引言

保障能源安全、應對全球氣候變化是全人類所面臨的重大挑戰(zhàn)。為應對這一嚴峻挑戰(zhàn)，歐洲、北美等主要發(fā)達國家于本世紀初相繼提出了智能電網(wǎng)(SmartGrid)的建設愿景，希望用智能電網(wǎng)技術解決可再生能源規(guī)?；?、資源大規(guī)模優(yōu)化配置、電動汽車大規(guī)模接入等系列問題，從而達到調整能源消費結構、保證國家能源安全、降低碳排放標準等系列目的。這一設想，立即在全世界范圍得到認可與響應，各國都把電力建設的重點放在了智能電網(wǎng)的研究與建設上。所謂智能電網(wǎng)，就是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術的應用，實現(xiàn)與用戶的互動及電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。

在智能電網(wǎng)的建設過程中，智能配電網(wǎng)是其研究重點,而通信技術則是實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的基礎。沒有先進的通信網(wǎng)絡,任何智能配電網(wǎng)的優(yōu)點都沒法體現(xiàn)，所以，要實現(xiàn)智能電網(wǎng)的關鍵一步，就是建立雙向、高速、集成的通信網(wǎng)絡。

本文首先介紹配電網(wǎng)通信現(xiàn)狀，然后介紹常用的幾種通信方式、智能配電網(wǎng)通信應用的場景以及通信的標準，最后對智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)未來的發(fā)展方向進行了簡單探討。

1配電網(wǎng)通信現(xiàn)狀

目前，配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)接入方式多種多樣(包括PLC技術、微波、GSM/CDMA等)，然而，配電網(wǎng)通信缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡規(guī)劃，通信信道穩(wěn)定性差，數(shù)據(jù)信息傳輸速率比較低且安全性低，技術設計和標準等存在差異，電力系統(tǒng)現(xiàn)有資源無法得到有效利用，通信的單向性導致對互動性的支撐不足，缺乏對未來新業(yè)務的擴展能力。隨著大量的分布式電源接入電網(wǎng)，以及用戶對電能質量的要求提高，系統(tǒng)對電網(wǎng)可靠性要求增加,現(xiàn)有的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)無法應對新的供用電形式和需求。這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

智能配電網(wǎng)強調與用戶的互動，需要雙向的通信網(wǎng)絡;

混合充電汽車的不斷普及、用戶需求側響應決策等,需要配電網(wǎng)進行實時的監(jiān)測；

隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，會產(chǎn)生越來越多的數(shù)據(jù)；

大量的分布式電源接入配電網(wǎng)，需要對其進行實時穩(wěn)定的管理與控制。

可見，為滿足智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的可靠、安全、穩(wěn)定的要求，需要對現(xiàn)有的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)進行重新規(guī)劃設計。

2智能配電網(wǎng)對通信系統(tǒng)的要求

為了保證智能配電網(wǎng)的特征能夠實現(xiàn)，其通信系統(tǒng)需要滿足高可靠性、安全性、實時性和靈活性等條件叫

2.1高可靠性

高可靠性就是指數(shù)據(jù)信息能夠在任何環(huán)境下傳輸?shù)娇刂浦行幕蛘邆鬏斀o子站及智能電力設備。電網(wǎng)的可靠性都是依靠通信網(wǎng)絡發(fā)送和接收重要信息來維持的?？煽啃栽谟芯€網(wǎng)絡中并不是個嚴重的問題，但是在無線網(wǎng)絡和PLC(電力載波通信)網(wǎng)絡中就是個挑戰(zhàn)了，因為它們的通信信道可能會受到外界干擾而發(fā)生變化。通信系統(tǒng)自己并不能夠直接獲得電網(wǎng)拓撲結構的變化，于是通信網(wǎng)本身就需要具有較強的魯棒性。

2.2安全性

隨著電力網(wǎng)和信息網(wǎng)的融合，以及配電網(wǎng)距離的增加，有關能源分布的數(shù)據(jù)信息總是特別重要，尤其是當它們與交易信息及控制、保護有關的時候，安全問題變得非常重要。例如，如果通信方式采用無線公用網(wǎng)絡，公用網(wǎng)的分享性與容易接入，使得電力數(shù)據(jù)容易獲得，易被不法分子截取數(shù)據(jù)，從而進行破壞。

