認(rèn)知無線電在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

張國斌+吳娜

【摘要】結(jié)合國內(nèi)外最新的智能電網(wǎng)建設(shè)理論，探討了基于認(rèn)知無線電技術(shù)的智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。首先研究多級的智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)分級、每一級的無線通信技術(shù)和認(rèn)知無線電用戶的接入策略進(jìn)行分析；然后通過對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)面臨的問題以及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析，提出了完善輸變電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、基于優(yōu)先級的接入策略、組建基于認(rèn)知無線電技術(shù)的Ad hoc應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)等研究思想。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)認(rèn)知無線電接入策略

中圖分類號：TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-10-0037-04

Application Research on Cognitive Radio in Smart Grid

ZHANG Guo-bin, WU Na

(1. School of Electronic and Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;

2. Zhongshan Electric Power Design Institute Co., Ltd., Zhongshan 528400, China)

[Abstract] Combined with the up-to-date theory of smart grid construction at home and abroad, the design and implementation of smart grid wireless communication system based on cognitive radio are discussed. Firstly, the multilevel structure of smart grid wireless communication system is studied, and the network classification, wireless communication technology in each classification and access strategy of cognitive radio users are analyzed. And then the issues and key technologies in system implementation are analyzed in depth. At last, some research ideas for the network structure of power transmission and transformation, the access strategy based on priority and the construction of Ad hoc emergency network based on cognitive radio are put forward.

[Key words]smart gridcognitive radioaccess strategy

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)迫切需要更新?lián)Q代，以美國、歐洲為代表的一些國家和組織相繼提出了發(fā)展智能電網(wǎng)（Smart Grid）的設(shè)想[1]，進(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

通信網(wǎng)是保障電網(wǎng)正常運(yùn)行、故障快速響應(yīng)、資源高效利用、業(yè)務(wù)實(shí)時實(shí)現(xiàn)的信息通道。目前，電網(wǎng)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)都有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對生產(chǎn)與管理進(jìn)行支撐。信息技術(shù)的大量采用，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的作用[2-4]。

面對智能電網(wǎng)的要求，無線通信在智能電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用。無線通信技術(shù)不需要依賴于電網(wǎng)的構(gòu)架，具有較強(qiáng)的抵抗自然災(zāi)害的能力以及高帶寬、長距離等傳輸優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)目前通信方式的單一化。但是由于無線頻譜的日益擁擠，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)無法滿足智能電網(wǎng)的傳輸速率、可靠性和安全性等方面的需求。而認(rèn)知無線電系統(tǒng)（CR，Cognitive Radio）能夠自動地感知并靈活地使用環(huán)境中的空閑頻譜，因此將CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)[5]，可以改善系統(tǒng)性能，有效解決頻譜資源缺乏的問題。在自然災(zāi)害、極端氣候條件或人為的破壞條件下，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)無法正常工作，這時可以組建CR網(wǎng)絡(luò)，通過動態(tài)頻譜接入進(jìn)行應(yīng)急指揮或供電恢復(fù)。所以，研究CR技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義和理論價值。

2 CR技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用的相關(guān)

研究

CR的概念最早是由Joseph Mitola博士于1999年在軟件無線電（SDR，Software Defined Radio）的基礎(chǔ)上提出的，目的是為了解決無線網(wǎng)絡(luò)中不斷增加的頻譜需求與頻譜利用率低下的矛盾。CR摒棄傳統(tǒng)固定分配頻譜資源的方式，允許CR設(shè)備伺機(jī)動態(tài)利用在空域、頻域、時域和碼域上出現(xiàn)的空閑頻譜資源（稱為頻譜空洞）。CR用戶通過與工作的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境交互，對外界環(huán)境進(jìn)行感知、理解和主動學(xué)習(xí)，實(shí)時改變工作參數(shù)和調(diào)整內(nèi)部狀態(tài)，使無線設(shè)備能夠自動適應(yīng)外部無線環(huán)境和自身需求的變化。將CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的通信過程、利用授權(quán)頻段的頻譜空洞傳輸電力信號，已經(jīng)逐漸成為CR領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[6]、[7]、[8]對基于CR技術(shù)的智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和分析，根據(jù)覆蓋范圍和采用的通信技術(shù)的不同建立了多級的通信網(wǎng)絡(luò)，并對CR技術(shù)在各級網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)行分析，且與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行了比較。

