智能电网通信网络架构的研究

尹婕

【摘要】 智能电网具有高速、双向、实时、集成的通信系统，能够实时监视和控制电网运行，预防事故发生和及时清除故障。本文简要介绍几种主要的通信技术在智能电网中的应用并比较它们的优劣，最后基于先进通信技术构建智能电网通信网络架构并提出技术要求。

【关键词】 智能电网 通信技术 ZigBee WiMAX 电力线载波通信

一、引言

智能电网是世界电网发展的新趋势，国内外均给予其极大关注。智能电网的关键技术涉及诸多领域，其中通信技术是核心技术之一，是实现“智能”的基础，贯穿六大应用环节（发电、输电、变电、配电、用电、调度）。

在智能电网建设中，通信技术将成为支撑智能电网发展的主要技术手段，带给电网信息化、自动化、互动化的特征，是实现智能、高效、可靠、绿色智能电网的基础平台之一[1]。

二、几种智能电网通信技术的比较

目前存在的各种通信技术大部分能用于支撑智能电网。按传统的分类方法，可简单地分为有线方式和无线方式。其中：有线方式包括光纤通信、电力线载波通信PLC等；无线通信包括GPRS/CDMA通信、3G/4G通信、卫星通信、微波通信、宽带无线WiMAX、短距无线通信等。按照智能电网对通信系统的要求，这两种通信方式取决于智能电网中的信息数据流。智能电网中存在两种信息数据流，第一种信息流是从传感器和家用电器到智能电表，第二种是从智能电表到公共数据中心。第一种数据流可以通过电力线通信或无线通信传输。第二种信息流可以利用蜂窝通信技术和英特网技术。然而，有一些重要的限制因素，应考虑在智能计量部署过程中，如时间的部署、运行成本、技术的可行性和农村/城市或室内/室外环境等。往往适合一种环境的技术不一定适合其他的环境。下面，主要介绍无线个域网ZigBee（IEEE802.15.4）、WiMAX技术、电力线载波通信PLC等通信技术在智能电网通信系统中的应用及其优缺点的分析。几种智能电网通信技术的比较见表1[2]。

2.1 ZigBee技术

无线个域网ZigBee（IEEE802.15.4）技术是一种应用于短距离范围内、低传输速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee具有高通信效率、低功耗、低成本以及全数字化等诸多优点，是一个适用于能源监测、家庭自动化，自动抄表等领域的理想技术[3]。

虽然ZigBee通信技术已经在家庭自动化、建筑自动化等领域得到了一些成功的应用，但对于电网的广泛应用来说仍然存在很多问题，例如低处理能力、小内存，小的延迟需求和易受其他应用干扰（包括WLAN、蓝牙和汽车遥控器等占用2.4GHz频段的无线应用）。

2.2 WiMAX技术

WiMAX是一种基于IEEE802.16标准的新兴无线通信技术，能提供面向互联网的高速连接。相对于主流的3G技术来说，WiMAX技术体制显得与众不同，它在物理层上吸收了WiFi技术的成功因素，同时在核心网采用了全IP的扁平化结构。WiMAX的无线信号传输距离较远，理论上最远可达50km，其网络覆盖面积是3G基站的10倍。WiMAX接入速率高，最高接入速度是74.81Mbit/s，是3G所能提供的宽带速度的30倍。通过WiMAX技术，电力部门可以建立完全由自己掌握的专用数据通信网络，具有更好的可扩展性和安全性。

但是WiMAX的产业规模以及技术设备的成熟性还难以与现有的无线公网技术相比，相应的安全管理等经验也不足。WiMAX存在频率点申请问题，它使用3.5GHz频段，而该频段在一些地区已经由通信运营商使用，需向有关部委申请。WiMAX技术一次性投资和后期维护管理费用较大。

2.3 PLC技术

电力线载波通信（PLC）是电力系统通信专网特有的一种通信方式，它利用现有电线传输高速数据信号（2-3 Mb/s）。由于直接与仪表相连，电力线通信被认为是电表间通信的首选。基于低压配网的电力线载波系统已经作为我国智能电网应用的研究课题之一。

PLC技术集功率通道和通信通道、能量流和信息流于一体，可以利用现有的电力线路将信息传输到电网所关心的任何测控点，不需要另外铺设专用通信线路。并且设备的检修完全在电力系统内部，安全可以得到保证。电力线物理上与公用网络是隔离的，符合电力生产要求物理隔离专网的安全要求。