2.3實時性

電網(wǎng)中的一些設備需要實時的數(shù)據(jù)，而電力設備的實時性需求主要依賴于應用的緊急程度。例如PMU就有嚴格的實時性，它提供電壓和電流的實時測量，并把數(shù)據(jù)傳輸給控制中心進行分析控制。對于保護裝置，當某處發(fā)生故障時，控制中心必須實時把控制指令發(fā)送到智能電力設備，以使其動作,切斷故障，如果沒有實時性的通信保障，就可能會發(fā)生電網(wǎng)的連鎖故障。

2.4靈活性

不同于輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)的結構總是在不斷增加和改變的。對于通信系統(tǒng)，不僅僅是第一次安裝，對于今后配電網(wǎng)的結構改變需要能夠繼續(xù)擴展而不必改變原有的通信模式，也要在運行期間易于管理和維護。除此之外，智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)還要支持組播技術，使得同級智能電力設備之間可以分享相關的信息。

3常用通信方式

先進的技術和應用融合到智能配電網(wǎng)中，就會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并需要進一步分析、控制和實時管理，于是需要選取可靠、經(jīng)濟、雙向的通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。目前，常用的通信技術分為無線通信和有線通信兩種。有線通信技術包括光纖通信、電力線載波通信(PLC)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(EPON)等。無線通信技術包括ZigBee、全球微波接入系統(tǒng)(WiMAX)、GPRS等。有線和無線各有優(yōu)缺點：無線成本較低，適用于很難達到的地區(qū)；有線相對比較穩(wěn)定，可靠性較高。不同的通信方式適合于不同的環(huán)境和地區(qū)，要建立高效、可靠的智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)，就必須根據(jù)實際情況，幾種通信方式搭配使用。下面簡單地介紹幾種常用通信方式。

3.1以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡是無源光網(wǎng)絡(PON)的一種，是一種點到多點結構的單纖雙向光接入網(wǎng)絡。EPON由網(wǎng)絡側的光線路終端(OpticalLineTerminal，OLT)、光分配網(wǎng)絡(OpticalDistributionNetwork，ODN)和用戶側的光網(wǎng)絡單元(OpticalNetworkUnit，ONU)組成。OLT置于中心機房，是一個多業(yè)務平臺，可提供面向EPON的光纖接口。ONU放在用戶設備端附近或與其合為一體，主要提供面向用戶的多種業(yè)務接入。ODN完成光信號功率的分配，為OLT與ONU之間提供光傳輸通道。EPON系統(tǒng)下行傳輸數(shù)據(jù)采用廣播方式，上行數(shù)據(jù)則采用時分多址技術(TimeDivisionMultiplexing，TDM)。

EPON的應用通常是作為骨干網(wǎng)絡結構，即35kV以上的電網(wǎng)通信。EPON的優(yōu)點：一是能夠提供透明寬帶的傳送能力，數(shù)據(jù)傳輸速率快；二是組網(wǎng)靈活，能夠組建復雜的混合型網(wǎng)絡，并且根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點的實際地理位置靈活聯(lián)網(wǎng)或改變網(wǎng)絡拓撲結構；三是維護簡單，長期運營和管理成本低；四是網(wǎng)絡可靠性以及安全性高。EPON的缺點則是建設光纖的鋪設工程量大，初期投資高；同時，由于配電信息點分布日新月異，拓撲結構不穩(wěn)定，EPON的組網(wǎng)難度大，后期運維和故障排查工作量較大。

3.2電力線載波

電力線載波通信(PLC)是一種電力系統(tǒng)特有的通信方式,利用現(xiàn)有的電力電纜作為傳輸媒質，通過載波方式傳輸語音和數(shù)據(jù)信號。在中低壓配電網(wǎng)中，PLC可以為配電網(wǎng)自動化、AMI等提供數(shù)據(jù)傳輸通道。目前，PLC的傳輸速率可以達到數(shù)十千位每秒，而隨著科技的發(fā)展，其傳輸速率會更大。現(xiàn)在又出現(xiàn)了一種新的PLC通信技術，就是基于OFDM(正交頻分復用)的PLC技術［67］。它對傳統(tǒng)PLC技術進行了改進,提高了可靠性和傳輸速率。