文獻(xiàn)[9]對智能電網(wǎng)系統(tǒng)采用CR網(wǎng)絡(luò)傳輸測量數(shù)據(jù)時的動態(tài)頻譜接入策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)先分析了用戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)管理中心的過程以及傳輸過程中的丟包率，使用Markov鏈對系統(tǒng)進(jìn)行建模，并設(shè)計了使丟包率最低的動態(tài)接入算法，然后研究了電能在發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)之間的買賣問題，分析了丟包率對于用戶購買電能的費(fèi)用的影響。

文獻(xiàn)[10]討論了CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)時的信道狀態(tài)估計問題。CR系統(tǒng)通過估計授權(quán)系統(tǒng)的信道狀態(tài)選擇空閑信道進(jìn)行接入。文獻(xiàn)采用Markov鏈對信道的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行建模，然后分為兩種情況對信道狀態(tài)進(jìn)行估計：一種是接收端知道當(dāng)前的信道狀態(tài)，采用Kalman濾波器對后面時隙的信道狀態(tài)進(jìn)行估計；另一種是接收端不知道當(dāng)前的信道狀態(tài)，則采用IMM算法進(jìn)行估計。文獻(xiàn)對信道狀態(tài)估計的分析，對CR系統(tǒng)動態(tài)頻譜接入的研究奠定了基礎(chǔ)。

3 基于CR的智能電網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)為智能電網(wǎng)提供了用戶信息、設(shè)備狀態(tài)、調(diào)度信息等數(shù)據(jù)的可靠傳輸?，F(xiàn)有的研究采用多級結(jié)構(gòu)來構(gòu)架智能電網(wǎng)中的無線通信網(wǎng)絡(luò)[6-8]。文獻(xiàn)[7]中提出將網(wǎng)絡(luò)分為三級：HAN（家庭接入網(wǎng)）、NAN（鄰居接入網(wǎng)）和WAN（廣域接入網(wǎng)），如圖1所示：

HAN是家庭內(nèi)部的局域網(wǎng)，使用高級測量設(shè)備（AMI）收集用戶需求、電能消費(fèi)和用戶滿意度等信息，采用電力線通信、ZigBee、Bluetooth和Wi-Fi等局域網(wǎng)通信技術(shù)，使用未授權(quán)的公共頻帶進(jìn)行通信；NAN連接各個HAN網(wǎng)絡(luò)，收集各HAN的信息發(fā)送至WAN；WAN是網(wǎng)絡(luò)的最上層，將信息發(fā)送至控制中心，由控制中心對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度。NAN和WAN實(shí)現(xiàn)信息在用戶與調(diào)度中心之間的傳輸，故必須滿足網(wǎng)絡(luò)的容量和QoS需求，同時由于兩者都使用的是授權(quán)頻帶，所以必須具有較高的頻譜使用率。

endprint

CR技術(shù)可以應(yīng)用在各級網(wǎng)絡(luò)中，有效解決頻譜資源緊張的問題。HAN層采用多種局域網(wǎng)技術(shù)，多種類型網(wǎng)絡(luò)并存，因此可以采用CR技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享。由于未授權(quán)頻段用戶間的干擾較大，所以需要CR用戶具有較強(qiáng)的頻譜偵測和快速切換能力。NAN、WAN層采用廣域網(wǎng)技術(shù)，包括CDMA、LTE、WiMAX技術(shù)等，在授權(quán)頻譜資源不足時可采用CR技術(shù)尋找可用頻譜，同時可以采用網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作通信機(jī)制提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

4 CR在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

將CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)需要解決以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：

4.1網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)建

電網(wǎng)系統(tǒng)功能復(fù)雜、業(yè)務(wù)種類繁多，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等多個環(huán)節(jié)，因此需要建立一套綜合的、涵蓋各個環(huán)節(jié)的無線通信機(jī)制。但目前對于智能電網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究多局限于配用電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，研究用戶狀態(tài)和調(diào)度信息的發(fā)送，而對于發(fā)電、輸變電環(huán)節(jié)的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)研究較少。由于輸變電線路具有布局范圍大、線路距離長等特點(diǎn)，容易受到自然災(zāi)害的影響，線路狀況對電力系統(tǒng)的運(yùn)行和安全狀態(tài)有較大的影響。這就要求輸變電網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的實(shí)時監(jiān)測和自組織能力，需要構(gòu)建相應(yīng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)保證發(fā)電、輸變電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