但是电力线上的噪声干扰是不可避免的。低带宽特性（20kb/s相邻区域）限制了电力线载波技术在需要更高带宽上的应用。由于电力线载波通信的敏感性，使电力线载波技术不适合于数据传输。但是，可以使用一些混合解决方案，电力线载波技术与其他技术相结合，如GPRS和GSM，提供电力线载波技术无法实现的完整连接。

三、智能电网通信网络架构设计

电力的通信网络应用于电力系统发、输、变、配、用等电力生产运行的各个环节，是电网二次系统的重要组成部分，承担了电网中保护、调度、营销数据等信息的远程传输，保障了电网的安全正常运行[4]。在智能电网架构下，通信网络及其支撑能力被赋予重要意义。按适用范围可分为电力生产过程监控的通信网络（ 通信主干网） 和面向智能电网用户服务的通信网络（终端接入网）两个部分。

传统的电力通信主干网承载了输电线保护安稳业务、输电网调度业务及数据业务和作为配电通信网的远程传输通道。智能电网通信主干网在此基础上增加了电力设备在线实时监测、现场作业视频管理、户外设施防盗等全自动化控制过程，强调高可靠、高带宽及传输路由的相对可控，管理层面简单，无人为干预，主要变电站形成多路由多方向互联，保证N-M下的通信要求，用网络的健壮性来满足系统的高可靠性，这部分以下一代光网络通信为基础。主要的电力通信方式有：电力线载波、无线扩频、微波通信、光纤通信、GPRS 移动通信、新一代3G/4G 移动通信等。智能电网通信主干网体系架构如图1所示。

传统的终端接入通信网主要承载配电网自动化业务和用电信息采集业务， 是电力通信网最靠近用户的部分。智能电网终端接入网直接面向用户，是保证供电质量、提高电网运行效率、创新用户服务的关键环节。创新用户服务利用先进的通信技术对电能质量、用电信息等数据进行采集和分析，对用电设备进行统一监管，指导用户进行合理用电，实现电网与用户之间智能用电。通过智能交互终端，可为用户提供家庭安防、社区服务、互联网等增值服务。主要的通信方式有无线宽带通信、光纤通信、PLC等。

下面简单介绍基于PLC+WiMAX智能电网终端接入方案。这个方案采用PLC和WiMAX混合组网。配电终端采用PLC作为通信方式，主要提供远程抄表服务；在小区配电变压器处设置WiMAX终端作为控制终端，它接入PLC传送的配电终端信息，同时提供配电变压器监控、负荷控制等功能；根据覆盖范围在城市内设置一定数量的WiMAX基站接入WiMAX终端，构成配电控制分中心；WiMAX基站通过光纤接入核心网，通往配电网控制中心。基于PLC+WiMAX智能电网终端接入网体系架构如图2所示。

这个方案的主要优点是建网速度快、成本低、可靠性好。数量最多的配电终端采用成本低廉的PLC方式，虽然传输速率较低，但足够完成远程抄表的任务；控制终端层采用WiMAX终端接入，其通信通道独立于电力线，具有高可靠、易维护的优点，而且较高的传输速率足以支持配电变压器监控；由于WiMAX终端架设于小区配电变压器处，通信环境优良且可以安装大功率天线，通过数量不多的基站就能够提供全覆盖，从而降低成本。这个方案的主要缺点是宽带受到PLC的限制，不能提供互联网接入、视频语音传输等增值服务。

四、结论

构建信息化、自动化、互动化的坚强智能电网，信息通信技术是支撑智能电网发展的重要技术手段之一。建设坚强的智能电网，需要将现代先进的通信技术、信息技术、计算机技术、传感量测技术、自动控制技术和电网技术紧密结合起来，利用先进的智能设备，构建新一代大容量、高速宽带、实时智能、具有业务感知的信息通信系统作为支撑。本文针对这个需求，充分利用各种先进的通信技术，宏观的设计了智能电网通信网络架构，在将来的实践中，还需要围绕具体的应用来选择实现方案并在具体实践中细化。

参 考 文 献

[1] 余南华，陈云瑞. 通信技术[M]. 北京：中国电力出版社，2012.24-57

[2] Vehbi C. Güng■r，Dilan Sahin，Taskin Kocak， Salih Ergüt， Concettina Buccella，Carlo Cecat，and Gerhard P. Hancke. Smart Grid Technologies： Communication Technologies and Standards[J]. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS，2011， 7（4）：531-533.

[3] Y. Peizhong， A. Iwayemi， and C. Zhou. Developing ZigBee deployment guideline under WiFi interference for smart grid applications [J]. IEEE Trans. Smart Grid，2011， 2（1）：110-120.

[4] 权楠，雷煜卿，等. 智能电网下的电力终端通信接入架构研究[J]. 电力系统通信，2012，33（231）：74