智能電網(wǎng)通信技術(shù)的研究

1、智能電網(wǎng)通信技術(shù)的研究林彥明,張樹彬(黑龍江肇源縣電業(yè)局,黑龍江大慶166500摘要:智能電網(wǎng)具有高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視和控制電網(wǎng)運(yùn)行,預(yù)防事故發(fā)生和及時(shí)清除故障。研究了智能電網(wǎng)的通信技術(shù),設(shè)計(jì)了集光纖通信、新一代3G/ 4G移動(dòng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(IEEE80211等先進(jìn)通信技術(shù)的智能電網(wǎng)通信系統(tǒng),遍布整個(gè)電網(wǎng)的通信設(shè)備將信息在各種測(cè)量裝置、控制設(shè)備和執(zhí)行元件之間進(jìn)行相互傳遞,以保證電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。關(guān)鍵詞:智能電網(wǎng);通信系統(tǒng);光纖通信;移動(dòng)通信中圖分類號(hào):TN91505文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):10093230(201106004305 Researc

2、h on smart grid communications technologyLIN Yan-ming,ZHANG Shu-bin(Heilongjiang Zhaoyuan Electric Power Bureau,Daqing166500,ChinaAbstract:Smart grid is a high-speed,two-way,real-time,and integrated communication system, which can real-time monitor and control grid operation,prevent accident and cle

3、ar fault timelyIn this paper,smart grid communication technology is researched and smart grid communication systems, which integrates optical fiber communication,new generation3G/4G mobile communications, wireless LAN(IEEE80211and some other advanced communication technologies,is designedThe communi

4、cation equipments,which distribute the entire grid,mutual transmit information between all kinds of measuring devices,control equipments,and actuators,to ensure that grid can be safe, reliable,and economical in operationKey words:Smart grid;Communication systems;Optical fiber communication;Mobile0前言

5、隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,社會(huì)對(duì)電能的需求不斷增加,電網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大,影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的不確定因素和潛在風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大,而各級(jí)用戶對(duì)電力供應(yīng)的質(zhì)量和可靠性要求越來(lái)越高,電力發(fā)展所面臨的資源和環(huán)境壓力越來(lái)越大,迫使電力經(jīng)營(yíng)者不斷提高企業(yè)運(yùn)營(yíng)效率,力求在安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效、綠色環(huán)保等方面開辟新的發(fā)展空間。智能電網(wǎng)建設(shè)是全球在能源領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略收稿日期:20110411修訂日期:20110428作者簡(jiǎn)介:林彥明(1971,男,主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究。部署,歐美等國(guó)家都針對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)制訂了戰(zhàn)略規(guī)劃。從2009年起,我國(guó)也在智能電網(wǎng)建設(shè)上開始投入大量精力,制訂了詳細(xì)的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。智能電網(wǎng)的建設(shè)

6、將逐步推動(dòng)我國(guó)電力基礎(chǔ)生產(chǎn)模式的改變,定位于利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù),構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的國(guó)際領(lǐng)先、自主創(chuàng)新、具有中國(guó)特色的智能電網(wǎng),是我國(guó)電力行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。而建立高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ),沒(méi)有先進(jìn)的通信系統(tǒng),任何智能電網(wǎng)的特征都無(wú)法實(shí)現(xiàn),因?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)和控制都需要通信系統(tǒng)的堅(jiān)強(qiáng)支持,因此建立先進(jìn)的通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的關(guān)鍵一步1。1智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用等電力生產(chǎn)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié),按適用范圍可分為電力生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控的通信網(wǎng)絡(luò)(電力調(diào)度網(wǎng)和面向智能

7、電網(wǎng)用戶服務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)(配電網(wǎng)兩個(gè)部分。智能電網(wǎng)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖1所示。利用先進(jìn)的通信技術(shù),能夠解決的主要問(wèn)題有:各級(jí)電力調(diào)度、電力設(shè)備在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻管理、戶外設(shè)施防盜等,主要的電力通信方式有:電力線載波、無(wú)線擴(kuò)頻、微波通信、光纖通信、GPRS移動(dòng)通信、新一代3G/4G移動(dòng)通信等 。圖1智能電網(wǎng)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)智能電網(wǎng)用戶服務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2所示。針對(duì)智能電網(wǎng)用戶服務(wù),主要應(yīng)用于用戶電能信息采集、智能家居、無(wú)線傳感安防、社區(qū)服務(wù)管理等。其通過(guò)利用先進(jìn)的通信技術(shù),對(duì)家庭用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控與管理,對(duì)電能質(zhì)量、家庭用電信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析,指導(dǎo)用戶進(jìn)

