張姣姣，于 然，許鴻飛，龐思睿，于 蒙，李雪梅，金 燊，趙慶凱
?。▏W冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053）
摘 要： 智能電網是將現代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成而形成的新型電網，通過統一信息平臺，實現廣域、全局的信息實時共享。本文介紹了智能電網通信網絡的架構，現有通信系統的技術、標準和協議，以及通信系統在智能電網中的應用，并提出了未來智能電網通信系統所面臨的難題。
關鍵詞： 智能電網；無線通信；用戶戶內網；領域區域網；廣域網
0 引言
在過去的幾十年里，電氣和電子技術都經歷了巨大的發展，大量的產品使人們的日常生活更加方便和舒適，從智能手機和流行的移動消費設備到智能溫濕度控制系統和日常家用電器如電飯煲、洗碗機和電冰箱等。自然而然地，這些電子設備的應用會導致電力消費的增長。
伴隨著人口的不斷增長、能源消耗的不斷增加、全球氣候變暖、化石燃料的不斷減少等問題與電能生產能力的有限性之間矛盾的不斷激化，未來的電力來源將多樣化，未來的電網必須適應多種能源類型的發電方式。
現有的電網基礎結構維持將近百年，具有信息可見度低、開關操作機械式、響應時間長、自動化分析和測控感知能力差等缺陷，已經很難滿足現代化用電的新需求。為適應高度市場化的電力交易的需要，減少電網損耗，提高電網利用率，迫切需要設計一種新的電網結構。為應對這些問題，下一代電力網絡——“智能電網”應運而生。智能電網以集成的、雙向的、高速的通信技術為基礎，將先進的傳感器技術、測量技術、設備技術、控制方法結合起來，在建立能源互聯網、提高電網可靠性以及電能質量和效率、最小化電網故障、減少損耗，促進消費管理等方面提供有效保障。
1 智能電網的定義及發展現狀
1.1 定義
智能電網（smart power grid )就是電網的智能化，也被稱為“電網2.0”。它是以物理電網為基礎，在高速雙向通信網絡和先進數字技術的基礎上，將傳感測量技術、通信技術，信息化技術、控制技術、設備互動技術、決策支持系統技術、計算機技術和物理電網高度集成而形成的智能網絡。它通過信息化手段，使資源開發、轉化（發電）、輸電、配電、供電、售電及用電的電網系統的各個環節進行智能交流，發揮了中央電力體系的集成作用，實現精確供電、互補供電、各種電源和客戶終端與電網的無縫互連，提供了整個電網的可靠性、可用性和綜合效率。
1.2 發展現狀
美國是最早從事智能電網研究的國家，美國電力科學研究院（EPRI）在1998年就開始了“復雜交互式網絡和系統”研究，2001年開展了“Intelligird（智能電網）”系統研究；在2003年7月美國能源部輸配電辦公室發布了《2030電網》的遠景規劃，提出了到2010年建成智能電網示范工程、至2020年半數的電力要經過智能電網輸送、至2030年要使100%的電力通過智能電網輸送的目標。2010年1月美國NIST(美國國家標準與技術)發布了智能電網互操作性標準框架，其中包括相關標準、需求以及指導性說明文件共75項，并提出了智能電網建設現階段需求的15項工程，基本上涵蓋了智能電網的各個方面。
2005年，歐洲委員會(European Commission)就發布了歐洲智能電網技術平臺(European Smart Grids Technology Platform)以及相關其他文件，闡述了歐洲智能電網建設的整體方案，整個電網的建設依托于IEC標準，充分關注了分布式能源和核心能源的開發和利用。2009年10月，歐盟公布了戰略能源技術計劃（SET-Plan）路線圖，其中將智能電網作為第一批啟動的6個重點研發投資方向之一，提出了2010至2020年智能電網技術發展路線。
在國內，2008年國家電網公司開始推行電力用戶用電信息采集系統，規劃用3～5的時間實現全網的電能信息采集，實現“全覆蓋、全采集、全預付費”的目標。2009年5月，在北京召開的“2009特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網公司正式發布了“堅強智能電網”發展戰略。在2010年3月召開的全國“兩會”上，溫家寶總理在《政府工作報告》中強調：“大力發展低碳經濟，推廣高效節能技術，積極發展新能源和可再生能源，加強智能電網建設”。這標志著智能電網建設已成為國家的基本發展戰略。
