智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究

尹婕

【摘要】 智能電網(wǎng)具有高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視和控制電網(wǎng)運(yùn)行，預(yù)防事故發(fā)生和及時(shí)清除故障。本文簡要介紹幾種主要的通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用并比較它們的優(yōu)劣，最后基于先進(jìn)通信技術(shù)構(gòu)建智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并提出技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】 智能電網(wǎng) 通信技術(shù) ZigBee WiMAX 電力線載波通信

一、引言

智能電網(wǎng)是世界電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢，國內(nèi)外均給予其極大關(guān)注。智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)涉及諸多領(lǐng)域，其中通信技術(shù)是核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)“智能”的基礎(chǔ)，貫穿六大應(yīng)用環(huán)節(jié)（發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度）。

在智能電網(wǎng)建設(shè)中，通信技術(shù)將成為支撐智能電網(wǎng)發(fā)展的主要技術(shù)手段，帶給電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的特征，是實(shí)現(xiàn)智能、高效、可靠、綠色智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)平臺(tái)之一[1]。

二、幾種智能電網(wǎng)通信技術(shù)的比較

目前存在的各種通信技術(shù)大部分能用于支撐智能電網(wǎng)。按傳統(tǒng)的分類方法，可簡單地分為有線方式和無線方式。其中：有線方式包括光纖通信、電力線載波通信PLC等；無線通信包括GPRS/CDMA通信、3G/4G通信、衛(wèi)星通信、微波通信、寬帶無線WiMAX、短距無線通信等。按照智能電網(wǎng)對(duì)通信系統(tǒng)的要求，這兩種通信方式取決于智能電網(wǎng)中的信息數(shù)據(jù)流。智能電網(wǎng)中存在兩種信息數(shù)據(jù)流，第一種信息流是從傳感器和家用電器到智能電表，第二種是從智能電表到公共數(shù)據(jù)中心。第一種數(shù)據(jù)流可以通過電力線通信或無線通信傳輸。第二種信息流可以利用蜂窩通信技術(shù)和英特網(wǎng)技術(shù)。然而，有一些重要的限制因素，應(yīng)考慮在智能計(jì)量部署過程中，如時(shí)間的部署、運(yùn)行成本、技術(shù)的可行性和農(nóng)村/城市或室內(nèi)/室外環(huán)境等。往往適合一種環(huán)境的技術(shù)不一定適合其他的環(huán)境。下面，主要介紹無線個(gè)域網(wǎng)ZigBee（IEEE802.15.4）、WiMAX技術(shù)、電力線載波通信PLC等通信技術(shù)在智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)的分析。幾種智能電網(wǎng)通信技術(shù)的比較見表1[2]。

2.1 ZigBee技術(shù)

無線個(gè)域網(wǎng)ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)。ZigBee具有高通信效率、低功耗、低成本以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)適用于能源監(jiān)測、家庭自動(dòng)化，自動(dòng)抄表等領(lǐng)域的理想技術(shù)[3]。

雖然ZigBee通信技術(shù)已經(jīng)在家庭自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了一些成功的應(yīng)用，但對(duì)于電網(wǎng)的廣泛應(yīng)用來說仍然存在很多問題，例如低處理能力、小內(nèi)存，小的延遲需求和易受其他應(yīng)用干擾（包括WLAN、藍(lán)牙和汽車遙控器等占用2.4GHz頻段的無線應(yīng)用）。

2.2 WiMAX技術(shù)

WiMAX是一種基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的新興無線通信技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。相對(duì)于主流的3G技術(shù)來說，WiMAX技術(shù)體制顯得與眾不同，它在物理層上吸收了WiFi技術(shù)的成功因素，同時(shí)在核心網(wǎng)采用了全I(xiàn)P的扁平化結(jié)構(gòu)。WiMAX的無線信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)，理論上最遠(yuǎn)可達(dá)50km，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積是3G基站的10倍。WiMAX接入速率高，最高接入速度是74.81Mbit/s，是3G所能提供的寬帶速度的30倍。通過WiMAX技術(shù)，電力部門可以建立完全由自己掌握的專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，具有更好的可擴(kuò)展性和安全性。

但是WiMAX的產(chǎn)業(yè)規(guī)模以及技術(shù)設(shè)備的成熟性還難以與現(xiàn)有的無線公網(wǎng)技術(shù)相比，相應(yīng)的安全管理等經(jīng)驗(yàn)也不足。WiMAX存在頻率點(diǎn)申請(qǐng)問題，它使用3.5GHz頻段，而該頻段在一些地區(qū)已經(jīng)由通信運(yùn)營商使用，需向有關(guān)部委申請(qǐng)。WiMAX技術(shù)一次性投資和后期維護(hù)管理費(fèi)用較大。

2.3 PLC技術(shù)

電力線載波通信（PLC）是電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)特有的一種通信方式，它利用現(xiàn)有電線傳輸高速數(shù)據(jù)信號(hào)（2-3 Mb/s）。由于直接與儀表相連，電力線通信被認(rèn)為是電表間通信的首選?；诘蛪号渚W(wǎng)的電力線載波系統(tǒng)已經(jīng)作為我國智能電網(wǎng)應(yīng)用的研究課題之一。

PLC技術(shù)集功率通道和通信通道、能量流和信息流于一體，可以利用現(xiàn)有的電力線路將信息傳輸?shù)诫娋W(wǎng)所關(guān)心的任何測控點(diǎn)，不需要另外鋪設(shè)專用通信線路。并且設(shè)備的檢修完全在電力系統(tǒng)內(nèi)部，安全可以得到保證。電力線物理上與公用網(wǎng)絡(luò)是隔離的，符合電力生產(chǎn)要求物理隔離專網(wǎng)的安全要求。

