基于智能电网的综合通信系统简述

郭琳

（成都理工大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610059）

当前，我国电力系统通信技术和通信网络实现了跨越式发展。电力通信的主要传输方式从20世纪70年代的电力线载波，80年代的模拟微波，90年代的数字载波，到今天的以光纤和数字微波为主，卫星、电力线载波、电缆、无线等多种通信方式并存，初步建成了以光纤数据网络为基础的电力专用通信网IP业务综合平台，为电力信息化的深层发展奠定了基础。同时，国家电网公司所属区域和省级电网公司均建立了企业本部局域网和企业广域网，随着特高压的蓬勃发展、智能电网建设的快速推进和SG186信息化的兴起，电力系统通信技术已在向数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化发展。电力通信系统大发展时代已经开始。

综合通信系统是支撑坚强智能电网建设的重要手段，它贯穿于发电、线路、变电、配电、用户、调度6个环节，以高转速、大容量、智能化使传统电网迈向清洁、高效、互动的现代电网。

1 综合通信系统体系

作为智能电网的支撑技术，综合通信系统不同于一般的通信系统，主要表现在以下5个方面。

1.1 综合性是灵魂

1）技术综合 在统一、开放、公认的标准协议下，通信技术融合传感与计量技术、计算机网络技术、控制技术、数字信号处理技术、界面决策支持技术，实时、高效、动态传输电力信息。在多技术的支撑下，电力信息呈现多样性，可以是数字、文字、图片、声音、视频等等。这种数字化电力适应当今电力市场的多变需求，是智能电网生存和发展的必要条件。

2）业务综合 容许各种电力通信业务网（电话交换网、电力数据网、继电保护网、电视电话会议网、企业内联网、安防系统）相互连接，实现从发电到用电每个环节的无缝联系。容许不同类型的发电和储能系统接入，简化联网过程，实现“即插即用”。

1.2 可靠性是保证

1）避免攻击 当系统出现故障或发生其他问题时，故障处传感器与控制器进行通信，迅速切除故障元件或将用户切换到另外可靠的电源上。并及时提供来自故障部分的核心数据，减少电网在出现较大故障时的恢复时间。电网的快速恢复能力与自愈能力，都取决于综合通信系统的实时性、高效性。

2）提前预警 双向实时通信系统使电网具有故障前兆的能力。通过通信网络在线监测设备运行状况，在故障发生前将设备状况告知系统，系统及时提出预警信息，避免电力中断。

1.3 经济性是动力

1）降低成本 实时信息的获取和数据的高效传输使电网在面对不利趋势的时候具有监测、分析、自动反应的能力。同时，综合通信体系将会促进新的实时分析工具的发展，包括广域计量技术等，它将和新兴通信技术、控制技术等其他多种技术一起，辅助电力系统的运营、预测、阻止那些可能对电网可靠性产生消极影响的事件发生，避免因电能质量问题造成的追加成本。

综合通信系统可以准确无误地实现设备自动监测、智能分析等功能，大大减少人员监控成本和设备维护成本。

2）调节供需 综合通信系统容许用户将自己的发电设备与电力储能设施接入电网中，给用户一个自主选择能源的机会，从而给用户带来利益。通过价格信号，将激励用户参与电力市场的供需调节，促进电力市场的发展和繁荣。

1.4 新技术是支撑

目前电力系统通信以光纤、数字微波为主，卫星、电力线载波、电缆、移动通信等多种通信方式并存。

通信技术近几年更新较快，新技术有些已开始在电力通信中应用，如OPPC（光纤复合架空相线），EPON（以太无源光网络），ASON（自动交换光网络）等。还有一些虽然目前没有实际应用在电力通信中，但是随着智能电网的飞速发展，通信系统的高度综合化，这些新技术都将得到应用。

1.4.1 输电线宽带技术（BPL）

是输电线传输技术（PLC），在网络协议的基础上，通过网络存取，实现PLC通信业务的综合化、传输能力的宽带化和网络管理的智能化，并实现与远程网的无缝连接，以满足电力企业的需要。如，分布式能源（DER）、智能读表（AMR）、需求响应（DR）、家庭用户接入软件等。

1.4.2 无线技术

1）WiFi无线宽带 使用 IEEE 802.11b和 IEEE 802.11g标准。 数据传送速率达到 5～10 Mb/s（802.11b），54 Mb/s（802.11 g）。在办公室或居室内较为有效，信号覆盖距离大约在100 m。

2）WiMax全球微波互联接入技术 使用IEEE 802.16标准，可以进行长距离的通信，数据传送速率为75 Mb/s，可以成为输配电通信系统的核心技术，也可支持配电和变电自动化的WiFi应用软件。

使用IEEE 802.16e标准，可以实现在视野范围以外的通信，可以与移动的交通工具进行通信，实现点对点通信。

3）3G无线宽带 以低成本应用于变电自动化领域，实现对变电站工作情况的控制和监测，可以达到在线变电站控制和监测质量的要求。但是覆盖率并非100%，存在死区。目前期待其降低成本，尽快推行。

