基于智能電網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)研究

陳 婷

（南京貝龍通信科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)，智能電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，憑借信息集中化優(yōu)勢(shì)確定配電網(wǎng)局部需求，合理進(jìn)行電源分配以提高電源利用效率，在精確監(jiān)控用戶用電行為的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電價(jià)測(cè)量和計(jì)費(fèi)，有效提升電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。而在智能電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，需建立全雙工、全數(shù)字化以及高時(shí)效性的通信網(wǎng)絡(luò)，確保網(wǎng)管中心和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施設(shè)備間可以完成數(shù)據(jù)信息交互。因此，應(yīng)引入優(yōu)勢(shì)更多的無(wú)線通信技術(shù)來(lái)推動(dòng)電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)優(yōu)化，從而滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。

1 智能電網(wǎng)的通信需求

智能電網(wǎng)通過(guò)在電力系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電力生產(chǎn)、輸送、分配以及使用等各環(huán)節(jié)的有效管理，使電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的目標(biāo)。將電力網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)結(jié)合在一起，運(yùn)用各種數(shù)字化傳感器實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析和統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，有效提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用效率。在不同地區(qū)電力資源儲(chǔ)備、電力需求等存在差異的情況下，需要保持電網(wǎng)信息的雙向流動(dòng)，為資源的集中化管理提供支持[1]。對(duì)于全自動(dòng)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)用戶和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，為從發(fā)電到用電的各節(jié)點(diǎn)提供信息基礎(chǔ)。搭建網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)，通過(guò)綜合信息網(wǎng)絡(luò)、有線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)上、下互聯(lián)互通，通過(guò)全覆蓋管理合理進(jìn)行資源調(diào)度，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 無(wú)線通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

首先，相較于傳統(tǒng)有線通信技術(shù)，無(wú)線通信技術(shù)擁有更大的覆蓋面積，能夠保證智能網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不受線路影響，確保用戶可以在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)隨意使用網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用WiFi技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)范圍內(nèi)全網(wǎng)絡(luò)覆蓋。而運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種設(shè)備間的信息多向交互，可以滿足智能電網(wǎng)設(shè)備間的通信需求。

其次，無(wú)線通信技術(shù)可以以更快的速度傳遞信息，因此在智能用電管理、遠(yuǎn)距離抄表作業(yè)等活動(dòng)中都需要采用無(wú)線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，從而有效提高電力系統(tǒng)工作效率。通過(guò)無(wú)線通信方式傳輸文件、圖片以及數(shù)字視頻等，不受網(wǎng)絡(luò)空間限制，能夠取得較為理想的信號(hào)傳輸效果[2]。

最后，無(wú)線通信無(wú)需線纜或?qū)w即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信傳輸，能夠?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備、便攜設(shè)備等使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信提供支持，做到靈活組網(wǎng)。根據(jù)不同地域傳輸距離需求，可以將網(wǎng)絡(luò)劃分為廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)等，通過(guò)建立傳輸協(xié)議確保各網(wǎng)絡(luò)間能夠安全、規(guī)范傳遞信息。通過(guò)剔除網(wǎng)絡(luò)線路和精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以減少智能電網(wǎng)建設(shè)成本和網(wǎng)絡(luò)通信成本。

3 基于智能電網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 在電網(wǎng)監(jiān)控中的應(yīng)用

智能電網(wǎng)擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，采用的施工工藝也較為復(fù)雜，容易給電網(wǎng)運(yùn)行安全性造成影響。在智能電網(wǎng)運(yùn)行的全生命周期中，需要依靠無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采集和傳輸信息，并實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)，以此滿足電網(wǎng)監(jiān)控需求。在發(fā)電環(huán)節(jié)，運(yùn)用無(wú)線通信監(jiān)視逆變?cè)O(shè)備，例如在太陽(yáng)能發(fā)電中對(duì)光伏逆變實(shí)施無(wú)線監(jiān)測(cè)，確定并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，能夠?yàn)楣收戏治龊吞幚硖峁┲С帧Ｊ褂貌杉鳙@取各種發(fā)電設(shè)備參數(shù)，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行合理評(píng)估，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)反饋告警信息和控制指令，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作[3]。通過(guò)沿線布置故障指示器，利用單片機(jī)處理電纜溫度、電流強(qiáng)度等各種信息，然后利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至監(jiān)控平臺(tái)，根據(jù)平臺(tái)控制指令實(shí)現(xiàn)故障處理或隔離。在變電環(huán)節(jié)，可以通過(guò)無(wú)線監(jiān)視的方法獲得變電設(shè)備的運(yùn)行狀況和周?chē)h(huán)境信息，及時(shí)確認(rèn)是否存在異常狀況，并根據(jù)設(shè)定發(fā)出告警，啟動(dòng)應(yīng)急措施，將危害控制在最小范圍內(nèi)。在配電環(huán)節(jié)，能夠通過(guò)無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)柱指標(biāo)監(jiān)控，將獲取的電流、電壓等與設(shè)定的安全閾值比較，為配電管理提供支持。在用電環(huán)節(jié)，通過(guò)智能電表配備的通信接口將數(shù)據(jù)傳遞至采集器后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，為監(jiān)控用戶用電情況提供支持。基于無(wú)線通信技術(shù)的電力監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 基于無(wú)線通信技術(shù)的電力監(jiān)控系統(tǒng)