4.2頻譜感知

頻譜感知是CR動態(tài)頻譜管理的基礎(chǔ)，它通過實(shí)時連續(xù)偵聽和檢測頻譜，發(fā)現(xiàn)在時域、頻域、空域上的頻譜空穴，供用戶以機(jī)會方式利用頻譜。頻譜感知是為了選擇最好的可用信道，它包括頻譜分析和頻譜判決。通?？捎玫念l譜空穴在不同時間段內(nèi)具有不同的頻譜特征，頻譜分析通過歸納這些可用頻段的頻譜特性，使認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠做出最符合認(rèn)知用戶要求的判決。當(dāng)可用頻譜的特性都被分析出來以后，CR需要在所有可以使用的頻帶中判決出通信效果最好的運(yùn)行頻段來滿足用戶的QoS要求。

由于電網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋面積大，具有各種復(fù)雜地理環(huán)境，其無線傳播模型也更為復(fù)雜，這些都為頻譜偵聽和管理帶來了更多技術(shù)挑戰(zhàn)，因此需要采用先進(jìn)的頻譜感知技術(shù)來保證檢測的可靠性，從而使CR系統(tǒng)能夠具有較好的接入性能。

4.3接入控制技術(shù)

CR系統(tǒng)接入智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)時，需要避免對授權(quán)系統(tǒng)的干擾，同時要實(shí)現(xiàn)與各種無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，因此接入控制技術(shù)成為CR網(wǎng)絡(luò)提高智能電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)急能力的關(guān)鍵問題。

首先對智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室?、時延限制和授權(quán)用戶對頻譜的使用效率等；然后基于智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的多級結(jié)構(gòu)研究各個分級上的接入策略。HAN層需要解決多種局域網(wǎng)的頻譜共享問題；而NAN、WAN層需要解決認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶的干擾、認(rèn)知用戶之間的沖突、認(rèn)知系統(tǒng)的可靠性以及認(rèn)知用戶接入過程中的頻譜切換問題。

此外，可以基于優(yōu)先級分類的思想制定接入策略。優(yōu)先級高的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先使用頻譜；而優(yōu)先級低的網(wǎng)絡(luò)則可以采用CR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，選取空閑的頻譜進(jìn)行動態(tài)接入。當(dāng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)遭到破壞時，需要組建臨時的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，可以采用CR網(wǎng)絡(luò)，使用空閑的授權(quán)頻譜進(jìn)行通信，優(yōu)先傳輸優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)。

4.4應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)組建

電網(wǎng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，必須具有較強(qiáng)的預(yù)警能力、控制能力和自愈能力，從而降低大規(guī)模停電的風(fēng)險。當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害或人為選擇性的惡意攻擊時，智能電網(wǎng)需要有較強(qiáng)的應(yīng)急能力，能夠通過自愈的響應(yīng)減小停電范圍和快速恢復(fù)供電。由于CR系統(tǒng)能夠通過頻譜感知獲得應(yīng)急頻譜資源并進(jìn)行動態(tài)頻譜接入，因此可以作為智能電網(wǎng)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)的解決方案之一。

可以在電網(wǎng)覆蓋范圍部署具有認(rèn)知能力的通信系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)傳感器、監(jiān)視器及時采集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。認(rèn)知處理引擎對實(shí)時收集的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行分析，當(dāng)異?，F(xiàn)象發(fā)生時，基于中斷率、傳輸時延等性能指標(biāo)來判斷線路的破壞程度，然后啟用應(yīng)急系統(tǒng)來保證線路的正常運(yùn)行。應(yīng)急系統(tǒng)可以選擇無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為基本物理承載網(wǎng)，多個異構(gòu)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)邏輯上共同組成一個認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，每個Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以看成是一個通信域，多個域之間通過認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)將其融合為一個邏輯上的認(rèn)知系統(tǒng)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的行為（路由、無線頻率分配等），保證應(yīng)急通信業(yè)務(wù)所需要的“時間關(guān)鍵”特性的服務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)論

由于CR技術(shù)在頻譜使用中的靈活性和自適應(yīng)性，將CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)，可以有效解決頻譜資源缺乏的問題。本文在分析智能電網(wǎng)通信需求、基于CR技術(shù)的智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，對CR技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，并提出了完善輸變電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、基于優(yōu)先級的接入策略、組建基于CR技術(shù)的Ad hoc應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)等研究思想。下一步工作將深入研究這些關(guān)鍵技術(shù)，推動CR技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

