智能電網通信網絡架構的研究

尹婕

【摘要】 智能電網具有高速、雙向、實時、集成的通信系統，能夠實時監視和控制電網運行，預防事故發生和及時清除故障。本文簡要介紹幾種主要的通信技術在智能電網中的應用并比較它們的優劣，最后基于先進通信技術構建智能電網通信網絡架構并提出技術要求。

【關鍵詞】 智能電網 通信技術 ZigBee WiMAX 電力線載波通信

一、引言

智能電網是世界電網發展的新趨勢，國內外均給予其極大關注。智能電網的關鍵技術涉及諸多領域，其中通信技術是核心技術之一，是實現“智能”的基礎，貫穿六大應用環節（發電、輸電、變電、配電、用電、調度）。

在智能電網建設中，通信技術將成為支撐智能電網發展的主要技術手段，帶給電網信息化、自動化、互動化的特征，是實現智能、高效、可靠、綠色智能電網的基礎平臺之一[1]。

二、幾種智能電網通信技術的比較

目前存在的各種通信技術大部分能用于支撐智能電網。按傳統的分類方法，可簡單地分為有線方式和無線方式。其中：有線方式包括光纖通信、電力線載波通信PLC等；無線通信包括GPRS/CDMA通信、3G/4G通信、衛星通信、微波通信、寬帶無線WiMAX、短距無線通信等。按照智能電網對通信系統的要求，這兩種通信方式取決于智能電網中的信息數據流。智能電網中存在兩種信息數據流，第一種信息流是從傳感器和家用電器到智能電表，第二種是從智能電表到公共數據中心。第一種數據流可以通過電力線通信或無線通信傳輸。第二種信息流可以利用蜂窩通信技術和英特網技術。然而，有一些重要的限制因素，應考慮在智能計量部署過程中，如時間的部署、運行成本、技術的可行性和農村/城市或室內/室外環境等。往往適合一種環境的技術不一定適合其他的環境。下面，主要介紹無線個域網ZigBee（IEEE802.15.4）、WiMAX技術、電力線載波通信PLC等通信技術在智能電網通信系統中的應用及其優缺點的分析。幾種智能電網通信技術的比較見表1[2]。

2.1 ZigBee技術

無線個域網ZigBee（IEEE802.15.4）技術是一種應用于短距離范圍內、低傳輸速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。ZigBee具有高通信效率、低功耗、低成本以及全數字化等諸多優點，是一個適用于能源監測、家庭自動化，自動抄表等領域的理想技術[3]。

雖然ZigBee通信技術已經在家庭自動化、建筑自動化等領域得到了一些成功的應用，但對于電網的廣泛應用來說仍然存在很多問題，例如低處理能力、小內存，小的延遲需求和易受其他應用干擾（包括WLAN、藍牙和汽車遙控器等占用2.4GHz頻段的無線應用）。

2.2 WiMAX技術

WiMAX是一種基于IEEE802.16標準的新興無線通信技術，能提供面向互聯網的高速連接。相對于主流的3G技術來說，WiMAX技術體制顯得與眾不同，它在物理層上吸收了WiFi技術的成功因素，同時在核心網采用了全IP的扁平化結構。WiMAX的無線信號傳輸距離較遠，理論上最遠可達50km，其網絡覆蓋面積是3G基站的10倍。WiMAX接入速率高，最高接入速度是74.81Mbit/s，是3G所能提供的寬帶速度的30倍。通過WiMAX技術，電力部門可以建立完全由自己掌握的專用數據通信網絡，具有更好的可擴展性和安全性。

但是WiMAX的產業規模以及技術設備的成熟性還難以與現有的無線公網技術相比，相應的安全管理等經驗也不足。WiMAX存在頻率點申請問題，它使用3.5GHz頻段，而該頻段在一些地區已經由通信運營商使用，需向有關部委申請。WiMAX技術一次性投資和后期維護管理費用較大。

2.3 PLC技術

電力線載波通信（PLC）是電力系統通信專網特有的一種通信方式，它利用現有電線傳輸高速數據信號（2-3 Mb/s）。由于直接與儀表相連，電力線通信被認為是電表間通信的首選?；诘蛪号渚W的電力線載波系統已經作為我國智能電網應用的研究課題之一。

PLC技術集功率通道和通信通道、能量流和信息流于一體，可以利用現有的電力線路將信息傳輸到電網所關心的任何測控點，不需要另外鋪設專用通信線路。并且設備的檢修完全在電力系統內部，安全可以得到保證。電力線物理上與公用網絡是隔離的，符合電力生產要求物理隔離專網的安全要求。

但是電力線上的噪聲干擾是不可避免的。低帶寬特性（20kb/s相鄰區域）限制了電力線載波技術在需要更高帶寬上的應用。由于電力線載波通信的敏感性，使電力線載波技術不適合于數據傳輸。但是，可以使用一些混合解決方案，電力線載波技術與其他技術相結合，如GPRS和GSM，提供電力線載波技術無法實現的完整連接。