3.2 在用電服務(wù)中的應(yīng)用

在智能電網(wǎng)用電服務(wù)方面，可以運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行電能監(jiān)測(cè)管理，確保電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程抄表和巡檢報(bào)警等功能，滿足用戶自助查詢耗電量等需求。在電能計(jì)費(fèi)方面，智能電網(wǎng)采用實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)方式，避免峰值用電需求量過(guò)大給電網(wǎng)帶來(lái)不利影響。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要采用無(wú)線通信方式將各種用電設(shè)備與智能電表連接，在掌握電網(wǎng)供電情況和用電峰值等信息的基礎(chǔ)上，合理分析和判斷用戶對(duì)各種設(shè)備的用電需求，在夜間等用電量較低的時(shí)段對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電，確保電網(wǎng)穩(wěn)定供電，并減少用電成本。在電力行業(yè)信息化發(fā)展背景下，為滿足節(jié)能減排等特殊用電管理需求，智能電網(wǎng)開(kāi)始配備各種無(wú)線終端進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)用電管理，能夠與電網(wǎng)控制中心通信獲得網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，從而引導(dǎo)用戶合理用電[4]。在城市道路照明用電方面，通過(guò)無(wú)線設(shè)備確定道路狀況，完成路燈亮暗的自動(dòng)調(diào)節(jié)，避免產(chǎn)生不必要的電能浪費(fèi)。在區(qū)域用電管理方面，電網(wǎng)可以通過(guò)無(wú)線設(shè)備單相增加傳輸電壓和功率，確保區(qū)域供電平穩(wěn)。在無(wú)線通信技術(shù)的支持下，工作人員無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展抄表等工作，而是能夠根據(jù)實(shí)時(shí)用電情況進(jìn)行電力資源遠(yuǎn)程調(diào)控，從而有效降低智能電網(wǎng)用電管理成本。

3.3 在業(yè)務(wù)開(kāi)展中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能家居、智能城市建設(shè)等都離不開(kāi)無(wú)線通信技術(shù)的支持。開(kāi)展各類(lèi)業(yè)務(wù)時(shí)，需要使用頻譜訪問(wèn)、融合以及傳感等方式完成信號(hào)傳輸。但在智能電網(wǎng)頻譜有限的情況下，需要利用無(wú)線通信方式完成頻譜動(dòng)態(tài)識(shí)別，有效降低頻譜租賃成本。隨著頻譜接入的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)不斷增多，促使無(wú)執(zhí)照頻譜用戶大量出現(xiàn)。而采用認(rèn)知無(wú)線電和動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)，能夠?yàn)橹悄芫W(wǎng)絡(luò)提供新的無(wú)線服務(wù)，在頻譜資源有限的情況下依然能夠進(jìn)行頻譜感測(cè)、聚合及訪問(wèn)，保證電網(wǎng)業(yè)務(wù)信息實(shí)現(xiàn)可靠傳輸[5]。在智能家居建設(shè)中，使用智能網(wǎng)關(guān)、智能插座等先進(jìn)設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)空調(diào)、冰箱等電氣能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得用電負(fù)荷和能耗信息。基于無(wú)線通信技術(shù)的智能家居業(yè)務(wù)如圖2所示。

圖2 基于無(wú)線通信技術(shù)的智能家居業(yè)務(wù)