4）蓝牙技术 使用IEEE802.15标准，提供一个低成本短距离的无线连接解决方案。采用2.4 GHZ的ISM（工业、科研和医疗）频段，可以免受各国频率分配不同意的影响。采用FM调制方式，降低设备成本，采用快速跳频、前向纠错和短分组技术，可减少同频干扰和随机噪声，使无线通信质量有所提高。利用蓝牙技术，可以用在家庭信息网络中读取电表，获取电力消费信息，连接控制负荷，控制各种能源的使用和消耗。

5）码分多址（CDMA）无线技术 使用 IS-95标准，此标准正在被3G系统的IS-2000标准取代，在美国已经得到了广泛的使用。目前CDMA已经变成未来无线系统发展方向的选择之一，其网络不限制无线电传送的数量，这使其经济效益超过TDMA的主要原因。

6）VSTA卫星 使用IS-95标准，此标准正在被3G系统的IS-2000标准取代。

卫星地球主站通过卫星网关、编码器，条件接收发送设备，DVB／IP复接器，调制器，变频器发送设备，接收设备，变频器，解调器等设备与卫星链路相接；通过地面网关与地面宽带网络相连。提供ISP的双向传输。

由于VSAT设备智能化，地面接口灵活，有GPS全球定位功能，可同步传输，可变数据速率和传输带宽，能以不同的拓扑方式和多址方式接入卫星通信网。比如，它可以呈星状网结构进行数据音频视频广播接收、文件软件下载、互连网浏览、远程登录和文件传输，网络管理等业务；也可以呈网状网进行话音数据传输，举行各种会议。因此，能根据不同变电站的监测情况进行调整，对远距离监控和输变电控制提出了新的解决方案，覆盖范围广泛。但是成本较高，而且天气恶劣会影响其功能的正常发挥。

1.4.3 家庭光纤（FTTH）

是指将光网络单元（ONU）安装在住家用户或企业用户处，是光接入系列中除FTTD（光纤到桌面）外最靠近用户的光接入网应用类型。FTTH的显著技术特点是不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。近年来，已经成为电子通信工业的先锋，有希望将无限带宽引入用户家中。

1.4.4 混合光纤/同轴接入技术（HFC）

HFC是光纤和同轴电缆相结合的混合网络，既是一种灵活的接入系统同时也是一种优良的传输系统，它把铜缆和光缆搭配起来，同时提供两种物理媒质所具有的优秀特性。并且HFC可同时支持模拟和数字传输，在大多数情况下，HFC可以同现有的设备和设施合并。HFC同时还支持现有的、新兴的全部传输技术，其中包括ATM、帧中继、SONET和SMDS（交换式多兆位数据服务）。一旦HFC部署到位，它可以很方便地被运营商扩展以满足日益增长的服务需求以及支持新型服务。这种能够兼容各种设备和媒介、能够在各种业务网络中使用的功能正是综合通信系统所要求的，因此在目前和可预见的未来，HFC都是一种理想的、全方位的、信号分派类型的服务媒质。

1.5 公认标准是前提

为使通信技术在电网中真正高效，就必须将其放入高级综合系统中，应用世界公认的技术标准。公认的标准将会对传感器、高级电子设备、应用软件之间高速、准确的通信提供必要的支持。

但是目前虽然很多通信标准已经存在，但缺少同时被用户、电厂和系统运营商公认和接受的标准。因此下一步在智能电网的发展中，这些公认的标准需要尽快地制定。这些标准一旦被公众采纳，将会对资金拥有者产生强有力的激励，促进他们对智能电网综合通信系统进行投资。否则，将会限制电网的发展[2]。

1）已经成为全球采用的通信标准，比如：

IEC61850，用于变电站自动化；

IEC 60870-6/TASE.2，用于低速输电网络数据采集监控系统SCADA和能量管理系统EMS；

IEEE1588-2008，用于智能电网时钟管理和时钟同步；IEEE P1901，用于智能电网输电线带宽通信；

DNP3，用于继电保护，计量装置，开关，SCADA管理系统，用来使变电所以及馈线自动化等等。

2）还未被认证的通信标准，比如：

IEC 61968，用来进行电力企业信息代理，包括输电、配电、后勤办公室的计量；

IEC 61970，用于调度控制中心的工作站和桌面系统，进行信息整合等等。

3）正在开发的通信标准，比如：

FERC（OASIS），用在智能电网的各种交叉领域，用来批发竞争的规范文件。

OSI Networking Profiles，用于路由器，中间和边缘设备，用于电力通信网络，线路，地址等网络支持功能；

SAE J2847/1-3，用于即插即用型电动汽车，J2847/1：电动汽车和电网间通信；J2847/2：电动汽车和供电设备间通信；J2847/3：电动汽车和电网间逆潮流的通信

SAE J2293，用于即插即用型电动汽车，提供电动汽车和其他直流供电设备间的通信等等。

2 智能电网中综合通信环境

综合通信系统可以把高级的电子设备、智能电表、控制中心、电力操作员、保护系统、用户等连接成一个网络。通过高级信息技术，使整个电网在不断的自我检测和自我纠错中保持高质量、高可靠性的电力传输。当有局部故障或受到攻击时，网络瞬间抵抗攻击，改变网络潮流，在故障扩大前消除损害，实现自愈功能，如图1所示。

