智能电网用户端通信技术的应用与发展

朱文灏，郭其一

(1.同济大学 电子与信息工程学院， 上海 2018041；2.上海施耐德低压终端电器有限公司，上海 201109)



智能电网用户端通信技术的应用与发展

朱文灏1，2，郭其一1

(1.同济大学 电子与信息工程学院， 上海 2018041；2.上海施耐德低压终端电器有限公司，上海 201109)

摘要:随着智能电网的发展，用户端的通信技术发展迅速。文中阐述了当前用户端通信技术现状，对各类通信技术的特点进行比较分析，针对通信协议种类繁多、标准不统一、难于推广等问题提出了解决方案及通信技术集成的概念。最后，对用户端通信技术的发展方向进行展望。

关键词：智能电网用户端；通信技术；现场总线；通信集成

0　引　言

随着粗放的能源消耗方式导致的环境问题日益恶化，人类不得不寻找实现能源的可持续发展和环境保护的办法。传统的能源产业和新兴的IT产业相结合的智能电网，不仅可以保证电网的可靠、安全、经济、高效，还能接入各种可再生能源，使能源获取多元化的智能电网的用户端通信技术也在此背景下有了长足的发展，通信技术做为用户端智能化的核心技术日益受到关注。本文通过对各种通信技术的特点比对， 分析了当前用户端通信技术存在的问题，并提出了通信集成技术的未来发展方向。

1　智能电网用户端的定义

智能电网用户端是指使用智能电网电力能源的终端用户设备及配套输送和分配至终端的系统。智能电网用户端主要包括了交流电压1 000 V，直流电压1 500 V以下智能电器与系统、电能管理系统、智能楼宇系统、双向互动控制系统等。由于用户端覆盖面广，体量大，其技术应用的发展水平直接影响了智能电网的发展速度和范围。

2　智能电网用户端通信技术分析

2.1　智能电网通信技术现状

目前，网络通信技术在智能电网领域应用广泛，在发、输、变、配、用等环节都有相应的通信标准和应用。比如，变电站与控制中心之间采用IEC61970或IEC61968标准；变电站自动化系统内部使用IEC61850标准通信。当前电网通信技术及标准种类多且兼容性不足，通信技术不能满足不断发展的用户端新的要求，比如电动汽车、智能家居和智能电表等。

2.2　智能电网用户端通信技术

智能电网用户端涉及的领域较广，在不同的应用领域有不同的通信技术存在，这是由于各种通信技术在不同时间阶段不同行业发展有各自不同特点所形成。随着新技术的发展，多元化的通信技术在智能电网用户端系统中得到广泛的应用。

(1) Internet IP

使用IP基础网络的优势在于与互联网的有效衔接。用户端通信采用基于TCP/IP的网络，可以非常便捷地与现有网络互联互通。其好处还在于大量IP成熟标准、有效工具能直接应用到用户端的应用软件。此外，IP基础网络支持带宽共享和动态路由能力，在智能电网用户端中对最小存取延迟，最大丢包率或最小带宽现状等有特殊要求的应用，一些IP如多协议标签交换(MPLS)技术可满足此特殊要求。

(2)光纤以太网通信

它采用光纤介质运行以太网LAN数据包。物理层和数据链路层以任何标准的以太网速度运行，也可以实现交换机的速率限制功能，以非标准的以太网速度运行，最高可以达到10 Gbit/s。目前光纤以太网通信在电力监控系统中已有商业化产品投入运行。

(3)电力线宽带(BPL)

该技术采用电力线传输数据。通过电力调制解调器可以在一定区域内任意的电源插座上实现网络接入。电力线宽带在缺少其它通信网络的地区有着广阔的应用前景，其优点在于利用现有电力线上网而无新增通信线缆铺设投资。但目前的BPL能够提供的最大带宽为4 MB。因为电力网使用的大多是非屏蔽线，电磁兼容性的问题严重影响网络的传输速度。

(4)3G移动通信

利用现有3G移动通信可以避免建立专门的无线网络所需的大量投资，使用方便、灵活。但若大量使用成本投入会较高，且日常的运行、管理、维护费用较高。故此通信技术适用于重要、且节点数少的远距离智能电网用户端通信场合。

(5)无线通信(ZigBee、WiMedia、Wi-Fi)

Wi-Fi技术具有较高的成本效益，能够进行升级扩展以覆盖大型地域和多个端点，且无需铺设电缆。ZigBee通信使用跳频扩频无线技术，该技术具有可靠性高、传输速率低、传输距离远的优点，由此解决了传输堵塞和干扰。WiMedia通信的物理层采用超宽带标准，其解决方案的射频覆盖水平与ZigBee相似，其数据传输速率高，并具有网状网络功能。

