电力通信在智能电网中的应用

王知平

电力通信在智能电网中的应用

电力系统通信网是我国专用通信网中较大、发展较为完善的专网。随着电网的延伸和进步发展，电力系统的主要通信敷设从20世纪70年代的电力载波。80年代的模拟微波、90年代的数字微波、发展到目前的光纤通信。但是随着通信网络光纤化趋势进程的加速发展，我国电力专业通信网在很多地区已经基本完成了从主干线到接入网向光纤过度的过程。目前，电力系统通信承载的业务主要由语音。数据。宽带。IP等常规业务

随着中国经济的快速发展，电力需求不断提升，西电东送，新的超高压线路和变电站不断涌现，风电和光电等清洁能源的并网，110千V以上的传输线路达31万公里以上另外城市中拥有四通八达的电缆管（沟）道，这对网络的扩展性提出了很高要求，要求通信设备具备大容量和灵活配置能力。智能电网能够实现双向互动。在用电侧，用电设备的智能联网是智能电网的核心内容之一。各网、省电力公司光缆建设以所管辖的电网为覆盖对象。光通信设备大部分为SDH制式，SDH是非常成熟的技术，国际标准化程度高。运行稳定可靠。目前全国电力通信现有SDH通信线路中，传输容量最高为10Gb/s，许多省级干线已形成了SDH光环网。对电力系统通信而言，电力特种光缆在电力系统广泛应用。电力系统有大量的不同电压等级的电力杆线资源，（OPGW/ADSS）等电力特种光缆的出现，促进了在电力线上架设大量的电力通信光缆。OPGW光缆将通信光缆和高压输电线路上的架空地线结合成为一个整体，成为多功能的架空地线，即使避雷线，又是架空光缆，同时还是屏蔽线，在完成高压输电线路的同时，也完成了光缆架设的建设，非常适用于新建的输电线路；ADSS质轻价优，与输电线路独立，且可以带电架设，不影响线路的正常运行，非常实用与已建成的电力线路及新线路的架设。截至2011年末，电力网中的光缆线路（皮长）已敷设近十八万KM，光纤长度 近420万芯KM已形成覆盖全国的“四纵四横”电力骨干光缆网络

进入新的世纪，全球经济、社会安全、环境和能源供应都面临着极大挑战，气候变化剧烈。灾害频发，传统能源日趋紧张，金融危机对各国经济打击巨大，因此，为了面对环境污染，拉动内需，提振经济。发展可再生能源，需要构建智能电网以助推电力行业创新，实现技术转型，从而保障国家能源安全，促进我国社会的可持续发展。2009~5月，我国国家电网公司提出加快坚强智能电网建设。国务院规划至2020年前构建”坚强的智能化电网”智能化电网建设能实现电力系统的高可靠运行控制、互动服务、电力网负荷的削峰填谷、各类新能源如：风电、核电、太阳能电接入、输出调频调相控制等

因此，我们需要一种拥有更高层次测量、通信、控制和保护功能的“智能电网”。 智能电网是以包括发、输、变、配、用、调度和信息等各环节的电力系统为对象，不断研发新型的电网控制技术、信息技术和管理技术，并将其有机集合，实现从发电到用电所有环节信息的智能交流，系统地优化电力生产、输送和使用。电力企业通过促成技术与具体业务的有效结合。使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用，最终达到提高运营绩效的目的。　“智能电网”它还可以运用双向信息流让通信变得更加频繁。在智能电网的支持下，许多功能将得以实现，包括：平衡集中式发电厂的发电量;优化电力配送;改善电力质量监控和停电响应;支持对最终用户的负荷量进行控制;实现按天计费制;兼容多种能源，包括再生能源; 支持远程连接/断开;向消费者实时反馈其需求曲线。

尽人皆知，中国的智能电网则体现特高压、超长距、清洁能源并网、配电自动化、用户双向互动等。毫无疑问，要建设经济、高效、可靠的智能电网，离不开现代先进的通信技术，比如西北的风电，青海西藏的太阳能以及其他的西电东送，均离不开全国性的调度通信网的实时监控与调度，以减少并网波动。

目前，我国电力系统经过几十年努力，已建成卫星通信、微波通信、光纤通信等综合应用的、相对发达的通信网。电力通信网业务从原来的64kbit／s逐渐过渡到了高速率的2Mbit／s、10Mbit／s、100Mbiffs及以上高速率通道上。从作用来看，我国电力通信网主要有传输网、交换网、数据网和管理网四大类网络象。从电力通信网中的业务分为：1.关键运行业务（远动信号、数据采集、监测控制、继电保护、自动装置信号等。） 2.事务管理业务（ 行政电话、电视、电话会议、管理信息数据等。光纤通信容量极大，可满足各类业务需求.）