3 综合通信系统在智能电网中的应用

3.1 应用在先进用电运营（AUO）中

图1 智能电网中的综合通信环境Fig.1 Integrated communications environment in power grids

先进用电运营是智能电网建设的第一步，它的主要目标是给用户提供信息和控制选项。AUO将各种技术（如用于先进测量的智能电表、区域电网、集成双向通信系统、给用户、电网及其他设备提供信息的标准软件接口，以及能够处理大量数据的仪表数据管理系统MDMS）与现有的电网运营与资产管理技术相结合，充分体现了现代智能电网的主要特性（用户互动与激励机制的基本构架）。图2就是AUO的总体结构。

图2 AUO的总体结构Fig.2 Structure of AUO

AUO中通信系统支持电力公司、用户以及可控电力负荷之间的互相通信，采用开放式的双向通信标准，以确保通信快速安全。比如，AUO通信系统可以提供用户停电和电能质量等方面信息的实时反馈，使电力公司能够快速定位电网故障，排除故障，恢复电能质量。在变电站和输电线路等方面也增强了电网的自动化水平。

AUO中通信系统常采用电力线载波技术PLC、电力线宽带技术BPL、家庭光纤FTTH、无线广播来完成部分或整个通信任务。

3.2 应用在先进配电运营（ADO）中

先进配电运营是建设智能电网的第2步，它的总体目标是为未来的智能电网建立一套高效的技术体系，使其更好地实现配电环节的各种控制功能，以此来加强电网的“自愈”能力。ADO依赖于一个分布广泛的系统监控体系，监控系统会把各种传感器和计量表中传来的数据综合起来，通过开放的通信体系，利用不同的通信技术收集数据，同时通过信息模型使监控信息能被网络其他部门看到。这样使电力企业能够实时地优化系统的运营状态，防止电力中断。图3就是ADO的总体结构。

图3 ADO的总体结构Fig.3 Structure of ADO

ADO在配电设备和控制部件之间不能没有高级的通信系统，它们之间是点对点的进行精确通信。通过这种精确通信，ADO将配电设备、控制部件与用户端的各种技术紧密相连，以进行需求响应和实时定价。无论通信技术如何发展，ADO的通信系统必须允许“即插即用”设备的使用，同时各种信息模型、对象模型和相关协议必须执行统一的标准，这对整个智能电网的发展至关重要。

ADO中通信系统常采用电力线载波、光纤通信、无线通信。

3.3 应用在先进输电运营（ATO）中

先进用电运营是智能电网建设的第3步，主要目的在于提高输电的可靠性、效率和经济性，加强输电系统阻塞的管理，降低大规模停运的风险。ATO将变电站自动化、先进的保护和控制技术、建模仿真和可视化技术、综合能源与通信系统、先进的电网控制设备运用在电力市场运行、电网规划和区域配电网中，实现电力系统的实时可视化、自愈化。通过通信系统整合，增强了与终端用户的连接，为用户提供更多的服务。如账单信息、实时电价、设备监测等。图4就是ATO的总体结构。

图4 ATO的总体结构Fig.4 Structure of ATO

ATO使用相互控制中心通信协议（ICCP或IEC 60870-6/TASE.2），支持从控制中心到远程终端单元、变电站、发电单元的通信。它允许实时数据、计划以及控制命令在两个或多个电网控制中心之间实现交换。

要想真正成为ATO，首先必须发展一个新的标准通信结构。综合能源通信系统（IECSA）是基于对未来电力系统5～10年内的需求来考虑的。IECSA希望通过集成两个不同的系统，即物理能源输送系统和控制它的智能设备通信网络，使自动监测和输电系统的实时控制成为现实，并通过增强用户终端的数字装置性能，实现用户互联。在此基础上使电力系统通过一个智能的通信基础设施提供可靠﹑安全的电力，满足经济发展的需要。

4 结 论

高效综合开放的通信系统是智能电网的重要组成部分。综合通信系统在电网中是一个动态交互的媒介，应用于电力供应的各个环节，实时反映电网运行状态和用户信息，综合通信体系的应用，将会提高供电可靠性，改善资产利用价值，优化能源市场，提高电网的抗攻击能力，缩短电网故障恢复时间，减少人员监控成本，提高电网自愈能力，将使整个电网经济运行价值得到大幅提升。

[1]张淑娥，孔英会，高强.电力系统通信技术[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2]周渝慧.智能电网——21世纪国际能源新战略[M].北京：清华大学出版社，2009.

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[5]余贻鑫.面向21世纪的智能配电网[J].南方电网技术研究，2006，2（6）：14-16.YU Yi-xin.The intelligent distribution network toward the 21st century[J].China Southern Power Grid Technology Research，2006，2（6）：14-16.

[6]帅军庆.创新发展，建设职能电网：华东高级调度中心项目群建设的实践[J].中国电力企业管理，2009（4）：19-21.SHUAI Jun-qing.Innovation and development，construction on power grids：the practice of east china dispatch control centerprojectsconstruction [J].China PowerEnterprise Management，2009（4）：19-21.