8、行合理用電,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間智能用電。此外,通過(guò)智能交互終端,可為用戶提供家庭安防、社區(qū)服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)等增值服務(wù)。用戶服務(wù)通信主要通過(guò)低壓電力線載波通信、光纖復(fù)合低壓電纜OPLC、無(wú)線寬帶通信等通信方式相結(jié)合的通信平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn) 。圖2智能電網(wǎng)用戶服務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)12智能電網(wǎng)通信的技術(shù)要求遍布整個(gè)智能電網(wǎng)多種方式的通信設(shè)備將各類信息在測(cè)量裝置、控制設(shè)備和執(zhí)行元件之間進(jìn)行相互傳遞,以保證電網(wǎng)安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)運(yùn)行?？傮w來(lái)說(shuō),智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)必須滿足以下的技術(shù)要求2:(1數(shù)據(jù)量要求智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)不僅要考慮目前數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?還要考慮系統(tǒng)升級(jí)的要求。(2實(shí)時(shí)性要求智能電網(wǎng)對(duì)信息通信通道的

9、實(shí)時(shí)性要求是:變電站內(nèi)部小于1ms,其它小于500ms;同步時(shí)間偏差小于1ms。據(jù)IBM對(duì)帶寬需求的預(yù)測(cè),每個(gè)先進(jìn)的變電站需02 10Mbit/s帶寬,連續(xù)抄表每百萬(wàn)先進(jìn)的電表需185 20Mbit/s帶寬,每萬(wàn)個(gè)智能傳感器需05 475Gbit/s帶寬。(3環(huán)境適應(yīng)性要求智能電網(wǎng)的通信設(shè)備很多暴露在室外,環(huán)境惡劣,因此必須能夠抵御高溫、低溫、日曬、雨淋、風(fēng)雪、冰雹和雷電等自然環(huán)境的侵襲。同時(shí),盡量避免各種電磁干擾,保證長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作。(4網(wǎng)絡(luò)安全性要求通信網(wǎng)絡(luò)安全是指:在利用網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)進(jìn)行信息傳遞的過(guò)程中,通信網(wǎng)絡(luò)自身的可靠性、生存性,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可用性、可控性,信息傳遞過(guò)程中信息的完

10、整性、機(jī)密性和不可否認(rèn)性。智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)安全涉及“攻擊、防范、檢測(cè)、控制、管理、評(píng)估”等多方面的基礎(chǔ)理論和實(shí)施技術(shù)。2智能電網(wǎng)先進(jìn)通信技術(shù)目前存在的各種通信技術(shù)大部分都能用于支撐智能電網(wǎng)。具體可以分為有線和無(wú)線通信技術(shù)。有線通信可以是光纖通信、電力線通信PLC (包括工頻通信、窄帶和寬帶電力載波通信、電纜通信等。無(wú)線通信可以是無(wú)線擴(kuò)頻通信、無(wú)線個(gè)人局域WPAN(IEEE802.15、無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(IEEE802.11、無(wú)線城域網(wǎng)WMAN (IEEE80216、無(wú)線廣域網(wǎng)WWAN(IEEE80220、GPRS/CDMA通信、3G/4G通信、衛(wèi)星通信、微波通信、短波/超短波通信、空間光通信

11、等等3。按照智能電網(wǎng)對(duì)通信系統(tǒng)的要求,傳統(tǒng)的電力通信方式已不能完全滿足智能電網(wǎng)的需求。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的通信技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng),本文主要介紹光纖通信、新一代3G/4G移動(dòng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(IEEE80211等先進(jìn)通信技術(shù)在智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。21光纖通信光纖通信是以光波作為信息載體,以光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì)的先進(jìn)通信手段。目前,光纖通信技術(shù)已經(jīng)成熟,隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)成本的不斷下降,光纜的性價(jià)比將繼續(xù)提高。因此,在智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)中作為主通信干道,光纖通信將被廣泛采用。光纖通信包括普通光纜、光纖復(fù)合架空地線(OPGW、全介質(zhì)自承式光纜(ADSS、光纖復(fù)合相線