PLC技術主要應用在室內環(huán)境下，比如AMI的通信，而不需要安裝專用的通信線路。PLC的優(yōu)點是利用電力線纜作為傳播媒介，建設成本較低；另外，它的通道可靠性高，抗破壞能力強。同時，PLC也有缺點：一是由于電力線信道的惡劣性，傳輸距離較短；二是易受電網(wǎng)負載和結構的影響，抗干擾能力差。

3.3全球微波接入系統(tǒng)

全球微波接入系統(tǒng)(WiMAX)是基于IEEE

802.16x系列標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術，能夠實現(xiàn)固定及移動用戶的高速無線接入，其基本目標是為企業(yè)和家庭用戶提供'最后一公里”的寬帶無線接入方案。WiMAX網(wǎng)絡體系由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成。核心網(wǎng)包含路由器、AAA代理服務器、用戶數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)關設備，實現(xiàn)用戶認證、漫游、網(wǎng)絡管理等功能，并提供與其他網(wǎng)絡之間的接口；接入網(wǎng)包含基站和用戶站，負責為WiMAX用戶提供無線接入地

WiMAX技術可以應用在AMI、用戶最后一公里接入等領域。其優(yōu)點：一是可以通過無線方式實現(xiàn)寬帶連接，不需要鋪設線纜，組網(wǎng)速度快，建設成本低；二是網(wǎng)絡覆蓋面積廣，只要少數(shù)基站就可以實現(xiàn)全城覆蓋，無線信號應用范圍廣。WiMAX的缺點是容易受天氣、地形等影響，使傳輸質量降低;另外，雖然技術比較成熟，但是在某些國家(比如中國)沒有分配電力專用頻率段。

ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee可以把設備發(fā)出的信息傳輸給用戶，而用戶也可以獲得他們實時的電力消費信息。

在家庭自動化、能源監(jiān)測和AMI的應用中，ZigBee是個比較理想的通信技術。ZigBee的優(yōu)點：一是功耗和成本低；二是容量比較大，安全性高。ZigBee的缺點是傳輸速率比較低,傳輸距離比較近；同時其抗干擾能力較差。

GPRS

GPRS是GSM移動電話用戶可以使用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS可以說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封?Packet)方式來傳輸?shù)模虼耸褂谜咚摀馁M用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道,理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56~114kb/s19］。

GPRS可以應用在需求響應、家庭網(wǎng)絡自動化的應用中,以及有線通信無法達到或者需要建設成本較低的地區(qū)。GPRS的優(yōu)點是傳輸距離較遠；成本比較低。GPRS的缺點：一是由于是公網(wǎng)，容易接入，安全性比較差；二是穩(wěn)定性較差，信號容易受干擾。

表1總結了上述各種通信方式的特性及應用方式，使用時,可以通過比較并根據(jù)具體的環(huán)境選擇合理的通信方式。

4通信標準

智能配電網(wǎng)通信中的許多應用、技術等已經(jīng)比較成熟或者正在研究當中?，F(xiàn)在智能配電網(wǎng)通信面臨的主要挑戰(zhàn)是缺乏統(tǒng)一的標準，這種情況影響了智能電力設備、智能電表和可再生能源的融合以及它們的相互操作。建立智能配電網(wǎng)通信的統(tǒng)一的國際標準是現(xiàn)在急需的，這有利于智能配電網(wǎng)的早日實現(xiàn)。表2總結了各種智能配電網(wǎng)通信的標準，并列出它們的應用范圍。

4.1IEEE標準

IEEE建立了很多電力系統(tǒng)的標準，其在電力通信方面的標準主要有以下幾種：

IEEEC37.1標準提供了SCADA系統(tǒng)與變電站自動化系統(tǒng)的的基礎定義、規(guī)范、技術性能分析和應用。它定義了變電站中的系統(tǒng)結構和功能一協(xié)議選擇、人機界面和執(zhí)行問題。另外，它還規(guī)定了可靠性、可維護性、安全性和可擴展性等網(wǎng)絡性能需求。

⑵IEEE1379標準介紹了變電站中的IED(智能電力設備)和RTU(遠程終端單元)之間的通信與相互操作的操作指導及實際應用。特別是該標準還描述了變電站網(wǎng)絡通信協(xié)議棧對IEC60870和DNP3的映射。它還討論了如何擴展在變電站中應用的數(shù)據(jù)元素和目標，以提高網(wǎng)絡功能。