在感知電網(wǎng)負(fù)荷和實(shí)時(shí)電價(jià)等信息的情況下，可以通過(guò)智能管理系統(tǒng)實(shí)施科學(xué)管理。例如在省電模式下，可以根據(jù)電費(fèi)信息對(duì)中央空調(diào)冷卻狀態(tài)、溫度等進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到減少設(shè)備耗電量的目標(biāo)。在智慧城市建設(shè)背景下，可以根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷壓力合理調(diào)節(jié)裝置充放電狀態(tài)，在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的同時(shí)有效提高能源利用率[6]。

4 基于智能電網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

4.1 技術(shù)應(yīng)用限制

應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)能夠提高智能電網(wǎng)的實(shí)用性、安全性，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中該技術(shù)也存在一定的缺陷。

在惡劣環(huán)境條件下，無(wú)線通信將受到雷電、高溫等不可抗因素的干擾，出現(xiàn)通信受阻、傳輸效率低等情況[7]。此外，智能電網(wǎng)需要利用無(wú)線設(shè)備采集和分析數(shù)據(jù)，通常是通過(guò)基站傳感器和終端計(jì)算機(jī)分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。由于目前基站及終端尚未達(dá)到完全物聯(lián)化的要求，因此需要將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心展開(kāi)進(jìn)一步分析。而實(shí)際智能電網(wǎng)在配備大量無(wú)線設(shè)備時(shí)，會(huì)遇到能量?jī)?chǔ)備不足的問(wèn)題[8]。盡管無(wú)線設(shè)備應(yīng)用成本較低，但在通信可靠性方面仍然存在問(wèn)題。相較于有線設(shè)備，無(wú)線設(shè)備在信息傳輸和存儲(chǔ)方面提出了更高的安全要求，例如在電網(wǎng)計(jì)費(fèi)等方面強(qiáng)調(diào)采取網(wǎng)絡(luò)安全防范措施，同時(shí)采用防護(hù)機(jī)制提高通信管理水平。如果未能做好電網(wǎng)通信安全防護(hù)設(shè)計(jì)，將給無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)限制。

4.2 未來(lái)發(fā)展方向

針對(duì)智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、控制等設(shè)備，應(yīng)對(duì)其無(wú)線通信功能進(jìn)行擴(kuò)展，確保可以構(gòu)成穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)電網(wǎng)信息通道，還應(yīng)完成內(nèi)、外網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，通過(guò)形成二元結(jié)構(gòu)保證信息的穩(wěn)定傳輸[9]。建設(shè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，用于開(kāi)展設(shè)備檢修、視頻監(jiān)控等各項(xiàng)管理活動(dòng)，并通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)電網(wǎng)生產(chǎn)、運(yùn)行等信息進(jìn)行承載。通過(guò)建立雙通道，可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外網(wǎng)的連接，確保電網(wǎng)各項(xiàng)通信功能順利實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)智能電網(wǎng)配備的無(wú)線基站，應(yīng)構(gòu)建相應(yīng)的模塊，完成多種功能模塊的搭載，確保基站能夠?qū)崿F(xiàn)可靠通信。通過(guò)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳輸和處理，同時(shí)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。而通過(guò)配備電源、照明等功能模塊，提供多個(gè)通信端口，能夠滿足視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)信息搜索等各項(xiàng)業(yè)務(wù)的需求[10]。

為保證智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全，應(yīng)引入各種安全技術(shù)加強(qiáng)電網(wǎng)無(wú)線通信管理。例如針對(duì)內(nèi)、外網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)設(shè)置防火墻、隔離裝置等加強(qiáng)物理隔離，也能利用網(wǎng)絡(luò)安全通信協(xié)議建立防護(hù)機(jī)制，確保電網(wǎng)內(nèi)部的通信安全。在完成安全邊界設(shè)置的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)漏洞檢測(cè)、攻擊檢測(cè)等安全技術(shù)的運(yùn)用，從而為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸提供安全保障。

5 結(jié) 論

無(wú)線通信技術(shù)在信號(hào)覆蓋范圍、傳輸速率等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在智能電網(wǎng)中應(yīng)用該技術(shù)可以較好地滿足電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展需求。加強(qiáng)無(wú)線通信技術(shù)在智能電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控、用電服務(wù)管理以及業(yè)務(wù)開(kāi)展等方面的應(yīng)用，在充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合其在實(shí)際應(yīng)用存在的缺陷進(jìn)行創(chuàng)新探索，不斷提升無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用效果，從而推動(dòng)智能電網(wǎng)的高速發(fā)展。