智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)淺析

國網(wǎng)四川雅安電力（集團(tuán)）股份有限公司

呂 華

智能電網(wǎng)的發(fā)展需要建立在高速、雙向的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上。因此，通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是智能電網(wǎng)建設(shè)重要的第一步。通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)貫穿發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)。其中，配電和用電通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展較為薄弱。本文就智能電網(wǎng)和與之適應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)的特點，當(dāng)前我國智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，尤其是薄弱環(huán)節(jié)的解決方案以及未來智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中可能存在的問題做了簡單介紹。

我國著名的能源專家武建東提出的“互動電網(wǎng)”，也是將智能電網(wǎng)的含義包含其中。互動電網(wǎng)不僅是下一代電網(wǎng)的基本模式，也是中國電網(wǎng)現(xiàn)代化的核心。從定義可以看出，互動電網(wǎng)的本質(zhì)是以信息革命的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)手段推動電網(wǎng)體系的革新和升級。

自2008年美國能源部提出了Smart Grid 這一名詞后，“智能電網(wǎng)”已經(jīng)越來越被普遍地接受和應(yīng)用。根據(jù)當(dāng)前的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，簡單地說，智能電網(wǎng)是指以物理電網(wǎng)（輸電、配電等基礎(chǔ)設(shè)施）為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的通訊、信息、計算機(jī)、傳感測量等各種技術(shù)，而形成的新型電網(wǎng)。它具有強(qiáng)大的資源優(yōu)化配置能力、提高能源效率、促進(jìn)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)、提高供電的安全和可靠性等多個優(yōu)點。

我國著名的能源專家武建東提出的“互動電網(wǎng)”，也是將智能電網(wǎng)的含義包含其中。互動電網(wǎng)不僅是下一代電網(wǎng)的基本模式，也是中國電網(wǎng)現(xiàn)代化的核心。從定義可以看出，互動電網(wǎng)的本質(zhì)是以信息革命的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)手段推動電網(wǎng)體系的革新和升級。

但無論是智能電網(wǎng)還是互動電網(wǎng)，通信網(wǎng)絡(luò)的建立是實現(xiàn)“智能”，“互動”的基礎(chǔ)。

1 智能電網(wǎng)的主要特征

要建立與智能電網(wǎng)相適應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，首先需要了解智能電網(wǎng)的主要特征。一般來說，智能電網(wǎng)具有以下特征：

1）自愈（self-healing）。自愈是指通過進(jìn)行連續(xù)的在線自測運(yùn)行狀態(tài)，智能電網(wǎng)能夠快速檢測和診斷問題，并及時消除故障隱患，進(jìn)而自我恢復(fù)電力元件或者局部網(wǎng)絡(luò)的異常，避免大面積停電。

2）互動（interactive）。電網(wǎng)的運(yùn)行與電力市場進(jìn)行交互，并視為電力系統(tǒng)的組成部分，完成資源優(yōu)化配置的同時，通過市場激勵市場主體參與電網(wǎng)安全管理，實現(xiàn)電力運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)等多方面的收益，提升電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。

3）優(yōu)化（optimized）。實現(xiàn)資產(chǎn)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等整個生命周期環(huán)節(jié)的優(yōu)化，提高各類資產(chǎn)的利用率，減少資源損耗。

4）兼容（compatible）。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要是采取面向遠(yuǎn)端集中式發(fā)電的方式，智能電網(wǎng)既能夠適應(yīng)集中式發(fā)電，也能適應(yīng)分散式發(fā)電，還能支持風(fēng)力、太陽能發(fā)電等可再生能源的接入，實現(xiàn)電網(wǎng)與自然環(huán)境的和諧發(fā)展。

5）集成（integrated）。實現(xiàn)各類信息整合，形成全面的輔助決策支持系統(tǒng)，提升電力企業(yè)的管理效率。

從智能電網(wǎng)的特征可以看出，適用于智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)需要具備實時、雙向、高速和集成的特點。如果沒有這樣的通信網(wǎng)絡(luò)，無論哪一種智能電網(wǎng)的特征都是無法實現(xiàn)的。因為，智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)從獲取、保護(hù)和控制都需要依靠通信網(wǎng)絡(luò)的支持。并且，通信網(wǎng)絡(luò)也要和電網(wǎng)一樣“全覆蓋”，電網(wǎng)延伸到哪里，通信網(wǎng)絡(luò)就滲透到哪里，形成電力和通信這兩張緊密相連的網(wǎng)絡(luò)。只有這樣，才可以實現(xiàn)智能電網(wǎng)的主要特征。