2 智能電網中的通信技術
智能電網通信網絡通常分為骨干網、匯聚網和接入網三個層次。接入網位于通信網絡的神經末梢，根據組網和接入形式可分為有線接入和無線接入兩種。有線接入網主要包括無源光網絡（Passive Optical Network, PON）和電力線傳輸技術（Power Line Communication, PLC），無線接入方式包括短距離無線通信技術和無線蜂窩網等，本節重點討論無線接入技術在智能電網中的應用。
2.1 網絡拓撲
從網絡拓撲的角度來看，智能電網通信實體可以分為三種類型的網絡體系結構，即用戶戶內網（Home Area Network，HAN），鄰域區域網（Neighbourhood Area Network，NAN）和廣域網（Wide Area Network，WAN），圖1顯示了智能電網通信網絡的示意圖。
（1）用戶戶內網（HAN）
HAN是智能電網網絡系統的基本核心單元。圖2顯示了一個用戶戶內網的框圖，消耗電力能源的家用設備和電表是主要的組成部分。理想情況下，所有家庭電器都連接到智能電表，智能電表將測量數據傳輸到家庭網關，然后傳輸到本地數據集中分配器。
短距離通信技術有利于設備之間的通信，主要通過安裝或者鑲嵌在設備內的傳感器實現設備間的通信，ZigBee是這方面應用最廣泛的技術，機器間通信（M2M）技術也可以利用，目前在LTE Release 10和更高級版本中正在標準化M2M技術。智能電表通過HAN家庭網關把收集到的數據傳輸到本地數據集中分配器中。HAN是一個典型的家庭能源管理系統，其使得能源管理的過程更加互動和動態，這將有助于優化能源的使用并降低消費者的費用。
（2）鄰域區域網（NAN）
鄰域區域網NAN包括幾個本地數據集中分配器相連的用戶戶內網（HAN），其主要作用是可靠地從HAN中采集能耗信息存儲在本地數據集中分配器中。鄰域區域網的覆蓋范圍可能包括一個城市內的某些建筑物或者農村區域內幾個同地理位置上的房子，在城市和農村地區鄰域區域網的覆蓋范圍應當包括離本地數據集中分配器最高可達500 m和700 m距離的建筑。在城市地區，無線局域網可以作為鄰域區域網實體之間的通信，Femtocell也是一個有吸引力的選擇；而在農村地區，蜂窩系統可以被用于鄰域區域網實體之間的通信。
?。?）廣域網（WAN）
廣域網WAN包含若干用戶戶內網HAN和鄰域區域網NAN，也包括其他實體如本地數據集中分配器和中心控制器。廣域網覆蓋較大的地理區域，并保持與其他所有實體的通信，比如發電和配電單元。由于不同類型的無線和有線網絡都有可能成為廣域網WAN的一部分，互操作性顯得尤為重要，所以來自傳感器和制動器的數據能夠在整個網絡中無縫地流動，同時路由需要在多傳輸選項時進行優化。大多情況下，智能電網將與其他應用共享網絡，所以可能會遇到潛在延遲和/或導致網絡擁塞。智能電網的數據可能還包括關鍵時間信息，所以必須有一個專用網絡或可選的優先通道機制，以確保及時傳遞所有關鍵時間數據。
2.2 智能電網中的通信技術
通信技術作為智能電網實現的基礎，隨著智能電網的建設和發展，將擁有巨大的潛在發展空間。不同的通信技術可用于智能電網內執行不同的任務，從數據采集與傳輸到監測發電和配電，主要技術如下:
（1）ZigBee
ZigBee設備工作在公共頻段上，在全球2.4 GHz、歐洲868 MHz和美國915 MHz 三個頻段上分別具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的傳輸速率，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用，非常適合在大范圍智能電網中的廣泛應用。例如，通過具有下一代IP地址(IPv6)的無線電表，用戶可以方便地訪問電表、獲取電能使用信息、進行電能管理、控制電器等；而電網運營商可以通過該電表對用戶的用電情況進行計量、查詢和管理、優化電網的運行、監控電網的使用情況、在電網收到沖擊時對用戶的電器設備進行臨時的斷電管理功能。
