電網(wǎng)建設(shè)的第一步，它的主要目標(biāo)是給用戶提供信息和控制選項。AUO將各種技術(shù)（如用于先進測量的智能電表、區(qū)域電網(wǎng)、集成雙向通信系統(tǒng)、給用戶、電網(wǎng)及其他設(shè)備提供信息的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，以及能夠處理大量數(shù)據(jù)的儀表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)MDMS）與現(xiàn)有的電網(wǎng)運營與資產(chǎn)管理技術(shù)相結(jié)合，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代智能電網(wǎng)的主要特性（用戶互動與激勵機制的基本構(gòu)架）。圖2就是AUO的總體結(jié)構(gòu)。

圖2 AUO的總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of AUO

AUO中通信系統(tǒng)支持電力公司、用戶以及可控電力負(fù)荷之間的互相通信，采用開放式的雙向通信標(biāo)準(zhǔn)，以確保通信快速安全。比如，AUO通信系統(tǒng)可以提供用戶停電和電能質(zhì)量等方面信息的實時反饋，使電力公司能夠快速定位電網(wǎng)故障，排除故障，恢復(fù)電能質(zhì)量。在變電站和輸電線路等方面也增強了電網(wǎng)的自動化水平。

AUO中通信系統(tǒng)常采用電力線載波技術(shù)PLC、電力線寬帶技術(shù)BPL、家庭光纖FTTH、無線廣播來完成部分或整個通信任務(wù)。

3.2 應(yīng)用在先進配電運營（ADO）中

先進配電運營是建設(shè)智能電網(wǎng)的第2步，它的總體目標(biāo)是為未來的智能電網(wǎng)建立一套高效的技術(shù)體系，使其更好地實現(xiàn)配電環(huán)節(jié)的各種控制功能，以此來加強電網(wǎng)的“自愈”能力。ADO依賴于一個分布廣泛的系統(tǒng)監(jiān)控體系，監(jiān)控系統(tǒng)會把各種傳感器和計量表中傳來的數(shù)據(jù)綜合起來，通過開放的通信體系，利用不同的通信技術(shù)收集數(shù)據(jù)，同時通過信息模型使監(jiān)控信息能被網(wǎng)絡(luò)其他部門看到。這樣使電力企業(yè)能夠?qū)崟r地優(yōu)化系統(tǒng)的運營狀態(tài)，防止電力中斷。圖3就是ADO的總體結(jié)構(gòu)。

圖3 ADO的總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of ADO

ADO在配電設(shè)備和控制部件之間不能沒有高級的通信系統(tǒng)，它們之間是點對點的進行精確通信。通過這種精確通信，ADO將配電設(shè)備、控制部件與用戶端的各種技術(shù)緊密相連，以進行需求響應(yīng)和實時定價。無論通信技術(shù)如何發(fā)展，ADO的通信系統(tǒng)必須允許“即插即用”設(shè)備的使用，同時各種信息模型、對象模型和相關(guān)協(xié)議必須執(zhí)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這對整個智能電網(wǎng)的發(fā)展至關(guān)重要。

ADO中通信系統(tǒng)常采用電力線載波、光纖通信、無線通信。

3.3 應(yīng)用在先進輸電運營（ATO）中

先進用電運營是智能電網(wǎng)建設(shè)的第3步，主要目的在于提高輸電的可靠性、效率和經(jīng)濟性，加強輸電系統(tǒng)阻塞的管理，降低大規(guī)模停運的風(fēng)險。ATO將變電站自動化、先進的保護和控制技術(shù)、建模仿真和可視化技術(shù)、綜合能源與通信系統(tǒng)、先進的電網(wǎng)控制設(shè)備運用在電力市場運行、電網(wǎng)規(guī)劃和區(qū)域配電網(wǎng)中，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的實時可視化、自愈化。通過通信系統(tǒng)整合，增強了與終端用戶的連接，為用戶提供更多的服務(wù)。如賬單信息、實時電價、設(shè)備監(jiān)測等。圖4就是ATO的總體結(jié)構(gòu)。

圖4 ATO的總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of ATO

ATO使用相互控制中心通信協(xié)議（ICCP或IEC 60870-6/TASE.2），支持從控制中心到遠(yuǎn)程終端單元、變電站、發(fā)電單元的通信。它允許實時數(shù)據(jù)、計劃以及控制命令在兩個或多個電網(wǎng)控制中心之間實現(xiàn)交換。

要想真正成為ATO，首先必須發(fā)展一個新的標(biāo)準(zhǔn)通信結(jié)構(gòu)。綜合能源通信系統(tǒng)（IECSA）是基于對未來電力系統(tǒng)5～10年內(nèi)的需求來考慮的。IECSA希望通過集成兩個不同的系統(tǒng)，即物理能源輸送系統(tǒng)和控制它的智能設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)，使自動監(jiān)測和輸電系統(tǒng)的實時控制成為現(xiàn)實，并通過增強用戶終端的數(shù)字裝置性能，實現(xiàn)用戶互聯(lián)。在此基礎(chǔ)上使電力系統(tǒng)通過一個智能的通信基礎(chǔ)設(shè)施提供可靠﹑安全的電力，滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要。

4 結(jié) 論

高效綜合開放的通信系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分。綜合通信系統(tǒng)在電網(wǎng)中是一個動態(tài)交互的媒介，應(yīng)用于電力供應(yīng)的各個環(huán)節(jié)，實時反映電網(wǎng)運行狀態(tài)和用戶信息，綜合通信體系的應(yīng)用，將會提高供電可靠性，改善資產(chǎn)利用價值，優(yōu)化能源市場，提高電網(wǎng)的抗攻擊能力，縮短電網(wǎng)故障恢復(fù)時間，減少人員監(jiān)控成本，提高電網(wǎng)自愈能力，將使整個電網(wǎng)經(jīng)濟運行價值得到大幅提升。

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