2 智能電網(wǎng)中的通信網(wǎng)絡(luò)

電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的要求和現(xiàn)狀

圖1 主網(wǎng)電力通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

智能電網(wǎng)對通信網(wǎng)絡(luò)的要求主要有三個方面：一是具備實時性、雙向性和可靠性；二是具備技術(shù)先進(jìn)性，不僅能夠承載智能電網(wǎng)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)，還能夠拓展其它的業(yè)務(wù)；三是具備自主的知識產(chǎn)權(quán)，能根據(jù)智能電網(wǎng)的需要定制開發(fā)和升級業(yè)務(wù)。當(dāng)前，我國的電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對于智能電網(wǎng)提出的要求表現(xiàn)出“骨干網(wǎng)強(qiáng)、接入網(wǎng)弱；高端強(qiáng)、低端弱”的特點。

骨干網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過近幾年的發(fā)展，不斷完善和優(yōu)化，達(dá)到了全覆蓋、高速、可靠的水平，能夠滿足輸變電網(wǎng)對通信的要求。而配電和用電環(huán)節(jié)的通信水平相對輸電差距較大，資源分散、可靠性不高、光纖覆蓋率低、通信系統(tǒng)薄弱，尚未形成一整套的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營和管理機(jī)制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能電網(wǎng)的要求。

配電通信網(wǎng)

在配電網(wǎng)中，需要一張實時，可靠的通信網(wǎng)，確保所有配電自動化終端都能暢通地完成信息交互，縮小停電范圍，減少停電時間。當(dāng)前我國配電通信網(wǎng)主要存在的問題有：

1）光纜建設(shè)水平不一，電力通信資源有限。

2）對于分散的環(huán)網(wǎng)柜、配電站以及其它柱上設(shè)備等，還沒有太好的專網(wǎng)通信解決方法，電量采集基本采用的是公網(wǎng)GPRS 通信手段，雖能滿足要求，但掉線率較高。

3）對于已經(jīng)建立光纖通信專網(wǎng)的，由于通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，可靠性和網(wǎng)絡(luò)化程度不高，不能完全滿足配電網(wǎng)自動化的要求。

4）配電通信網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)意識不足，后期運(yùn)維機(jī)制不完善，運(yùn)維能力欠缺。

5）用電信息采集多采用GPRS，掉線率高；地下配電室需要天線外移。

解決配電網(wǎng)中通信問題的關(guān)鍵在于，建立以光纖網(wǎng)絡(luò)為主，無線專用網(wǎng)絡(luò)為輔，并結(jié)合公網(wǎng)方式為補(bǔ)充的配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)平臺。

在配電通信網(wǎng)建設(shè)中，主要采用光纖+IP 以太網(wǎng)技術(shù)，

用電通信網(wǎng)

智能電網(wǎng)的另一個重要組成是用電網(wǎng)，用電信息的采集和用戶服務(wù)是智能電網(wǎng)用電部分的重要環(huán)節(jié)。用電信息涉及電費(fèi)計量等電力行業(yè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，具有較高的信息保密要求。另一方面，實行性方面，智能電表除能實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表外，還可以監(jiān)控電量的使用情況，獲得故障檢查信息，甚至遠(yuǎn)程維護(hù)。這些都對用電通信網(wǎng)絡(luò)的實時性提出了更高的要求。

以電力線通信和光纖復(fù)合低壓電纜等通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，與智能電表，用戶智能交互終端等技術(shù)相結(jié)合，建立電網(wǎng)與用戶間實時，互動的用電網(wǎng)。提高電力與通信的一體化服務(wù)水平、構(gòu)建新型客戶關(guān)系、提高資源的利用率。用電通信網(wǎng)絡(luò)中使用到的關(guān)鍵技術(shù)如表1 所示。利用光纖光纜和以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)組建光纖以太網(wǎng)?；谝蕴W(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由OLT、ONU、ODN組成。這種無源光網(wǎng)絡(luò)采用的光纖分光器無需電源，成本低，維護(hù)簡單，并且容易升級擴(kuò)展。帶寬非常高且分配靈活，能以一種扇出結(jié)構(gòu)節(jié)省資源，服務(wù)范圍大。在無線專用網(wǎng)的建設(shè)上，可以采用WiMAX，WiFi 這類無線接入技術(shù)，解決中、短距離的較高速數(shù)據(jù)接入。在不同的覆蓋和應(yīng)用范圍內(nèi)，與公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)形成一體化的網(wǎng)絡(luò)，滿足不同用戶的需求。

