关于智能电网中通信技术的探讨

摘 要：随着分布式可再生能源的增多和对现有电网效率、可靠性和安全性有更高的要求，智能电网被认为是人类电力系统的一次重大进化。本文主要探讨了智能电网中应用到的通信技术。一方面，有线技术如DSL、PLC，虽然昂贵，但其有广阔的部署能力、较强的通信能力、可靠性和安全性。另一方面，无线技术可以降低安装成本，但带来了带宽限制和安全性等问题。今后的工作将进一步探讨智能电网的网格特征、体系结构、关键部件、试点项目以及结合信息通信技术的应用和挑战。

关键词：智能电网；通信技术；电力系统

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

1 概述

缺乏自动分析、机械开关导致的缓慢响应时间、缺乏态势感知等问题，再加上一些额外的抑制因素，如日益增长的人口和对能源的需求，全球气候变化、温室气体排放、设备故障、能源存储问题等，成为电力行业的一个重大威胁。为解决这些问题，研究人员提出新一代电力系统———智能电网。智能电网是通过自动控制和现代通信技术，统一整合可再生和可替代能源来提高效率、可靠性和安全的现代电网基础设施。更重要的是，智能电网使用新的网络管理策略，提供有效的分布式发电和分布式电力存储，具有先进的传感、通信和计算能力。在智能电网中，可靠、实时的信息成为从发电机组到终端用户电力可靠传输的关键因素。设备故障、容量约束和自然灾难等导致电力干扰和中断的影响，可以在很大程度上由在线电力系统的状态监测、诊断和保护系统避免。为此，通过现代信息和通信技术的智能监测和控制已成为基本实现智能电网的设想。

2 智能电网中的通信技术

通信系统是智能电网基础设施的关键组件。随着智能电网中先进技术和应用程序的集成，不同应用程序产生的大量数据将为以后提供分析、控制和实时定价方法。因此，对电力企业来说，定义通信需求和找到最好的通信架构来处理输出数据，并在整体系统中提供一个可靠、安全和具有成本效益的服务是至关重要的。两种主要通信介质即有线和无线所支持的不同的通信技术，可以用于智能电表和电力公司之间进行数据传输。无线通信具有的优势，如低成本的基础设施和易于连接到难以或无法到达的区域。然而，无线通信的传输路径可能导致信号衰减。另一方面，有线通信解决方案没有信号干扰和依赖于电池等问题。这两种解决方案都是智能电网系统中的信息流传输所需要的。前者可实现传感器和电器到智能电表的连接，后者可实现智能电表和数据中心的连接。而一些如时间部署、运营成本、技术可用性和具体环境等重要的限制因素，应在智能电网部署过程中重点考虑。下面具体探讨智能电网中用到的通信技术及优缺点。

2.1 ZigBee

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适用于自动控制和远程控制领域。这些特点使它成为实现智能电器、能源监控、家庭自动化和自动抄表的理想技术。许多智能电表供应商都将ZigBee集成到智能电表中。集成了ZigBee的智能电表能够联系和控制其他ZigBee集成设备，并发送实时电量消费给业主。ZigBee在2.4 GHz频带上有16个频段，每个频段具有5MHz带宽。ZigBee由于其简单性、流动性、低带宽需求、低成本部署、无需授权频段、简单网络实现，使其被应用到燃气、水和电力等公共事业，提供负载均衡、需求反应、实时定价、系统监测、以及计量支持。然而ZigBee在实际应用中也存在一些不足，如处理能力不足、内存空间较小、延迟要求较小、易受其他使用ISM免费频段电器的干扰。

2.2无线网状网

无线网状网又称为“多跳（multi-hop）”网络，是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网（WLAN）中，每个客户端均通过一条与固定的接入点（AP）相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信，必须首先访问一个固定的接入点，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点可以与一个或多个对等节点进行直接通信。无线网状网具有无单点故障、快速灵活组网、高性能、非视距传输、高速移动支持、与现有网络融合等特点。

2.3蜂窝网

蜂窝网络是智能电表、电力企业和远程节点之间通信的很好的选择。2G、2.5G、3G、WiMAX和LTE都是可用于智能电表部署的蜂窝通信技术。现有的蜂窝通信基础设施使电力公司无需支出运营成本和时间来构建一个专用通信网。蜂窝网络解决方案还可以将智能电表部署到更广阔的环境。应用广泛和经济实惠使蜂窝通信成为目前市场上的主流通信技术。在安全方面，蜂窝网已具有强大的安全控制能力来确保数据的安全传输。如目前广泛应用的GSM技术就具有匿名性、身份验证、信号保护和用户数据保护等特点。在城市和郊区，蜂窝网的覆盖范围几乎达到100%，使得智能电表能够大面积部署，电力企业因此可以进行良好的通信管理。较低的投入成本和维护成本、更好的覆盖范围和快速安装等突出特性使蜂窝网成为智能电网通信技术的最佳选择。电网中的一些关键任务应用需要持续可用的通信。但是蜂窝网提供的服务是面向消费者市场的。这可能导致网络拥塞或在紧急情况下降低网络性能，在异常情况下，如自然灾害等，蜂窝网服务提供商可能无法担保服务的正常运行。相比公共网络，私有网络能利用各种技术和频段来处理此类情况。

2.4电力线通信

电力线通信（PLC）技术是指利用现有的电力线传输数据信息的一种通信方式。该技术把含有信息的高频信号加载到电流上，然后用电线传输到对端适配器中，再把高频信号从电流中分离出来以实现信息传递。目前电力线数据传输速率可达2~3Mbit/s。由于电力线直接连接到电表，在郊区其他通信技术难以实现的情况下，电力线通信是目前电表通信的首选方式。在中国，基于低压配电网的电力线通信系统已成为智能电网的研究热点。在典型的电力线网络中，智能电表通过电线连接到数据集中器，数据再通过蜂窝网技术传输到数据中心。PLC技术最大的优势是不需要重新布线就可以在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载。智能电表和其他智能电气设备只需要插上电源就可以实现通信传输。目前三网已经开始进行融合，对电力线通信的需求也会越来越强烈。电力线网络的性质带来一些技术难题。电力传输介质是一个非常苛刻和嘈杂的环境，其信道很难被建模。低带宽特性限制了PLC技术中需要高带宽的应用。此外，网络拓扑、连接到电线的设备数目和类型、发射机与接收机之间的布线距离等因素都会对电力线上传输的信号产生不利的影响。

3 结束语

为应对现有电网存在的挑战，研究人员提出智能电网这一新的概念。智能电网可以看作一种通过自动化控制、高功率转换器、现代通信基础设施、传感和计量等先进技术来提高效率和可靠性的现代电网基础设施。文章从数据通信的视角出发，针对智能电网技术的关键问题，探讨目前智能电网应用到的ZigBee、无线网状网、蜂窝网、电力线通信和数字用户线路等技术并分析其优缺点，指出其未来的研究方向。

参考文献

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