基于认知无线电技术的智能电网应用

董源

【摘要】当前电网无线通信复杂的环境、以及干扰衰落等问题制约着智能电网领域的无线通信技术发展。而近些年认知无线电技术作为一种具有前景的，可以解决下一代电网通信问题的技术被广泛研究。本文针对智能电网的特点，讨论了智能电网的认知无线传感网络分层结构，并分析其所面临的主要挑战。

【关键词】智能电网；认知无线电；动态频谱管理；频谱感知

随着世界人口的迅猛增长和电网负荷需求的快速增多，各类电力设备所产生的数据量也在逐年猛增，海量数据的收集传输及存储，给传统的电力通信网络带来着巨大挑战。传统电网急需转变为更智能、可靠、自动、安全的智能电网。

目前智能电网通信网络面临着传输环境复杂、电磁干扰、通信容量受限等多方面问题的困扰。在固定频谱分配政策的严格制约下，新型无线通信应用对未授权的工业、科学和医疗频段过度使用，而部分授权频谱的利用率却极低，造成了频谱资源的极大浪费。具有动态频谱管理功能的认知无线电技术凭借其感知、通信及计算能力可以为智能电网通信网络的诸多应用提供技术支持。

1、基于认知无线电技术的智能电网应用

1.1先进计量基础设施

先进计量基础设施是一个测量、收集、存储和分析用户用电信息的网络信息处理系统，大多在室内安装，以智能电表为例它可以实现测量、用户账单、付费调节、合同更换等诸多功能，指导用户调节高峰、低峰时的用电量来使电网更加均衡。而当前大多数计量表与接入点间庞大的数据传输是利用工业、科学和医疗频段进行的，受周围频谱环境的干扰与噪声影响，安全性降低、延时、丢包等情况大量发生。认知无线电技术可以通过动态频谱管理功能机会接入频谱，利用空闲的授权频段进行高效的数据传输，降低计量基础设施的部署成本。

1.2分布式发电及储蓄电能

分布式发电是指布置在用户附近进行的风力、太阳能、生物质能等小规模发电，通过提供清洁可再生、高效、可靠的电力能源来满足就近用户的电力需求，减轻电网的负担降低电力输送过程的损耗；电能储蓄设备可以调节能源结构缓解电力峰值负荷压力。认知无线电技术的动态频谱管理功能可以克服分布式发电以及储蓄电能的过程中，对电能质量、电压、频率稳定性等系统参数进行监测传输时的电磁干扰、网络冲突、噪声、障碍物阻挡等问题。

1.3架空输电线路监测

架空输电线路时常面临着雷击、冰冻、山体滑坡、鸟害、过热等隐患，危及着输电线路的安全稳定可靠运行。需要安装传感器监测架空输电线路的运行参数，由于输电线路自身分布式的特点，给传感器的数据传输带来了电磁干扰、衰落等问题。认知无线网络可以凭借其兼容不同的频谱协议的特性来动态管理频谱，改善架空输电线路监测系统的带宽及稳定性。

2、智能电网的认知无线传感网络分层结构

智能电网的认知无线传感网络的分层结构包括家域网、邻域网和广域网。不同于传统的智能电网应用架构，认知无线电技术更能支持经济、灵活、高效、可靠地通信网络架构。

（1）家域网是智能电网的最基本子网，负责为各类家用电器、多媒体设备、电能管理系统以及电表之间提供一个双向通信通道，并为需求响应、家庭电能管理、负载管理、智能电表等智能电网的应用搭造一个技术平台。这其中每个应用都有峰值需求抑制、降低成本、提高用户满意度、需求匹配等独立操作目标。（2）邻域网负责实现家域网与广域网之间的通信连接，在智能电网应用网络中，邻域网收集多个家域网的监测及服务信息，并通过广域网将其传输到控制中心的数据采集装置。将基于认知无线电的邻域网关整合为一个系统，能够将多个家域网关连接起来，根据通信需求为其分配工作频段，从而提高频谱利用率、保证QoS需求、提邻域网的网络容量。（3）广域网由多个邻域网、智能电网的变电站、分布式电网电力设施组成。借助基于认知无线电的邻域网关及认知基站，可以实现多个邻域网与广域网控制中心的双向通信，通过实时稳定的数据传输，控制中心可以通过分析判决来为多个邻域网分配可用频谱，从而解决重叠区域的共存问题，提高频谱的利用率。

3、智能电网环境下的认知无线电技術面临的挑战

认知无线电技术是实现可靠、安全、高效的智能电网通信设施建设的前提基础，能够解决传统智能电网通信网络所面临的频谱资源受限、网络扩展性差、传输速率低等问题，然在电网所处的特殊环境中其面临着许多新的挑战：

（1）频谱感知是认知用户感知频谱空穴的过程，其高能耗特性它给智能电网通信系统的大规模部署带来了困难，简化认知设备的硬件配置、缩短感知时间、利用单射频无线通信、可以降低感知复杂度从而减少耗能，使得频谱感知技术得以在智能电网中大规模应用。（2）频谱判决过程分为两步：首先描述某个频段的接收信号强度、干扰、传输功率、用户个数、安全需求等特性；再根据获得的频谱特性进行频段选择。智能电网系统的分布式特性伴随着无线电干扰、网络密度及信道特性等变化多样等问题，制约着频段特性的获取，增加频谱判决的难度。（3）频谱共享过程主要实现最佳信道的选择、时间同步、功率控制等类似媒体接入控制协议的核心功能。功率控制方法能够使大范围部署的智能电网应用设备调整信息传输功率，减少感知节点多余的能量消耗并延长网络寿命，而对于要求准确时间同步的智能电网应用，由于缺少时钟源很难保持整个网络范围内的时间同步。

4、结论

本文全面介绍了智能电网的特性以及基于认知无线电的智能电网应用，讨论了智能电网的认知无线传感网络分层结构面临的挑战。期望这本文能够激发更多学者进一步探索这个有前途的研究领域。

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