面向能源樞紐的通信技術(shù)分析

鞏芫芳，胡鑫明，余加霞

（西電電力系統(tǒng)有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

能源樞紐是基于新一代電力系統(tǒng)的概念，是一個多基礎(chǔ)設(shè)施集成的框架，通過自動化控制和現(xiàn)代通信技術(shù)將可再生能源進行集成，以提高整個系統(tǒng)的效率和可靠性[1]。在能源樞紐（見圖1）中，不同設(shè)備之間通過雙向通信相互連接，根據(jù)交互信息來優(yōu)化配置能源的傳輸，保證能源樞紐安全經(jīng)濟運行[2]。

圖1 能源樞紐示意圖

目前，數(shù)以百萬計的小型發(fā)電設(shè)備被整合到新的能源樞紐中，通過共享電力的即時需求，有效改善負載平衡[3]。為了在各設(shè)施之間實現(xiàn)安全、可靠、高效的實時數(shù)據(jù)傳輸和非實時數(shù)據(jù)傳輸，能源樞紐通信基礎(chǔ)設(shè)施的選擇至關(guān)重要。

1 能源樞紐通信基本需求分析

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，通信基礎(chǔ)設(shè)施的信息共享和傳輸能力非常有限，通信系統(tǒng)主要從傳輸節(jié)點上有限數(shù)量的傳感器采集的信號中獲取數(shù)據(jù)[4]。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中包含更多的傳感器和執(zhí)行器，為了處理龐大的數(shù)據(jù)流，必須有復(fù)雜、可靠且強大的通信基礎(chǔ)設(shè)施，以保證能夠提供安全和實時通信[5]。

在電力系統(tǒng)中，確保信息傳輸?shù)陌踩侵陵P(guān)重要的，特別是在傳輸計費信息和設(shè)備控制信息等方面。為了避免黑客的攻擊，必須建立有效的安全機制。隨著能源消耗的增加，現(xiàn)有能源基礎(chǔ)設(shè)施的老化導(dǎo)致了許多不可避免的電網(wǎng)問題。為了提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，應(yīng)從多個方面同時考慮，例如開發(fā)安全的通信協(xié)議、應(yīng)用更快和精度更高的控制設(shè)備、通過能源樞紐集成智能設(shè)備等。此外，可以同時使用有線通信和無線通信方式，提高系統(tǒng)的可靠性、可用性、耐久性，同時有效降低運行成本。

通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足所有能源樞紐相關(guān)的操作，可以應(yīng)用Web 服務(wù)集成等技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。通過了解電力系統(tǒng)的潛在動態(tài)特性，評估各種服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）關(guān)鍵指標（吞吐量、時延、丟包率等）對能源樞紐的影響[6]。

2 面向能源樞紐的通信網(wǎng)絡(luò)

對于電力公司，確定通信需求、指定處理輸出數(shù)據(jù)的最佳通信方式以及在整個系統(tǒng)中提供安全可靠的服務(wù)極其重要。目前，基于無線和有線的各種通信技術(shù)被用于智能電表和電力設(shè)施之間的數(shù)據(jù)傳輸。在許多情況下，無線通信比有線通信要好，它不僅成本較低，而且容易到達不可接近的地區(qū)。

能源樞紐中主要包含2 個信息流向，一是從傳感器和電氣設(shè)備流向智能電表，二是從智能電表到數(shù)據(jù)中心。對于第一種信息流，可以通過電力線通信或無線通信來實現(xiàn)，如ZigBee、6LoWPAN、Z-wave 等[7]。對于第二種信息流，可以使用蜂窩網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)。目前，有3 種類型的通信基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于能源樞紐和智能電網(wǎng)，即家庭局域網(wǎng)（Home Area Network，HAN）、鄰域網(wǎng)（Neighborhood Area Network，NAN）以及廣域網(wǎng)（Wide Area Network，WAN）。不同網(wǎng)絡(luò)與能源樞紐通信基礎(chǔ)設(shè)施之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 不同網(wǎng)絡(luò)與能源樞紐通信基礎(chǔ)設(shè)施連接關(guān)系

HAN 覆蓋范圍有限，通常為幾十米，適用于小型住宅的網(wǎng)絡(luò)搭建。與其他網(wǎng)絡(luò)相比，HAN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低。在實際操作中，HAN 網(wǎng)絡(luò)通過使用有線或無線調(diào)制解調(diào)器，由互聯(lián)網(wǎng)連接進行操作。該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了計算機、移動設(shè)備及其他設(shè)備之間的連接和資源共享。在能源樞紐中，所有智能家電和智能電表都可以集成到HAN 網(wǎng)絡(luò)中。