?。?）WLAN
IEEE 802.11為WLAN定義了一系列的標準以同時支持點對點和點對多點通信。最新版本的IEEE 802.ad采用了正交頻分復用技術和多天線技術，并工作在60 GHz頻段，可以提供高達7 Gb/s的最大傳輸速率。WLAN可以作為智能電網數據通信的有效解決方案基于以下三點，首先，WLAN設備在世界上被廣泛接受和應用部署在家庭用于因特網接入；其次，WLAN相對便宜，所以即使需要全新安裝，成本也不高；最后，WLAN卡是即插即用設備，安裝簡單。WLAN工作在公共頻段，與其他標準共享相同的頻率資源，所以在密集部署區域容易產生嚴重干擾，這使得基于WLAN的智能電網系統面臨著挑戰。
（3）WiMAX
WiMAX工作在2～11 GHz頻段，采用正交頻分復用多址、多天線和自適應編碼（AMC）等關鍵技術，峰值傳輸速率高達70 Mb/s，傳輸距離最遠可達50 km。WiMAX的MAC層是面向連接的，在數據傳輸之前，對應連接的服務質量(QoS)參數都已經設置好了，對于實時性要求很高的業務，可提供固定發送周期和固定包長，從而保證業務的實時性。WiMAX在MAC層定義了一個安全子層，采用加密封裝協議和密鑰管理協議兩個基本協議，并可定義安全聯盟使得基站和多個用戶站共享安全信息，具有很高的安全性，同時WiMAX具有豐富的業務接口，能夠保證電網業務的多樣性。
?。?）蜂窩網絡和Femto
蜂窩網絡在世界范圍內的普遍使用使得它們成為智能電網通信網絡特別有吸引力的選擇。特別是3GPP項目頒布的LTE標準與智能電網具有高相關度，首先高速數據傳輸速度滿足電力系統大數據量傳輸的要求，同時高速可靠的數據交換為智能電網開放性地兼容各類設備提供了可靠的通信機制。LTE的安全性和可靠性能夠使得智能電網防御信息攻擊，提供高信息安全和自愈能力，并為智能控制、負荷調度、電力搶修、智能管理提供了準確、可靠、實時的數據信息。
LTE系統中的室內基站設備俗稱Femtocell，通過有線網絡回傳可以提供非常高的數據速率。Femtocell是一個相對低成本的設備，能夠擴展移動網絡由于墻體穿透損耗造成室內環境信號質量差的無線覆蓋范圍。除了提供所有WLAN具有的功能外，Femtocell還具有其他優點，例如其可以工作在授權頻段，可以通過智能的分配信道從而實現對用戶提供有保證的QoS服務。這意味著關鍵時間數據可以通過Femtocell網絡安全地發送。
3 智能電網通信網面臨的問題
實現智能電網，需全面建設高速、寬帶、自愈的堅強電力通信網絡，支持業務的靈活接入，即支持任何時間、任何地點、任何設備、任何業務、無所不在的信息通信接入方式，由于其本身的復雜性，面臨著幾個技術方案的挑戰：
?。?）智能用戶戶內網
未來智能電表、智能溫度計以及家庭區域內的各種傳感器等各種實時設備投入應用。由于大部分智能電網設備都是無線設備，當其部署密度很高的時候，相互間存在的干擾成為棘手的問題，因此干擾消除技術是非常重要的研究內容。在高密度的城市部署區域，鄰域區域網間經常會出現重疊覆蓋的情況，鄰域區域網間的干擾會成為棘手的難點，需要設計新的有效的干擾消除方案。
?。?）無縫的互操作性
不像傳統的網格，智能電網包括分布在廣闊地理區域內的各種實體，其中包括屬于不同廠家的設備，因此需要建立一個共同的通信接口以保證設備的交互操作能力，并且兼容新的通信媒介。
另外，確保不同網絡間的通信和數據傳輸也存在挑戰，現狀是沒有統一的標準，但技術又發展迅猛，因此需要建立開放統一的標準。很多組織在倡導推廣基于IP的通信，但使IP延伸到終端設備和用戶層面還有很多問題需要解決。
?。?）網絡安全和信息保護
開放、兼容和互聯必然伴隨著信息安全的風險。智能電網必須確保網絡安全以確保信息的保密性、完整性和可用性。
4 結束語
通信技術作為智能電網實現的基礎,隨著智能電網的建設和發展,將擁有巨大的潛在發展空間。不同的通信技術可用于智能電網內執行不同的任務，從數據采集與傳輸到監測發電和配電,究竟哪種技術會成為智能電網的應用主流,還要看其技術本身的發展和智能電網設計者的規劃和實際需要。
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