張國斌：講師，博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信系統(tǒng)的信號處理與應(yīng)用。

吳娜：電氣工程師，碩士畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中山電力設(shè)計院有限公司，主要從事110kV及以上高壓線路的電氣設(shè)計工作。

endprint

CR技術(shù)可以應(yīng)用在各級網(wǎng)絡(luò)中，有效解決頻譜資源緊張的問題。HAN層采用多種局域網(wǎng)技術(shù)，多種類型網(wǎng)絡(luò)并存，因此可以采用CR技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享。由于未授權(quán)頻段用戶間的干擾較大，所以需要CR用戶具有較強(qiáng)的頻譜偵測和快速切換能力。NAN、WAN層采用廣域網(wǎng)技術(shù)，包括CDMA、LTE、WiMAX技術(shù)等，在授權(quán)頻譜資源不足時可采用CR技術(shù)尋找可用頻譜，同時可以采用網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作通信機(jī)制提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

4 CR在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

將CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)需要解決以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：

4.1網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)建

電網(wǎng)系統(tǒng)功能復(fù)雜、業(yè)務(wù)種類繁多，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等多個環(huán)節(jié)，因此需要建立一套綜合的、涵蓋各個環(huán)節(jié)的無線通信機(jī)制。但目前對于智能電網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究多局限于配用電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，研究用戶狀態(tài)和調(diào)度信息的發(fā)送，而對于發(fā)電、輸變電環(huán)節(jié)的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)研究較少。由于輸變電線路具有布局范圍大、線路距離長等特點(diǎn)，容易受到自然災(zāi)害的影響，線路狀況對電力系統(tǒng)的運(yùn)行和安全狀態(tài)有較大的影響。這就要求輸變電網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的實(shí)時監(jiān)測和自組織能力，需要構(gòu)建相應(yīng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)保證發(fā)電、輸變電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

4.2頻譜感知

頻譜感知是CR動態(tài)頻譜管理的基礎(chǔ)，它通過實(shí)時連續(xù)偵聽和檢測頻譜，發(fā)現(xiàn)在時域、頻域、空域上的頻譜空穴，供用戶以機(jī)會方式利用頻譜。頻譜感知是為了選擇最好的可用信道，它包括頻譜分析和頻譜判決。通常可用的頻譜空穴在不同時間段內(nèi)具有不同的頻譜特征，頻譜分析通過歸納這些可用頻段的頻譜特性，使認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠做出最符合認(rèn)知用戶要求的判決。當(dāng)可用頻譜的特性都被分析出來以后，CR需要在所有可以使用的頻帶中判決出通信效果最好的運(yùn)行頻段來滿足用戶的QoS要求。

由于電網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋面積大，具有各種復(fù)雜地理環(huán)境，其無線傳播模型也更為復(fù)雜，這些都為頻譜偵聽和管理帶來了更多技術(shù)挑戰(zhàn)，因此需要采用先進(jìn)的頻譜感知技術(shù)來保證檢測的可靠性，從而使CR系統(tǒng)能夠具有較好的接入性能。

4.3接入控制技術(shù)

CR系統(tǒng)接入智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)時，需要避免對授權(quán)系統(tǒng)的干擾，同時要實(shí)現(xiàn)與各種無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，因此接入控制技術(shù)成為CR網(wǎng)絡(luò)提高智能電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)急能力的關(guān)鍵問題。

首先對智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室?、時延限制和授權(quán)用戶對頻譜的使用效率等；然后基于智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的多級結(jié)構(gòu)研究各個分級上的接入策略。HAN層需要解決多種局域網(wǎng)的頻譜共享問題；而NAN、WAN層需要解決認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶的干擾、認(rèn)知用戶之間的沖突、認(rèn)知系統(tǒng)的可靠性以及認(rèn)知用戶接入過程中的頻譜切換問題。

此外，可以基于優(yōu)先級分類的思想制定接入策略。優(yōu)先級高的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先使用頻譜；而優(yōu)先級低的網(wǎng)絡(luò)則可以采用CR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，選取空閑的頻譜進(jìn)行動態(tài)接入。當(dāng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)遭到破壞時，需要組建臨時的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，可以采用CR網(wǎng)絡(luò)，使用空閑的授權(quán)頻譜進(jìn)行通信，優(yōu)先傳輸優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)。