IEEE1547標準定義和描述了與電網(wǎng)相互連接的分布式能源，包含電力系統(tǒng)、信息交換和驗證檢驗三部分。

IEEE1646標準規(guī)定了變電站內部和外部的通信傳輸時間的需求。這個標準把變電站通信分為幾個類別，并定義了每個類別的通信延遲需求。

IEC標準

IEC在電力系統(tǒng)的通信和控制方面提出了許多標準。常用的如下：

(1)IEC60870提出了電力系統(tǒng)通信和控制方面的許多標準。標準定義了用于電力系統(tǒng)控制的通信系統(tǒng)，通過這個標準,電力設備間可以相互操作，以實現(xiàn)自動管理。

⑵IEC61850標準側重于變電站的自動控制；它定義了全面的系統(tǒng)管理功能和通信需求，以促進變電站的管理。

IEC61968標準提供了配電領域與輸電領域的設備和電網(wǎng)之間數(shù)據(jù)交換的信息模型。

IEC62351描述了網(wǎng)絡安全，它規(guī)定了達到不同安全目標的需求，包括數(shù)據(jù)認證、數(shù)據(jù)保密、接入控制和入侵檢測。

ANSI標準

ANSI設定的電力通信標準主要有：

(1)ANSIC12.19標準描述了電力行業(yè)終端的數(shù)據(jù)表。它定義了終端設備和計算機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋斫Y構，終端設備和計算機之間利用二進制代碼與XML傳輸。

⑵ANSIC12.18標準是專為智能電表通信設立的，它負責智能電表(C12.18設備)和用戶(C12.18客戶)之間的雙向通信。

5通信系統(tǒng)在智能配電網(wǎng)中的應用

通信系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應用有很多，比如變電站自動控制、自動抄表技術、用戶需求響應等，這些都是智能配電網(wǎng)中的重要應用。它們利用先進的通信技術，與電力設備和控制中心等進行數(shù)據(jù)傳輸，達到自動控制或保護的目的。

5.1變電站自動化控制

變電站是電力系統(tǒng)中很重要的部分，它可以調節(jié)輸電線路的電壓和潮流。通常變電站由變壓器、電容器、電壓控制器和斷路器等組成。變電站自動化控制將會在智能配電網(wǎng)中廣泛的應用，利用地區(qū)局域網(wǎng)進行實時監(jiān)測與控制。變電站通信中的技術一般包括以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)。為了連接變電站中的各個設備以及收集到變電站外的的電力設備的一些數(shù)據(jù)信息,需要安裝專用的傳感器。傳感器把收集到的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行?，然后控制中心根?jù)數(shù)據(jù)情況進行分析再把指令發(fā)送到各個電力設備。圖1表示的是一個典型的變電站自動化通信系統(tǒng)的結構圖。

因為以太網(wǎng)的傳輸速率和可靠性都比較高，所以在變電站自動控制中，骨干網(wǎng)一般都采用以太網(wǎng)通信技術。在變電站與下面的子站及電力設備的通信選用無線網(wǎng)組成的局域網(wǎng)，因為它的成本較低且易于擴展維護。安裝在電力設備上的傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡協(xié)議棧的處理后，將通過網(wǎng)絡實時傳輸給控制中心。當控制中心收到這些數(shù)據(jù)時，經(jīng)過處理會作出反應，并給電力設備發(fā)回控制信息。由于變電站同時監(jiān)測和控制許多設備，這些設備共享變電站的通信網(wǎng)絡帶寬。對于變電站的數(shù)據(jù)信息，如果是用作維護，通信延時允許在1s內。如果數(shù)據(jù)提供的是實時監(jiān)測與控制信息，延時時間就必須在10ms內。對于緊急的信息，比如故障信息，就必須立刻傳輸給控制中心，延時時間應在3ms內。

