智能電網(wǎng)用戶端通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

朱文灝，郭其一

(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 上海 2018041；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海 201109)

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智能電網(wǎng)用戶端通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

朱文灝1，2，郭其一1

(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 上海 2018041；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海 201109)

摘要:隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，用戶端的通信技術(shù)發(fā)展迅速。文中闡述了當(dāng)前用戶端通信技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)各類(lèi)通信技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行比較分析，針對(duì)通信協(xié)議種類(lèi)繁多、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、難于推廣等問(wèn)題提出了解決方案及通信技術(shù)集成的概念。最后，對(duì)用戶端通信技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)用戶端；通信技術(shù)；現(xiàn)場(chǎng)總線；通信集成

0　引　言

隨著粗放的能源消耗方式導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題日益惡化，人類(lèi)不得不尋找實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的辦法。傳統(tǒng)的能源產(chǎn)業(yè)和新興的IT產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的智能電網(wǎng)，不僅可以保證電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效，還能接入各種可再生能源，使能源獲取多元化的智能電網(wǎng)的用戶端通信技術(shù)也在此背景下有了長(zhǎng)足的發(fā)展，通信技術(shù)做為用戶端智能化的核心技術(shù)日益受到關(guān)注。本文通過(guò)對(duì)各種通信技術(shù)的特點(diǎn)比對(duì)， 分析了當(dāng)前用戶端通信技術(shù)存在的問(wèn)題，并提出了通信集成技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

1　智能電網(wǎng)用戶端的定義

智能電網(wǎng)用戶端是指使用智能電網(wǎng)電力能源的終端用戶設(shè)備及配套輸送和分配至終端的系統(tǒng)。智能電網(wǎng)用戶端主要包括了交流電壓1 000 V，直流電壓1 500 V以下智能電器與系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)、智能樓宇系統(tǒng)、雙向互動(dòng)控制系統(tǒng)等。由于用戶端覆蓋面廣，體量大，其技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展水平直接影響了智能電網(wǎng)的發(fā)展速度和范圍。

2　智能電網(wǎng)用戶端通信技術(shù)分析

2.1　智能電網(wǎng)通信技術(shù)現(xiàn)狀

目前，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在發(fā)、輸、變、配、用等環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用。比如，變電站與控制中心之間采用IEC61970或IEC61968標(biāo)準(zhǔn)；變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部使用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信。當(dāng)前電網(wǎng)通信技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)種類(lèi)多且兼容性不足，通信技術(shù)不能滿足不斷發(fā)展的用戶端新的要求，比如電動(dòng)汽車(chē)、智能家居和智能電表等。

2.2　智能電網(wǎng)用戶端通信技術(shù)

智能電網(wǎng)用戶端涉及的領(lǐng)域較廣，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域有不同的通信技術(shù)存在，這是由于各種通信技術(shù)在不同時(shí)間階段不同行業(yè)發(fā)展有各自不同特點(diǎn)所形成。隨著新技術(shù)的發(fā)展，多元化的通信技術(shù)在智能電網(wǎng)用戶端系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

(1) Internet IP

使用IP基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)在于與互聯(lián)網(wǎng)的有效銜接。用戶端通信采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)，可以非常便捷地與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。其好處還在于大量IP成熟標(biāo)準(zhǔn)、有效工具能直接應(yīng)用到用戶端的應(yīng)用軟件。此外，IP基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支持帶寬共享和動(dòng)態(tài)路由能力，在智能電網(wǎng)用戶端中對(duì)最小存取延遲，最大丟包率或最小帶寬現(xiàn)狀等有特殊要求的應(yīng)用，一些IP如多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)技術(shù)可滿足此特殊要求。

(2)光纖以太網(wǎng)通信

它采用光纖介質(zhì)運(yùn)行以太網(wǎng)LAN數(shù)據(jù)包。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層以任何標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)速度運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的速率限制功能，以非標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)速度運(yùn)行，最高可以達(dá)到10 Gbit/s。目前光纖以太網(wǎng)通信在電力監(jiān)控系統(tǒng)中已有商業(yè)化產(chǎn)品投入運(yùn)行。

(3)電力線寬帶(BPL)

該技術(shù)采用電力線傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)電力調(diào)制解調(diào)器可以在一定區(qū)域內(nèi)任意的電源插座上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入。電力線寬帶在缺少其它通信網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)有著廣闊的應(yīng)用前景，其優(yōu)點(diǎn)在于利用現(xiàn)有電力線上網(wǎng)而無(wú)新增通信線纜鋪設(shè)投資。但目前的BPL能夠提供的最大帶寬為4 MB。因?yàn)殡娏W(wǎng)使用的大多是非屏蔽線，電磁兼容性的問(wèn)題嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度。

(4)3G移動(dòng)通信

利用現(xiàn)有3G移動(dòng)通信可以避免建立專門(mén)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所需的大量投資，使用方便、靈活。但若大量使用成本投入會(huì)較高，且日常的運(yùn)行、管理、維護(hù)費(fèi)用較高。故此通信技術(shù)適用于重要、且節(jié)點(diǎn)數(shù)少的遠(yuǎn)距離智能電網(wǎng)用戶端通信場(chǎng)合。

(5)無(wú)線通信(ZigBee、WiMedia、Wi-Fi)

Wi-Fi技術(shù)具有較高的成本效益，能夠進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)展以覆蓋大型地域和多個(gè)端點(diǎn)，且無(wú)需鋪設(shè)電纜。ZigBee通信使用跳頻擴(kuò)頻無(wú)線技術(shù)，該技術(shù)具有可靠性高、傳輸速率低、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，由此解決了傳輸堵塞和干擾。WiMedia通信的物理層采用超寬帶標(biāo)準(zhǔn)，其解決方案的射頻覆蓋水平與ZigBee相似，其數(shù)據(jù)傳輸速率高，并具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。