4.4應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)組建

電網(wǎng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，必須具有較強(qiáng)的預(yù)警能力、控制能力和自愈能力，從而降低大規(guī)模停電的風(fēng)險。當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害或人為選擇性的惡意攻擊時，智能電網(wǎng)需要有較強(qiáng)的應(yīng)急能力，能夠通過自愈的響應(yīng)減小停電范圍和快速恢復(fù)供電。由于CR系統(tǒng)能夠通過頻譜感知獲得應(yīng)急頻譜資源并進(jìn)行動態(tài)頻譜接入，因此可以作為智能電網(wǎng)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)的解決方案之一。

可以在電網(wǎng)覆蓋范圍部署具有認(rèn)知能力的通信系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)傳感器、監(jiān)視器及時采集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。認(rèn)知處理引擎對實(shí)時收集的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行分析，當(dāng)異常現(xiàn)象發(fā)生時，基于中斷率、傳輸時延等性能指標(biāo)來判斷線路的破壞程度，然后啟用應(yīng)急系統(tǒng)來保證線路的正常運(yùn)行。應(yīng)急系統(tǒng)可以選擇無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為基本物理承載網(wǎng)，多個異構(gòu)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)邏輯上共同組成一個認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，每個Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以看成是一個通信域，多個域之間通過認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)將其融合為一個邏輯上的認(rèn)知系統(tǒng)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的行為（路由、無線頻率分配等），保證應(yīng)急通信業(yè)務(wù)所需要的“時間關(guān)鍵”特性的服務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)論

由于CR技術(shù)在頻譜使用中的靈活性和自適應(yīng)性，將CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)，可以有效解決頻譜資源缺乏的問題。本文在分析智能電網(wǎng)通信需求、基于CR技術(shù)的智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，對CR技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，并提出了完善輸變電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、基于優(yōu)先級的接入策略、組建基于CR技術(shù)的Ad hoc應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)等研究思想。下一步工作將深入研究這些關(guān)鍵技術(shù)，推動CR技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

張國斌：講師，博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信系統(tǒng)的信號處理與應(yīng)用。

吳娜：電氣工程師，碩士畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中山電力設(shè)計院有限公司，主要從事110kV及以上高壓線路的電氣設(shè)計工作。

endprint

CR技術(shù)可以應(yīng)用在各級網(wǎng)絡(luò)中，有效解決頻譜資源緊張的問題。HAN層采用多種局域網(wǎng)技術(shù)，多種類型網(wǎng)絡(luò)并存，因此可以采用CR技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享。由于未授權(quán)頻段用戶間的干擾較大，所以需要CR用戶具有較強(qiáng)的頻譜偵測和快速切換能力。NAN、WAN層采用廣域網(wǎng)技術(shù)，包括CDMA、LTE、WiMAX技術(shù)等，在授權(quán)頻譜資源不足時可采用CR技術(shù)尋找可用頻譜，同時可以采用網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作通信機(jī)制提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

4 CR在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

將CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)需要解決以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：

4.1網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)建

電網(wǎng)系統(tǒng)功能復(fù)雜、業(yè)務(wù)種類繁多，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等多個環(huán)節(jié)，因此需要建立一套綜合的、涵蓋各個環(huán)節(jié)的無線通信機(jī)制。但目前對于智能電網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的研究多局限于配用電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，研究用戶狀態(tài)和調(diào)度信息的發(fā)送，而對于發(fā)電、輸變電環(huán)節(jié)的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)研究較少。由于輸變電線路具有布局范圍大、線路距離長等特點(diǎn)，容易受到自然災(zāi)害的影響，線路狀況對電力系統(tǒng)的運(yùn)行和安全狀態(tài)有較大的影響。這就要求輸變電網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的實(shí)時監(jiān)測和自組織能力，需要構(gòu)建相應(yīng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)保證發(fā)電、輸變電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