　 随着我国智能电网建设的不断发展，系统节点将大量增加，系统调度的任务将更加繁重，对电网大规模、全过程的监视。控制、分析、计算将向动态、在线的方向发展一旦这种通信方式部署到位，电力公司和消费者就可以合作降低耗电量，提高电网的效率和可靠性，支持再生能源的更广泛使用。

智能电网计划已经启动，并且设定了一系列宏大目标。许多情况下，为了实现这些目标，在我们尚未充分了解相关问题及其解决方案之前，需要构建一个基础设施来解决现有的问题并迎接将来的挑战。“美国能源独立和安全法案(2007)”针对智能电网列出了10多个关键政策目标，其中既有笼统性的目标，例如“利用数字技术提高电网的可靠性、安全性和效率”，也有更为具体的目标，例如“采用自动化计量、电网运作和状态管理以及分布式电网管理”。根据这些目标，期望中的电网应能整合分布式可再生资源，落实需求响应资源，支持电力储存，支持插电式电动汽车，集成“智能”电器和其它设备以向消费者提供及时用电信息并允许其加以控制。

除了这些挑战以外，并存的风险要求我们制定网络安全和互通标准。这些标准将使得电力公司初期部署的网络基础设施有能力兼容将来由许多公司开发的数以百万计的互连设备。但这数以百万计能够轻松互连的节点，其中一些还能关闭或接通家庭和变电站的电源，或者向电网增加难以控的负荷，无疑会令人们担忧心怀不轨者可能通过恶意攻击而使严重依赖电力的国家瘫痪。除了这种广泛的风险之外，还存在对个人隐私的担忧。有人认为，对能源使用情况的持续跟踪是在人们的家庭和生活中打开的又一扇不受欢迎的数字窗户。

所有这些目标和风险加在一起，代表了一个复杂的闭环系统问题。如果只比较智能电网与互联网或蜂窝网络各自所需的数据速率，现有通信技术似乎绰绰有余，但真正的挑战在于寿命、可靠性成本和未来需求之间的平衡。智能电网对于电力公司和政府来说将是一笔巨大的投资(Pike’s Research估计到2015年全球累计支出将达到2000亿美元)，而且电力公司对设备的投资还会持续20年甚至更长的时间。这些通信系统要求能够适应未来的发展，设计留有足够的余量，应考虑到10年后可能出现的问题。电力公司和设备供应商需要不断比较和权衡当前的实施成本与未来相对模糊的需求。

智能电网通信：多个互连网络

智能电网一个很大的改变就是要直接面向用户。对于大量符合终端用户，由于具有众多节点并且业务量较少，早期一般采用无线公网通信系统实现信息传输。目前，主流技术大都采用公网租用线GPRS或CDMA，以保障对用户的掌握。

由于智能电网将不同发电形式之间的双向通信扩展到电力消费者，因此它会涉及到多个具有不同控制、测量、数据记录、保护和优化程度的系统。主要的系统可以分为以下组别：1) 输配电现场和广域网络;2) 连接到数据采集器或网络接入点的智能表计;3)连接到家用电器或充电站的智能表计。

世界各地不同程度地采用了两种主要的竞争技术：RF和电力线载波(PLC)。北美市场以RF解决方案为主。由于免执照高功率ISM频段中存在可用的频谱，并且每个变压器对应的表计相对较少，因此一般来说，RF解决方案在北美市场能以较低的成本进行部署。

智能计量RF通信技术使用现状

进一步分析目前用来连接表计与电力公司的RF系统，我们会发现另一层次的竞争技术：网格系统和星型系统。这两种系统试图通过不同方式应对智能计量的RF挑战。

将数百万只表计连接到电力公司是一个巨大的挑战。仅就美国而言，连接现有表计意味着需要创建超过1亿个预定位置的RF链路。其中许多位置处在对RF通信不利的环境中，例如地下室和混凝土墙后面。还有许多位置是在RF干扰源众多且不断变化的城市区域。

网格系统通过相邻表计为单只表计创建多条连接到一个中心采集器的较短路径，中心表计充当电力公司广域网的网关。目前有多家供应商提供网格系统，其数据速率通常为100 - 150kbps，采用FSK或扩频调制方案，一般工作在以915 MHz为中心的ISM频段，信道带宽为50 - 200 kHz。