(6)現(xiàn)場(chǎng)總線通信

20世紀(jì)80年代中期產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，其特征為：數(shù)字化、全雙工傳輸、分支結(jié)構(gòu)多?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，導(dǎo)致其體系結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重大發(fā)展。

(7) 通用工業(yè)協(xié)議(CIP)

CIP是面向?qū)ο蟮墓I(yè)網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議。根據(jù)OSI/ISO七層協(xié)議模型，DeviceNet協(xié)議定義了七層模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。而CIP協(xié)議是七層模型中的最上層——應(yīng)用層。CIP協(xié)議是DeviceNet的應(yīng)用層，同時(shí)是ControlNet、EtherNet/IP、CompoNet的應(yīng)用層。DeviceNet和ControlNet、EtherNet/IP、CompoNet共用同一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議CIP，但它們有各自的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

(8)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

當(dāng)前，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的性能不斷提高，成本不斷下降，其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速。相比其它現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以太網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)有：1) 數(shù)據(jù)傳輸速率高，達(dá)到100 Mbit/s；2)不同的傳輸協(xié)議能在相同總線上共存；3)在以太網(wǎng)中, 數(shù)據(jù)存取技術(shù)采用變互式和開(kāi)放式；4)不同的拓樸結(jié)構(gòu)和不同的物理介質(zhì)得以存在和運(yùn)用。

3　走向集成的智能電網(wǎng)用戶端通信技術(shù)

3.1　集成的通信技術(shù)

在智能電網(wǎng)設(shè)備端，目前仍然是多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存。從用戶角度，希望通過(guò)通信技術(shù)集成以實(shí)現(xiàn)各種智能元器件與控制器之間的互聯(lián)互通，但并非必須用一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)所有的功能。例如：Internet網(wǎng)絡(luò)并非同結(jié)構(gòu)的單一網(wǎng)絡(luò)，但用戶確能實(shí)現(xiàn)電子郵件、文件下載、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、網(wǎng)上游戲等不同類(lèi)型的服務(wù)。從通訊協(xié)議的構(gòu)筑模型角度，大多數(shù)用戶端通訊協(xié)議均根據(jù)OSI的七層模型。當(dāng)前，自底層向上定義構(gòu)筑統(tǒng)一整體的通信協(xié)議大量存在，這使得在相同層次上的互聯(lián)性在各標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間較難集成。其實(shí)，定義OSI分層模型是為了讓不同構(gòu)架、不同發(fā)展階段的通訊協(xié)議能相互獨(dú)立，使其能在獨(dú)立發(fā)展的同時(shí)具備良好的互相配合、結(jié)合，增加其相互間成為一個(gè)端對(duì)端完整協(xié)議的可能。比如，以TCP/IP協(xié)議棧為核心的Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，不同的應(yīng)用層協(xié)議可以在上層網(wǎng)絡(luò)存在，而大量的不同局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)可以在下層網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信集成將應(yīng)運(yùn)而生。通信集成是指一個(gè)集成的通信軟硬件平臺(tái)融合多種通信協(xié)議及通信接口，實(shí)現(xiàn)不同通信技術(shù)的互通互聯(lián)。

3.2　通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及融合

當(dāng)前不同的通信標(biāo)準(zhǔn)均在新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)下不斷完善，擴(kuò)展自身的應(yīng)用領(lǐng)域，以適應(yīng)更多的設(shè)備應(yīng)用。隨著時(shí)間的推進(jìn)，各種通信標(biāo)準(zhǔn)互相滲透、延伸，標(biāo)準(zhǔn)之間的差異化在不斷縮小，逐步走向融合的特征將越來(lái)越明顯。如疊加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet這三種完全不同的通信協(xié)議平臺(tái)之上的CIP協(xié)議規(guī)范，其公共的“網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層、用戶層”協(xié)議規(guī)范與網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)無(wú)關(guān)，“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”下的不同通信協(xié)議之間的互聯(lián)互通得以實(shí)現(xiàn)。目前，不同通信協(xié)議之間可以通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。將來(lái)，不同通信協(xié)議之間的軟硬件平臺(tái)將不斷進(jìn)行集成和融合，逐步發(fā)展成集成多通信協(xié)議、互相兼容的軟硬件平臺(tái)。這將有助于用戶端的使用便利性，制造商生產(chǎn)的統(tǒng)一性，從而推動(dòng)整個(gè)智能電網(wǎng)用戶端通信技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

參考文獻(xiàn)：

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[2]尹天文，何瑞華. 低壓電器技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[3]任雁銘，操豐梅，唐喜，等.智能電網(wǎng)的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011，(35):1-4,61.

運(yùn)營(yíng)探討

Application and Development of Communication Technology in Smart Grid User Side

ZHU Wen-hao1，2，GUO Qi-yi1

(1.Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;

2.Schneider Shanghai Low Voltage Terminal Apparatus Co., Ltd., Shanghai 201109, China)

Abstract:With the development of smart grid, the user side communication technology is in rapid development. This article firstly elaborates current status of communication technology in smart grid user side. After that the characteristics of various kinds of communication technologies are compared, communication protocols are found to have problems in great variety, disunity in communication standards and difficulty in promotion. Solutions and a new concept of merging different kinds of technologies are proposed. Finally, development trend of future communication technology in smart grid user side is discussed.

Key words:smart grid user side; communication technology; field bus; communication integration

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0134-02

作者簡(jiǎn)介：朱文灝(1977-)，男，浙江建德人，碩士，博士研究生，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院技術(shù)經(jīng)理，高級(jí)工程師，研究方向：電子與信息工程。

收稿日期：2014-12-21