4.2頻譜感知

頻譜感知是CR動態(tài)頻譜管理的基礎(chǔ)，它通過實(shí)時連續(xù)偵聽和檢測頻譜，發(fā)現(xiàn)在時域、頻域、空域上的頻譜空穴，供用戶以機(jī)會方式利用頻譜。頻譜感知是為了選擇最好的可用信道，它包括頻譜分析和頻譜判決。通?？捎玫念l譜空穴在不同時間段內(nèi)具有不同的頻譜特征，頻譜分析通過歸納這些可用頻段的頻譜特性，使認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠做出最符合認(rèn)知用戶要求的判決。當(dāng)可用頻譜的特性都被分析出來以后，CR需要在所有可以使用的頻帶中判決出通信效果最好的運(yùn)行頻段來滿足用戶的QoS要求。

由于電網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋面積大，具有各種復(fù)雜地理環(huán)境，其無線傳播模型也更為復(fù)雜，這些都為頻譜偵聽和管理帶來了更多技術(shù)挑戰(zhàn)，因此需要采用先進(jìn)的頻譜感知技術(shù)來保證檢測的可靠性，從而使CR系統(tǒng)能夠具有較好的接入性能。

4.3接入控制技術(shù)

CR系統(tǒng)接入智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)時，需要避免對授權(quán)系統(tǒng)的干擾，同時要實(shí)現(xiàn)與各種無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，因此接入控制技術(shù)成為CR網(wǎng)絡(luò)提高智能電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)急能力的關(guān)鍵問題。

首先對智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室?、時延限制和授權(quán)用戶對頻譜的使用效率等；然后基于智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的多級結(jié)構(gòu)研究各個分級上的接入策略。HAN層需要解決多種局域網(wǎng)的頻譜共享問題；而NAN、WAN層需要解決認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶的干擾、認(rèn)知用戶之間的沖突、認(rèn)知系統(tǒng)的可靠性以及認(rèn)知用戶接入過程中的頻譜切換問題。

此外，可以基于優(yōu)先級分類的思想制定接入策略。優(yōu)先級高的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先使用頻譜；而優(yōu)先級低的網(wǎng)絡(luò)則可以采用CR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，選取空閑的頻譜進(jìn)行動態(tài)接入。當(dāng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)遭到破壞時，需要組建臨時的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，可以采用CR網(wǎng)絡(luò)，使用空閑的授權(quán)頻譜進(jìn)行通信，優(yōu)先傳輸優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)。

4.4應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)組建

電網(wǎng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，必須具有較強(qiáng)的預(yù)警能力、控制能力和自愈能力，從而降低大規(guī)模停電的風(fēng)險。當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害或人為選擇性的惡意攻擊時，智能電網(wǎng)需要有較強(qiáng)的應(yīng)急能力，能夠通過自愈的響應(yīng)減小停電范圍和快速恢復(fù)供電。由于CR系統(tǒng)能夠通過頻譜感知獲得應(yīng)急頻譜資源并進(jìn)行動態(tài)頻譜接入，因此可以作為智能電網(wǎng)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)的解決方案之一。

可以在電網(wǎng)覆蓋范圍部署具有認(rèn)知能力的通信系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)傳感器、監(jiān)視器及時采集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。認(rèn)知處理引擎對實(shí)時收集的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行分析，當(dāng)異?，F(xiàn)象發(fā)生時，基于中斷率、傳輸時延等性能指標(biāo)來判斷線路的破壞程度，然后啟用應(yīng)急系統(tǒng)來保證線路的正常運(yùn)行。應(yīng)急系統(tǒng)可以選擇無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為基本物理承載網(wǎng)，多個異構(gòu)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)邏輯上共同組成一個認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，每個Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以看成是一個通信域，多個域之間通過認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)將其融合為一個邏輯上的認(rèn)知系統(tǒng)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的行為（路由、無線頻率分配等），保證應(yīng)急通信業(yè)務(wù)所需要的“時間關(guān)鍵”特性的服務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)論

由于CR技術(shù)在頻譜使用中的靈活性和自適應(yīng)性，將CR技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)，可以有效解決頻譜資源缺乏的問題。本文在分析智能電網(wǎng)通信需求、基于CR技術(shù)的智能電網(wǎng)無線通信系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，對CR技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，并提出了完善輸變電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、基于優(yōu)先級的接入策略、組建基于CR技術(shù)的Ad hoc應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)等研究思想。下一步工作將深入研究這些關(guān)鍵技術(shù)，推動CR技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。

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作者簡介

張國斌：講師，博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信系統(tǒng)的信號處理與應(yīng)用。

吳娜：電氣工程師，碩士畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中山電力設(shè)計院有限公司，主要從事110kV及以上高壓線路的電氣設(shè)計工作。

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