但是電力線上的噪聲干擾是不可避免的。低帶寬特性（20kb/s相鄰區(qū)域）限制了電力線載波技術(shù)在需要更高帶寬上的應(yīng)用。由于電力線載波通信的敏感性，使電力線載波技術(shù)不適合于數(shù)據(jù)傳輸。但是，可以使用一些混合解決方案，電力線載波技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，如GPRS和GSM，提供電力線載波技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的完整連接。

三、智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電力的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用等電力生產(chǎn)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，是電網(wǎng)二次系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)了電網(wǎng)中保護(hù)、調(diào)度、營銷數(shù)據(jù)等信息的遠(yuǎn)程傳輸，保障了電網(wǎng)的安全正常運(yùn)行[4]。在智能電網(wǎng)架構(gòu)下，通信網(wǎng)絡(luò)及其支撐能力被賦予重要意義。按適用范圍可分為電力生產(chǎn)過程監(jiān)控的通信網(wǎng)絡(luò)（ 通信主干網(wǎng)） 和面向智能電網(wǎng)用戶服務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)（終端接入網(wǎng)）兩個(gè)部分。

傳統(tǒng)的電力通信主干網(wǎng)承載了輸電線保護(hù)安穩(wěn)業(yè)務(wù)、輸電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和作為配電通信網(wǎng)的遠(yuǎn)程傳輸通道。智能電網(wǎng)通信主干網(wǎng)在此基礎(chǔ)上增加了電力設(shè)備在線實(shí)時(shí)監(jiān)測、現(xiàn)場作業(yè)視頻管理、戶外設(shè)施防盜等全自動(dòng)化控制過程，強(qiáng)調(diào)高可靠、高帶寬及傳輸路由的相對(duì)可控，管理層面簡單，無人為干預(yù)，主要變電站形成多路由多方向互聯(lián)，保證N-M下的通信要求，用網(wǎng)絡(luò)的健壯性來滿足系統(tǒng)的高可靠性，這部分以下一代光網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ)。主要的電力通信方式有：電力線載波、無線擴(kuò)頻、微波通信、光纖通信、GPRS 移動(dòng)通信、新一代3G/4G 移動(dòng)通信等。智能電網(wǎng)通信主干網(wǎng)體系架構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)的終端接入通信網(wǎng)主要承載配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)和用電信息采集業(yè)務(wù)， 是電力通信網(wǎng)最靠近用戶的部分。智能電網(wǎng)終端接入網(wǎng)直接面向用戶，是保證供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、創(chuàng)新用戶服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。創(chuàng)新用戶服務(wù)利用先進(jìn)的通信技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量、用電信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管，指導(dǎo)用戶進(jìn)行合理用電，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間智能用電。通過智能交互終端，可為用戶提供家庭安防、社區(qū)服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)等增值服務(wù)。主要的通信方式有無線寬帶通信、光纖通信、PLC等。

下面簡單介紹基于PLC+WiMAX智能電網(wǎng)終端接入方案。這個(gè)方案采用PLC和WiMAX混合組網(wǎng)。配電終端采用PLC作為通信方式，主要提供遠(yuǎn)程抄表服務(wù)；在小區(qū)配電變壓器處設(shè)置WiMAX終端作為控制終端，它接入PLC傳送的配電終端信息，同時(shí)提供配電變壓器監(jiān)控、負(fù)荷控制等功能；根據(jù)覆蓋范圍在城市內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的WiMAX基站接入WiMAX終端，構(gòu)成配電控制分中心；WiMAX基站通過光纖接入核心網(wǎng)，通往配電網(wǎng)控制中心?；赑LC+WiMAX智能電網(wǎng)終端接入網(wǎng)體系架構(gòu)如圖2所示。

這個(gè)方案的主要優(yōu)點(diǎn)是建網(wǎng)速度快、成本低、可靠性好。數(shù)量最多的配電終端采用成本低廉的PLC方式，雖然傳輸速率較低，但足夠完成遠(yuǎn)程抄表的任務(wù)；控制終端層采用WiMAX終端接入，其通信通道獨(dú)立于電力線，具有高可靠、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，而且較高的傳輸速率足以支持配電變壓器監(jiān)控；由于WiMAX終端架設(shè)于小區(qū)配電變壓器處，通信環(huán)境優(yōu)良且可以安裝大功率天線，通過數(shù)量不多的基站就能夠提供全覆蓋，從而降低成本。這個(gè)方案的主要缺點(diǎn)是寬帶受到PLC的限制，不能提供互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻語音傳輸?shù)仍鲋捣?wù)。

四、結(jié)論

構(gòu)建信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，信息通信技術(shù)是支撐智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)手段之一。建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)，需要將現(xiàn)代先進(jìn)的通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感量測技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合起來，利用先進(jìn)的智能設(shè)備，構(gòu)建新一代大容量、高速寬帶、實(shí)時(shí)智能、具有業(yè)務(wù)感知的信息通信系統(tǒng)作為支撐。本文針對(duì)這個(gè)需求，充分利用各種先進(jìn)的通信技術(shù)，宏觀的設(shè)計(jì)了智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在將來的實(shí)踐中，還需要圍繞具體的應(yīng)用來選擇實(shí)現(xiàn)方案并在具體實(shí)踐中細(xì)化。

參 考 文 獻(xiàn)

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