12、(OPPC、光纖復(fù)合低壓電纜(OPLC等特種電力光纜。光纖復(fù)合架空地線(OPGW是在傳統(tǒng)的輸電地線、導(dǎo)線中融合光信息單元,是導(dǎo)線與特種光纜的高度融合和集成產(chǎn)品。光纖復(fù)合相線(OPPC技術(shù)是OPGW、ADSS的延伸,實(shí)現(xiàn)電力通信從骨干輸電網(wǎng)絡(luò)延伸到配電網(wǎng)絡(luò),主要適用于110kV、35kV、10kV等城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)通信改造及配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。我國(guó)利用OPGW、OPPC、ADSS等特種光纜已建成世界上最大的、先進(jìn)可靠的電力專用光纖通信網(wǎng)絡(luò)?？傮w上呈“骨干網(wǎng)強(qiáng)、接入網(wǎng)弱”、“高電壓端強(qiáng),低端弱”的態(tài)勢(shì),配電/用戶接入側(cè)通信差距較大、通信網(wǎng)基礎(chǔ)最薄弱。通過(guò)OPGW、ADSS、OPPC等光纜解決骨干網(wǎng)、配電網(wǎng)電

13、力通信技術(shù),還需要解決用電側(cè)“最后一公里”的接入問(wèn)題。光纖復(fù)合低壓電纜OPLC集電纜和光纜于一體,“一線四用”解決終端供電、信號(hào)傳輸、寬帶接入等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)、電信網(wǎng)、電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的“多網(wǎng)融合”,可實(shí)現(xiàn)面向智能電網(wǎng)的基于OPLC 的電力光纖到戶PFTTH接入部署方案,推行智能電網(wǎng)光電無(wú)縫鏈接,實(shí)現(xiàn)快速高效的安裝、開通、管理和維護(hù)。22新一代3G/4G移動(dòng)通信通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)GPRS是一種基于GSM 系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù),是從第二代GSM移動(dòng)通信(2G向第三代WCDMA(3G的過(guò)渡技術(shù),即25G。這種技術(shù)具有覆蓋范圍廣、永遠(yuǎn)在線、接入速度快、支持中高速數(shù)據(jù)傳輸、投入費(fèi)用低、可按流量收費(fèi)等優(yōu)

14、點(diǎn),非常適合應(yīng)用到電力通信。但GPRS作為一種從2G到3G的過(guò)渡技術(shù),實(shí)際應(yīng)用中傳輸速率低,通信保密性、安全性不夠高,不能滿足未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展對(duì)通信系統(tǒng)的要求。第三代通信技術(shù)3G不僅具有GPRS本身固有的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也解決了傳輸速度、保密性、安全性等難題。3G是3rd Generation的縮寫,指第三代移動(dòng)通信技術(shù)。目前的3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有WCDMA,CD-MA2000,TDSCDMA三種。3G移動(dòng)通信最主要的特征是以寬帶提供多媒體業(yè)務(wù),傳輸容量大,靈活性更高,能處理圖像、音頻、視頻流等多種媒體形式,支持多種單向和交互式多媒體、多呼等新業(yè)務(wù)。傳輸速率在支持靜止?fàn)顟B(tài)下為2Mbit/s,步行慢速移動(dòng)環(huán)

15、境中為384kbit/s,高速移動(dòng)下為144kbit/s。對(duì)于行業(yè)和企業(yè)用戶,不但可以提供包括移動(dòng)辦公、電話視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控等多種應(yīng)用,還可根據(jù)不同行業(yè)和企業(yè)特點(diǎn),定制個(gè)性化移動(dòng)通信解決方案4。3G通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中能實(shí)現(xiàn)的功能如下:(1應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮通信在電力應(yīng)急搶修車中加裝3G移動(dòng)通信終端,通過(guò)音頻和視頻傳輸遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)信息,將搶修現(xiàn)場(chǎng)情況與電網(wǎng)運(yùn)行情況、設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)資料、客服中心的報(bào)修系統(tǒng)、事故搶修決策預(yù)案等系統(tǒng)互聯(lián),以保證各部分信息迅速流通、互動(dòng)。使遠(yuǎn)端指揮人員實(shí)時(shí)了解電網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)狀況,作出正確判斷和指揮,提高現(xiàn)場(chǎng)的指揮調(diào)度能力,縮短搶險(xiǎn)時(shí)間,提高應(yīng)急能力,減少災(zāi)害造成的影響。(2負(fù)荷管理