三、智能電網通信網絡架構設計

電力的通信網絡應用于電力系統發、輸、變、配、用等電力生產運行的各個環節，是電網二次系統的重要組成部分，承擔了電網中保護、調度、營銷數據等信息的遠程傳輸，保障了電網的安全正常運行[4]。在智能電網架構下，通信網絡及其支撐能力被賦予重要意義。按適用范圍可分為電力生產過程監控的通信網絡（ 通信主干網） 和面向智能電網用戶服務的通信網絡（終端接入網）兩個部分。

傳統的電力通信主干網承載了輸電線保護安穩業務、輸電網調度業務及數據業務和作為配電通信網的遠程傳輸通道。智能電網通信主干網在此基礎上增加了電力設備在線實時監測、現場作業視頻管理、戶外設施防盜等全自動化控制過程，強調高可靠、高帶寬及傳輸路由的相對可控，管理層面簡單，無人為干預，主要變電站形成多路由多方向互聯，保證N-M下的通信要求，用網絡的健壯性來滿足系統的高可靠性，這部分以下一代光網絡通信為基礎。主要的電力通信方式有：電力線載波、無線擴頻、微波通信、光纖通信、GPRS 移動通信、新一代3G/4G 移動通信等。智能電網通信主干網體系架構如圖1所示。

傳統的終端接入通信網主要承載配電網自動化業務和用電信息采集業務， 是電力通信網最靠近用戶的部分。智能電網終端接入網直接面向用戶，是保證供電質量、提高電網運行效率、創新用戶服務的關鍵環節。創新用戶服務利用先進的通信技術對電能質量、用電信息等數據進行采集和分析，對用電設備進行統一監管，指導用戶進行合理用電，實現電網與用戶之間智能用電。通過智能交互終端，可為用戶提供家庭安防、社區服務、互聯網等增值服務。主要的通信方式有無線寬帶通信、光纖通信、PLC等。

下面簡單介紹基于PLC+WiMAX智能電網終端接入方案。這個方案采用PLC和WiMAX混合組網。配電終端采用PLC作為通信方式，主要提供遠程抄表服務；在小區配電變壓器處設置WiMAX終端作為控制終端，它接入PLC傳送的配電終端信息，同時提供配電變壓器監控、負荷控制等功能；根據覆蓋范圍在城市內設置一定數量的WiMAX基站接入WiMAX終端，構成配電控制分中心；WiMAX基站通過光纖接入核心網，通往配電網控制中心。基于PLC+WiMAX智能電網終端接入網體系架構如圖2所示。

這個方案的主要優點是建網速度快、成本低、可靠性好。數量最多的配電終端采用成本低廉的PLC方式，雖然傳輸速率較低，但足夠完成遠程抄表的任務；控制終端層采用WiMAX終端接入，其通信通道獨立于電力線，具有高可靠、易維護的優點，而且較高的傳輸速率足以支持配電變壓器監控；由于WiMAX終端架設于小區配電變壓器處，通信環境優良且可以安裝大功率天線，通過數量不多的基站就能夠提供全覆蓋，從而降低成本。這個方案的主要缺點是寬帶受到PLC的限制，不能提供互聯網接入、視頻語音傳輸等增值服務。

四、結論

構建信息化、自動化、互動化的堅強智能電網，信息通信技術是支撐智能電網發展的重要技術手段之一。建設堅強的智能電網，需要將現代先進的通信技術、信息技術、計算機技術、傳感量測技術、自動控制技術和電網技術緊密結合起來，利用先進的智能設備，構建新一代大容量、高速寬帶、實時智能、具有業務感知的信息通信系統作為支撐。本文針對這個需求，充分利用各種先進的通信技術，宏觀的設計了智能電網通信網絡架構，在將來的實踐中，還需要圍繞具體的應用來選擇實現方案并在具體實踐中細化。

參 考 文 獻

[1] 余南華，陳云瑞. 通信技術[M]. 北京：中國電力出版社，2012.24-57

[2] Vehbi C. Güng■r，Dilan Sahin，Taskin Kocak， Salih Ergüt， Concettina Buccella，Carlo Cecat，and Gerhard P. Hancke. Smart Grid Technologies： Communication Technologies and Standards[J]. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS，2011， 7（4）：531-533.

[3] Y. Peizhong， A. Iwayemi， and C. Zhou. Developing ZigBee deployment guideline under WiFi interference for smart grid applications [J]. IEEE Trans. Smart Grid，2011， 2（1）：110-120.

[4] 權楠，雷煜卿，等. 智能電網下的電力終端通信接入架構研究[J]. 電力系統通信，2012，33（231）：74