一種基于分布式結構的智能電網初探

摘要：本文簡要地介紹了智能電網的概念和歷史，并以智能電網的核心：通信部分的建設為切入點，通過分析現有的商業智能電網技術和當前互聯網技術中新興和有用的網絡技術，綜合比較，提出了一種新的網絡架構，并闡述了其原理、實用性和演進方式。最后對基于這種架構的智能電網前景進行了展望。

關鍵詞：智能電網 分布式網絡 云計算 近場通信 對等網

0 引言

2009年初，我國國家電網啟動了“堅強智能電網體系研究報告”、“堅強智能電網綜合研究報告”和“智能電網關鍵技術研究框架”等項目的研究。4月15日華北電網向社會公布了智能電網規劃。5月21日在北京召開的“2009特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網公司正式宣布將建設“堅強的智能電網”。至此，我國的智能電網建設步入了正式的發展時期。[1-3]

本文將把重點放置在智能電網信息化建設中的信息和通信部分，這一部分是智能電網和核心和靈魂所在，也是與其他電網系統的重要區別之處。

1 現有的智能電網方案和網絡技術

1.1 SmartMeter系統

SmartMeter系統是世界領先的智能電網解決方案提供者SmartSynch公司的核心產品。這個系統基于IP協議接入和處理電網計量儀器信息，對電網進行控制，向企業和用戶提供電網監控服務。

目前許多智能電網的技術方案都涉及到對電網的物理結構做出較大改變，這些過于理想化的模型很難應用于實際的大規模部署中，因此，盡量保持現有電網的物理結構對于設計智能電網系統來說是十分重要的[4]。

1.2 分布式網絡技術

所謂分布式網絡，顧名思義，即網絡中各個節點并非集中在一起，而是分散在網絡各處。這里的節點可以是物理上的節點，即主機，傳感器和具有聯網功能的各類終端設備，當然也可以是邏輯上的概念，即應用程序或者協議驅動等。在分布式網絡中，對等節點可以直接相互通信，并不需要服務器進行中轉，這種對等也可以是硬件上的或者邏輯上的。

1.3 云計算技術

云計算是在網格計算，集群計算的基礎上發展而來的概念。其核心是使用集中在一起的廉價計算設備和存儲設備提供可伸縮的，按需分配的通用或專用的計算和存儲服務的形式。

目前云計算技術按照其架設的層次可分為：SaaS（軟件即服務）、PaaS（平臺即服務）、IaaS（基礎設施即服務），其中SaaS主要用于專業應用，在電網中可用于計量統計，決策等電網專業應用。PaaS和IaaS可以自由地裝入各種應用軟件和操作系統提供給用戶和企業進行更為通用的應用[5]。

1.4 近場通信技術

所謂近場通信，是指一種有效距離10cm左右的高頻無線通信技術。這種通信技術向消費者提供了一種簡便，直觀的信息交換方式，非接觸和內置芯片的實現方式使得其應用范圍比較傳統磁卡和接觸式芯片設備更加廣泛。同時，近場通信的實現方案價格十分低廉，將其搭載在移動設備上還能夠和移動設備進行交互，實現更加高級和定制化的服務。

近場通信可用于身份識別、金融支付、票務等消費應用，通過結合手機也可以實現智能錢包等綜合性應用。

2 基于雪片結構的分布式智能電網網絡

智能電網是傳統電網的升級產物，它是對傳統電網階段性的，循序漸進的改造，因此在大膽使用新技術的同時，最大限度地保持老線網也是非常重要的。這里將探討一種架構方式，充分將現代互聯網通信技術融合到電網中，取長補短，以較小成本來升級智能電網。

本文中提到的雪片結構是一種網絡的邏輯結構，它不同于典型的分布式網絡，這種結構顧名思義就像雪片一樣：具有區域性的中心節點;非中心相鄰節點間具有鏈路;區域性中心節點也符合上述條件;具有一個根節點[6]。一言以概之，這個網絡是分布式和傳統網絡的結合體。