表1 智能用電網(wǎng)的關(guān)鍵通信技術(shù)

1）電力線通信技術(shù)

這是一種以電力線為傳輸媒質(zhì)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和媒體信號傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。該技術(shù)是把承載有信息的高頻信號加載于電流，通過電線傳輸?shù)浇邮招畔⒌倪m配器，再將高頻信號從電流中分離出來做后續(xù)處理，從而實現(xiàn)信息的傳遞。

這一技術(shù)的優(yōu)勢在于，可以利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)，無需另外鋪設(shè)線纜，就可以將寬帶網(wǎng)絡(luò)接入到千家萬戶；并且能夠達(dá)到幾十兆的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2）光纖復(fù)合低壓電纜

這種電纜集光纜和電力線于一體，重量輕，占用空間小，避免了二次布線，減少了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的費(fèi)用；且具有良好的物理特性，彎曲和耐側(cè)壓性能好；能夠支持多種信息傳輸技術(shù)，可以提供寬帶接入、視頻服務(wù)、IP 電話音頻服務(wù)，產(chǎn)品的適用面廣；除防水防潮外，還具有較強(qiáng)的抗電磁干擾特性。

圖2 智能配電通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

網(wǎng)絡(luò)的備份和冗余

在我國當(dāng)前智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)建設(shè)中，除了較為薄弱的配電和用電網(wǎng)部分，網(wǎng)絡(luò)的備份和冗余也是非常重要的。智能電網(wǎng)的一個重要特征是自愈，在通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計中，要實現(xiàn)自愈的可靠性，應(yīng)該從網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、管理、設(shè)備的冗余等多角度考慮。原則上，備用通道的建設(shè)不能選用同一種傳輸媒介，組建的備用系統(tǒng)需要滿足遠(yuǎn)動、自動數(shù)據(jù)、音頻、視頻、辦公自動化系統(tǒng)等業(yè)務(wù)的傳輸要求，并具有帶寬和傳輸速率高、誤碼率低、擴(kuò)展性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實用等優(yōu)點?？梢钥紤]如下方案：

1）備用網(wǎng)絡(luò)由5.8G 頻段一點對多點的無線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)組建。電力新業(yè)務(wù)的需求和發(fā)展要求更高的傳輸帶寬和傳輸速度，能抵御自然災(zāi)害能力的更強(qiáng)。而無線通信比有線通信更具有這一技術(shù)優(yōu)勢并且無線局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。5.8G 屬于固定無線接入技術(shù)中性價比最高的頻段，該頻段屬于國家開放頻段，頻率占用費(fèi)用低，配套設(shè)備也比較經(jīng)濟(jì)。

2）采用融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的接入網(wǎng)端，系統(tǒng)本身就具備雙網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點。

3）傳感網(wǎng)。Zigbee 使用跳頻擴(kuò)頻無線技術(shù)，能夠提供可靠、低速、遠(yuǎn)距離傳輸，避免傳輸堵塞和干擾。WiMedia 聯(lián)盟倡導(dǎo)采用一種超寬帶標(biāo)準(zhǔn)的物理層，從而提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能，有與ZigBee 相類似的無線覆蓋能力。

3 結(jié)束語

智能電網(wǎng)的發(fā)展可以推進(jìn)新能源的發(fā)展，改變能源結(jié)構(gòu)；帶動信息通信、風(fēng)力、太陽能發(fā)電、新型材料、裝備制造等等新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展；改變用電方式，創(chuàng)造新的生活方式?？梢灶A(yù)見，智能電網(wǎng)很有可能成為新技術(shù)革命的主力軍之一。

現(xiàn)代通信技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用，也展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，但要真正與之適應(yīng)，還要面臨許多的問題。例如，通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)要考慮未來數(shù)據(jù)量爆炸式增長對傳輸帶寬和傳輸速率的要求不斷提高；不同的業(yè)務(wù)類型對通信網(wǎng)絡(luò)的物理承載載體的需求也不同，建立廣泛適用的通信標(biāo)準(zhǔn)非常必要；信息量的增加隨著而來的信息的存儲、處理和安全問題也是對通信網(wǎng)絡(luò)的一項巨大挑戰(zhàn)。