星型系统主要使用特许执照频段中的窄带信号来连接相距较远但数量较少的中心采集器。中心采集器所需的数量较少，位于山顶或高楼楼顶等视线清晰的位置，但其发射功率较高。星型系统通常采用FSK调制，其数据速率低于带宽较宽的网格系统。除了所需中心采集器的数量较少外，星型系统的拥护者还提出它具有带内频谱无干扰和网络协议更简单的优势。

在美国，ISM频段和特许执照频段均已变得非常拥挤。对于网格系统和星型系统，这都意味着干扰是必须攻克的中心挑战。大规模计量网络的部署会显著提高频谱拥挤程度，因为系统的最大干扰源可能正是系统本身。

当前，无论是电力录波装置还是计费装置都需要具有统一的时标信息，因此，一旦缺乏统一的时标信息将导致全网动态行为监督的缺失。为此，GPS技术的发展为电力系统实现动态监督提供了必要的物质条件，信同步时钟系统为各级调度机构主站，子站合厂站提供统一时间标记基准，包括电力系统在内的地球表面任一点均可接受到卫星发出的精度在1ps以内的时间脉冲，然后光线通信系统将各变电站的测量收集汇总处理后，即可得到各变电站动态相量的变化，并据此实施相量控制。

这种拥挤会给无线电和网络要求带来严重影响。例如，良好的空闲信道评估(CCA)和跳频程序可以简化空闲信道的查找。提高数据速率可以缩短各节点的传输时长，但其代价是链路裕量减少。对于无线电，这种拥挤还意味着阻塞和邻道抑制常常比接收灵敏度更紧要。

如上所述，计量基础设施的主要挑战在于表计的位置是固定的。它不像家用无线路由器，可以通过调整方向、高度或位置来解决干扰问题。此外，为了适合现有表计外壳，表计通常需要进行改装，因此几乎或根本不存在为增强RF性能而改变封装的灵活性。表计一般固定在离地仅一米左右的厚钢筋混凝土墙上。简单的视线模型难以有效地描述信道。

需要注意的干扰源因频段和地区的不同而异。在美国，特许执照频段和ISM频段系统均存在重大干扰源。常见干扰源包括电视白带信号、蜂窝载波和工作在同一频段的其它设备，这些设备可能是、也可能不是同一系统的一部分。就数据包结构、调制方案选择和发射频谱符合 FCC原则的程度而言，工作在同一频段的设备可能不是按照“和平共处”方针进行设计的。

对于已经部署的80%到90%的表计来说，通信相对较为容易。其余的10%到20%表计因为地理位置、物理对象、严重的局部干扰或附近噪声源等因素，面临着严峻的RF挑战。由于无法移动存在问题的表计，系统层面的解决方案只有增加数据采集器或中继器，增加PLC或蜂窝等辅助替代通信设备，或者增强无线电性能。广泛存在的计量基础设施最终必须极其鲁棒，提供100%的覆盖率。联系实际来说，大规模部署的电表数量可能是500万只，如果覆盖率只有99%，那么将有5万只电表无法读取。

建设以特高电压网为骨干网架的坚强智能电网，为我国清洁能源的规模高效发展提供保障，充分发挥电网的资源优化平配置、服务国民经济中的作用，对我国经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的现实意义、智能电网建设成为国家经济和能源政策的重要组成部分。智能电网在技术、市场和社会方面带来了许多挑战。设计人员必须提出新的优化措施，满足工业级产品的需求，使其能在日益拥挤的频谱环境中数十年如一日地工作，由此我们将获得能够灵活适应电力需求和供应发展的电网基础设施。未来的电力通信网将在这两张网的基础上进一步扩展，建立起智能电网广泛互联的坚强通信网架构。

在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。
& Y0 c6 {* l8 ~/ d' F  在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，英文缩写：RF

论文提纲

题目:电力通信在智能电网中的应运

一、
通信在电力网中的位置及发展速度

二、
7 P' [! z7 C; @. ?: L( s4 e智能电网的含义及发展目的

三、
我国在智能电网中的体现

四、
5 U' L$ G, i) K, {* B6 ^3 S智能电网与通信的相结合

五、
' Q( K8 }8 h+ w& y. a* I智能电网与通信的相结合体现智能计量RF通信技术使用现状

六、
5 L* m1 g, b( E. ^结束语
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