2.1 P2P和C/S模式結合的通信網組網方式

P2P網絡，即對等網，是一種典型的分布式邏輯網絡的形式，信息在網絡中直接交換。在雪片結構中，P2P網絡組成整個結構的同級節點對等通信部分。

雪片結構中還有一種重要的類型，即區域中心節點。這個概念繼承于傳統的中心網絡。因為完全的分布式結構并不適宜進行通用的網絡應用，實際上很多具有邏輯中心應用在中心網絡中具有更高的執行效率和敏捷的部署，同時中心節點還可以像網絡中提供富裕的資源，分擔瘦節點終端的壓力。因此，作為一個實用網絡，應該部署一些中心節點。

在對等網中基于不破壞對等網的基本特性的前提，我們設置一種稱為區域中心節點的節點類型，與它直接相連的次級節點被認為在同一個區域中。同時，區域節點的設置造成了客觀上的網絡分級（分層），同級的區域中心節點又構成了一級并與上級相連。最后整個網絡收斂于一個根節點處。在網絡中的高一級的節點一般地要比低級的節點擁有更加富裕的資源，這包括計算資源，網絡資源，存儲資源等，這些資源可以通過服務的形式向下級提供或者供運行一些特定的管控應用。

2.2 通信網與電力網的融合方式

現在已有的電力網絡是采用典型的總線結構。但是總線結構的網絡中，支線并不是集中在一個節點處連接到干線上的，實際上，支線都似乎分散地連接在干線各處的，這種連接方式和一般的通信網絡并不一致。這種傳輸方式較傳統的通信網絡而言，無疑是比較昂貴的，但是，其好處是節約了基礎網絡線路的建設成本。

除了電力調制以外，還可以比照電力網絡線路的部署，在沿線建立純數據線路網絡。這種傳輸方式在保證線路主要節點可以相互重合的基礎上，充分利用了成熟的電信技術，減小了電力調制大規模部署的風險性和電力調制復用路數的限制問題，當然重新部署通信線路將耗費較大的成本[7]。

綜上我們在實際建設者中應當采用折衷的方案，譬如在骨干網上建立電力專用數據線路，同時支持公共電信網絡的接入，這種接入可以通過發布服務的方式實現，另外在偏遠地區，可以采用電力調制方式，避免向偏遠地區二次架設網絡的昂貴支出。

2.3 網絡應用的部署和應用前景

智能電網其智能來源于強大的計算和信息存儲能力和無處不在的終端和傳感器，因此云計算和近場通信技術就顯得尤為關鍵了。

這種智能電網還能夠很好地支持目前方興未艾的微電網架構[8]，微電網和主干電網的層級關系與雪片模型相當吻合，只需在微電網中設立區域中心節點并與其他區域中心節點和上級節點連接，微電網的監控、計量和管理便可以很好地和主電網相容。

智能電網的終端設備由于其可具有計量，物理位置確定等特性，因此無疑會是所有網絡基礎設施中分布最廣，覆蓋最全的設備，在智能電網的應用中可以充分利用這種設備的先天優勢。通過在設備中搭載或者存儲地理信息記錄，整個網絡就能形成一個覆蓋所有通電地區的地理信息系統，這個系統可向網絡和云服務發布精確的地理位置信息，進而幫助維修人員進行故障定位，或者幫助無線智能設備的持有用戶定位當前位置并根據服務提供者的發布獲得相應社會服務信息。

參考文獻：

[1]郭東亮，張鐵軍，戴憲華.智能電網:電信服務新領域[J].中國新通信，2009(12):50~53

[2]曾祥滏.智能電網建設框架及主要建設內容研究[J].新材料產業，2010(02):37~39

[3]潘睿，劉俊勇，郭曉鳴.面向智能電網的電力系統云計算[J].四川電力技術，2009(12):6~10，37

[4]SmartSynch官方網站.www.smartsynch.com

[5]陳忠林，孫雁，干靜.分布式網絡環境下的負載平衡原理及算法[J].四川大學學報，2003(11):97~100

[6]S.Deering，Cisco，R.Hiden，Nokia.Internet Protocol Version6(IPv6)Specification(RFC2460)[S].IETF Network Working Group，1998.12.

[7]T.Narten，E.Nordmark，W.Simpson.Neighbor Discovery for IP Version 6(IPv6)[S]. RFC，1998.

[8]林小茶，李光，金爽.嵌入式可信計算機研究[J].計算機工程與設計，2009(16):3730~3734