(6)现场总线通信

20世纪80年代中期产生的现场总线技术，相比传统控制系统，其特征为：数字化、全双工传输、分支结构多。现场总线技术实现了工业控制系统的分散化、网络化和智能化，导致其体系结构和功能产生重大发展。

(7) 通用工业协议(CIP)

CIP是面向对象的工业网络控制协议。根据OSI/ISO七层协议模型，DeviceNet协议定义了七层模型中的物理层、数据链路层和应用层。而CIP协议是七层模型中的最上层——应用层。CIP协议是DeviceNet的应用层，同时是ControlNet、EtherNet/IP、CompoNet的应用层。DeviceNet和ControlNet、EtherNet/IP、CompoNet共用同一个应用层协议CIP，但它们有各自的数据链路层和物理层。

(8)工业以太网技术

当前，工业以太网技术的性能不断提高，成本不断下降，其在工业自动化领域的发展非常迅速。相比其它现场总线技术，以太网技术优势有：1) 数据传输速率高，达到100 Mbit/s；2)不同的传输协议能在相同总线上共存；3)在以太网中, 数据存取技术采用变互式和开放式；4)不同的拓朴结构和不同的物理介质得以存在和运用。

3　走向集成的智能电网用户端通信技术

3.1　集成的通信技术

在智能电网设备端，目前仍然是多种现场总线并存。从用户角度，希望通过通信技术集成以实现各种智能元器件与控制器之间的互联互通，但并非必须用一个通信网络来实现所有的功能。例如：Internet网络并非同结构的单一网络，但用户确能实现电子邮件、文件下载、网络浏览、网上游戏等不同类型的服务。从通讯协议的构筑模型角度，大多数用户端通讯协议均根据OSI的七层模型。当前，自底层向上定义构筑统一整体的通信协议大量存在，这使得在相同层次上的互联性在各标准协议之间较难集成。其实，定义OSI分层模型是为了让不同构架、不同发展阶段的通讯协议能相互独立，使其能在独立发展的同时具备良好的互相配合、结合，增加其相互间成为一个端对端完整协议的可能。比如，以TCP/IP协议栈为核心的Internet网络协议中，不同的应用层协议可以在上层网络存在，而大量的不同局域网、广域网可以在下层网络平台上实现。

随着通信技术的发展，通信集成将应运而生。通信集成是指一个集成的通信软硬件平台融合多种通信协议及通信接口，实现不同通信技术的互通互联。

3.2　通信技术标准的发展及融合

当前不同的通信标准均在新技术的发展推动下不断完善，扩展自身的应用领域，以适应更多的设备应用。随着时间的推进，各种通信标准互相渗透、延伸，标准之间的差异化在不断缩小，逐步走向融合的特征将越来越明显。如叠加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet这三种完全不同的通信协议平台之上的CIP协议规范，其公共的“网络传输层、应用层、用户层”协议规范与网络硬件技术无关，“异构网络”下的不同通信协议之间的互联互通得以实现。目前，不同通信协议之间可以通过通信网关方便地进行数据互通。将来，不同通信协议之间的软硬件平台将不断进行集成和融合，逐步发展成集成多通信协议、互相兼容的软硬件平台。这将有助于用户端的使用便利性，制造商生产的统一性，从而推动整个智能电网用户端通信技术的应用与推广。

参考文献：

[1]陆俭国，何瑞华，陈德桂，等. 中国电气工程大典 第11卷 配电工程[M].北京:中国电力出版社，2009.

[2]尹天文，何瑞华. 低压电器技术手册[M].北京:机械工业出版社,2014.

[3]任雁铭，操丰梅，唐喜，等.智能电网的通信技术标准化建议[J].电力系统自动化,2011，(35):1-4,61.

运营探讨

Application and Development of Communication Technology in Smart Grid User Side

ZHU Wen-hao1，2，GUO Qi-yi1

(1.Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;

2.Schneider Shanghai Low Voltage Terminal Apparatus Co., Ltd., Shanghai 201109, China)

Abstract:With the development of smart grid, the user side communication technology is in rapid development. This article firstly elaborates current status of communication technology in smart grid user side. After that the characteristics of various kinds of communication technologies are compared, communication protocols are found to have problems in great variety, disunity in communication standards and difficulty in promotion. Solutions and a new concept of merging different kinds of technologies are proposed. Finally, development trend of future communication technology in smart grid user side is discussed.

Key words:smart grid user side; communication technology; field bus; communication integration

中图分类号：TM76

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0134-02

作者简介：朱文灏(1977-)，男，浙江建德人，硕士，博士研究生，同济大学电子与信息工程学院技术经理，高级工程师，研究方向：电子与信息工程。

收稿日期：2014-12-21