NAN是一種允許用戶經(jīng)濟、快速地連接到Internet的無線網(wǎng)絡(luò)。它能夠通過802.11 接入點實現(xiàn)較小的區(qū)域內(nèi)的一個或多個人設(shè)備的連接。如果接入點為全向天線，其覆蓋半徑可達1 km。NAN 是Wi-Fi 熱點和無線局域網(wǎng)(WLAN)的一個分支，并且可以將智能電表、DA 設(shè)備等一系列設(shè)備與射頻網(wǎng)、PLC 網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)或RS232、RS485 等串行接口上的一系列現(xiàn)場區(qū)域路由器互連。由于NAN 收集的數(shù)據(jù)存放在本地數(shù)據(jù)中心，這種存儲對于分析數(shù)據(jù)、確定發(fā)電需求等非常重要[8]。

WAN 是一種計算機網(wǎng)絡(luò)，由多個NAN 和數(shù)據(jù)集中器組成，其覆蓋范圍在幾十千米到幾千千米。最早的WAN 是由美國空軍在20 世紀50 年代后期創(chuàng)建的，用于連接半自動地面環(huán)境雷達防御系統(tǒng)中的各個站點。在能源樞紐中，發(fā)電、輸電以及配電都依賴于WAN 網(wǎng)絡(luò)[9]。

對于面向能源樞紐的通信網(wǎng)絡(luò)，通常包含WAN、NAN以及HAN三部分，它們之間的互聯(lián)性如圖3所示。其中，HAN 主要完成基本數(shù)據(jù)的收集，并通過智能電表與能源樞紐進行通信。

圖3 能源樞紐中WAN、NAN 以及HAN 之間的互聯(lián)性能

3 面向能源樞紐的通信技術(shù)

與能源樞紐相關(guān)的常見通信技術(shù)類型、常用頻率、數(shù)據(jù)傳輸速率以及覆蓋范圍如表1 所示。

表1 面向能源樞紐的通信技術(shù)的特性

3.1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 協(xié)議發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、低延遲以及高可靠性等特點，同時支持地理定位功能[10]。ZigBee 的傳輸速率在20 ～250 kb/s，適用于周期性、間歇性的數(shù)據(jù)傳輸，每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備。ZigBee 協(xié)議棧有4 層，即物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層，其安全性主要取決于網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。每一層都部署相應(yīng)的秘鑰，由帶有密碼塊鏈和消息驗證碼的高級加密標準計數(shù)器進行加密或解密操作，確保傳輸數(shù)據(jù)的真實性。

3.2 WLAN 技術(shù)

WLAN 具有成本低、安裝方便等諸多優(yōu)點，可以應(yīng)用于能源樞紐。WLAN 利用無線電或紅外信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布線，以提供短距離的無線網(wǎng)絡(luò)通信。WLAN 可由任何一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來構(gòu)建，其工作頻率為2.4 ～3.5 GHz，通常不受路由器物理端口數(shù)量的限制，可以支持數(shù)十臺甚至數(shù)百臺設(shè)備。通過添加一個或多個中繼器，可以很容易地擴展WLAN 的范圍。

3.3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)又稱移動網(wǎng)絡(luò)，是一種通過蜂窩分布的無線網(wǎng)絡(luò)，其中每個蜂窩包括一個固定位置收發(fā)器（也稱基站），這些基站共同為其所在的地理區(qū)域提供無線電覆蓋，同時提供100 Mb/s 的高速通信服務(wù)[11]。在大多數(shù)國家，蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛布局，目前較為成熟的蜂窩通信技術(shù)包括通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）、全球微波接入互操作系統(tǒng)（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX）等。其中，WiMAX 的工作頻率范圍為2.5 ～3.5 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為70 Mb/s，傳輸距離可達50 km，是最適用于能源樞紐的通信技術(shù)。

3.4 電力線通信技術(shù)

電力線通信技術(shù)使用電力線作為信息載體，通過在電力線上添加調(diào)制信號來實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。基于不同的電力線通信標準，其數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離有很大差異。此外，電力線路最初設(shè)計是用于傳輸50 Hz/60 Hz 等特定頻率的交流電源，因此在電力線內(nèi)很難實現(xiàn)高頻通信，這是制約電力線通信技術(shù)應(yīng)用的主要因素之一。網(wǎng)絡(luò)中的非線性負載（如整流器和晶體管等）可能會對高次諧波的通信信號造成干擾，為了解決這個問題，可以使用先進的有源濾波器。

4 結(jié) 論

隨著可再生能源分布式發(fā)電的日益普及，EH 技術(shù)的成熟為電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了契機，隨之而來的問題是如何提高當前電網(wǎng)的效率、可靠性和安全性。為此，遠程、實時地收集有關(guān)設(shè)備故障、容量約束等信息，實現(xiàn)設(shè)備間的通信，對于確保主動和實時可靠診斷EH 故障至關(guān)重要。