5.2自動抄表技術

自動抄表技術是配電發(fā)展的重大進步，可用于減少工人的工作量，提高效率，增加數(shù)據(jù)分析的速度。自動抄表技術可以看作是智能配電網(wǎng)中AMI的部分或者是其前身。它主要由智能電表、數(shù)據(jù)傳輸通道和主站系統(tǒng)組成。智能電表中的采集器將電能表中的用電信息傳輸給集中器，集中器一方面向采集器下達電量數(shù)據(jù)凍結指令，一方面將用戶用電數(shù)據(jù)等主站需要的信息傳輸?shù)街髡緮?shù)據(jù)庫，主站系統(tǒng)通過接收到的用電數(shù)據(jù)進行處理并反饋給集中器。圖2所示是自動抄表技術的通信結構。

自動抄表技術在每個用戶端都安裝有智能電表，電表通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸給主站。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，自動抄表系統(tǒng)可對用戶實現(xiàn)分級授權管理，并加裝防火墻及進行數(shù)據(jù)備份。智能電表采集到的用電信息可以同時傳輸給主站控制中心或者傳輸給用戶，在傳輸給用戶的過程中，一般允許有幾秒的延時。

圖2自動抄表通信結構

5.3用戶需求響應決策

在智能配電網(wǎng)中，越來越多的分布式電源接入電網(wǎng)，許多家庭也安裝了自己的分布式電源，比如太陽能板、小型風機等。由于大量的分布式電源接入，電力市場也變得多樣化,實行階梯式電價將更加有利。小型或者中型的分布式電源通過通信網(wǎng)絡和電力交易平臺連接在一起。根據(jù)電力產(chǎn)生和消耗的變化，電力市場中的電價將不斷變化。用戶通過之前建立的通信網(wǎng)絡實時地獲得電價信息，從而決定何時用電或者給電網(wǎng)供電，從而實現(xiàn)電網(wǎng)和用戶的供需平衡，也保證了用戶的需求。圖3所示是用戶需求響應決策的通信結構。

電力供應者和消費者通過廣域通信網(wǎng)絡公布他們的電力供應水平或者需求。用戶通過不同的網(wǎng)絡接入技術連接到電力市場中，比如普通用戶可以用PLC或者電話線接入，一個大型的發(fā)電企業(yè)可能有它們專門的局域網(wǎng)連接到電力市場。需求響應的通信是實時、雙向的，而且是高可靠性的。用戶對于自己的用電信息和實時電價會比較關心，從而決定自己用電設備的啟停。對于用戶來說，他們希望需求響應的延時時間在幾秒之內，以便可以隨時掌握動態(tài)的電價信息。需要指出的是，圖3中的普通用戶、發(fā)電廠工商業(yè)用戶之間也是可以相互通信的。

6智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的未來發(fā)展方向

目前，對于智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的研究范圍已經(jīng)比較廣泛，涉及很多方面，比如可靠的通信技術、利于統(tǒng)一的通信協(xié)議等。然而，新興的通信技術雖然對之前的技術有了很大的改進，但是，如果大規(guī)模替換會導致話費巨大。現(xiàn)在各個機構都建立了很多通信系統(tǒng)協(xié)議，但是并沒有一個統(tǒng)一的標準，導致很多通信設備無法通用?？偨Y本文論述的智能配電網(wǎng)的技術發(fā)展，未來智能配電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡的研究將側重以下內容：

對智能配電網(wǎng)通信的建設要在現(xiàn)有的基礎上進行改進升級，而不應當完全拋棄現(xiàn)有的通信網(wǎng)；

在研究新的通信技術的同時，對通信系統(tǒng)的規(guī)劃應該根據(jù)實際情況來決定，合理搭配使用通信技術，使其可靠穩(wěn)定而又經(jīng)濟；

由于智能配電網(wǎng)缺乏統(tǒng)一的標準，因此需要制定新的適合智能配電網(wǎng)的標準和協(xié)議;

研究評估一個通信系統(tǒng)的性能的仿真方法。

7結語

智能配電網(wǎng)的實現(xiàn)需要建立雙向、高速、實時可靠的通信系統(tǒng)的支持。本文綜述了智能配電網(wǎng)中通信系統(tǒng)的相關內容，重點介紹了通信技術、通信系統(tǒng)的協(xié)議標準以及通信系統(tǒng)應用。在后續(xù)的智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的研究中，確定統(tǒng)一的通信標準以及研究評估通信系統(tǒng)好壞的仿真方法是其關鍵。

20211014_616846eb7ca3c__智能配電網(wǎng)通信技術發(fā)展綜述