16、通信負(fù)荷管理是電力需求側(cè)管理(DSM的重要組成部分,是緩解電力供需矛盾,提高電力使用效率,保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要措施。通過(guò)采用3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信方式,以視頻對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè),同時(shí)信息高度共享,多部門聯(lián)動(dòng),增強(qiáng)協(xié)調(diào)能力,加速信息流轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作,準(zhǔn)確及時(shí)進(jìn)行負(fù)荷管理和人員調(diào)度,降低人力成本,提高響應(yīng)速度。(3無(wú)線視頻接入通信將3G移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)與電力系統(tǒng)已有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合。一方面,在有線寬帶不能通達(dá)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝移動(dòng)視頻監(jiān)測(cè)裝置,實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控;另一方面,使監(jiān)控維護(hù)人員可使用移動(dòng)PC機(jī)或手機(jī),實(shí)時(shí)了解運(yùn)行狀況。(4配電網(wǎng)通信3G通信應(yīng)用于配電網(wǎng)具有許多優(yōu)勢(shì),其覆蓋面廣,適合

17、分布廣泛的配電網(wǎng)終端監(jiān)測(cè)點(diǎn)的接入需求。3G支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向傳輸,數(shù)據(jù)傳輸速率高,完全能夠滿足智能電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)信息傳輸?shù)囊?。雖然3G移動(dòng)通信系統(tǒng)比以往的移動(dòng)通信有巨大的進(jìn)步,但是離目前用戶對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的期望仍有差距。所以,世界各地都展開了4G的研究和討論。4G通信技術(shù)與3G及現(xiàn)有通信技術(shù)相比,具有通信速度更快、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、智能性更高、終端兼容性更好等優(yōu)點(diǎn)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)4G通信將會(huì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),包括電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)的通信。23無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(IEEE80211在智能電網(wǎng)建設(shè)總體規(guī)劃中,移動(dòng)辦公、智能變電站無(wú)線巡檢、電子圍欄、抗災(zāi)指揮和應(yīng)急搶修等業(yè)務(wù)均需要采用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。采用I

18、EEE80211系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)組建的無(wú)線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,主要利用開放的24GHz和58GHz頻段的射頻(RF技術(shù),取代有線方式構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò),提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能,使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入,而且具有易安裝、易擴(kuò)展、易管理、易維護(hù)、高移動(dòng)性、保密性強(qiáng)、抗干擾等特點(diǎn)。無(wú)線局域網(wǎng)主要由無(wú)線終端、無(wú)線接入點(diǎn)(AP、以太網(wǎng)交換機(jī)、無(wú)線控制器、統(tǒng)一通信平臺(tái)以及網(wǎng)關(guān)等部分組成。無(wú)線局域網(wǎng)總體架構(gòu)如圖3所示。 圖3無(wú)線局域網(wǎng)總體架構(gòu)3智能電網(wǎng)通信設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題分析為滿足智能電網(wǎng)發(fā)展各階段對(duì)電力信息通信網(wǎng)絡(luò)的需求,需全面建設(shè)高速、寬帶、自愈的堅(jiān)強(qiáng)電力信息通信網(wǎng)絡(luò),支持多業(yè)務(wù)的靈活接入,即支持任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何設(shè)備、任何業(yè)務(wù)、無(wú)所不在的信息通信接入方式,為電力智能化系統(tǒng)或設(shè)備提供“即插即用”的電力信息通信保障5。建立先進(jìn)的智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:(1統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)不僅僅是通信通道,而且是智能電網(wǎng)的一部分,需要與智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)配合進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃,電力通信系統(tǒng)需要開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通用的通信標(biāo)準(zhǔn)。(2充分考慮未來(lái)資源及數(shù)據(jù)量的增加隨著接入站點(diǎn)的增加,以及快速增加的采集數(shù)據(jù)量的不斷匯聚,對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性都會(huì)提出更高的要求。因此,通信平臺(tái)在