電力需求的增長和低碳發(fā)展的要求促使配電網(wǎng)向著智能化方向發(fā)展。智能電網(wǎng)的實(shí)施使得一次、二次設(shè)備增多，電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，現(xiàn)場和it設(shè)備間傳輸?shù)男畔⒘恳泊蟠笤黾?。波?dòng)性分布式電源的大規(guī)模并網(wǎng)，儲(chǔ)能裝置以及主動(dòng)負(fù)荷的接入將極大地影響供電可靠性和電能質(zhì)量，使得電網(wǎng)的控制變得更加復(fù)雜，容易造成通信可靠性問題。通信系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)中智能量測、能量管理、自動(dòng)控制及保護(hù)等功能的支撐，面臨很大的挑戰(zhàn)。
在智能配電網(wǎng)中，現(xiàn)場總線主要解決智能電能表等現(xiàn)場設(shè)備之間以及現(xiàn)場設(shè)備和配電自動(dòng)化等高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。不同通信技術(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。如何部署通信基礎(chǔ)設(shè)施，在滿足配電網(wǎng)對(duì)速率、時(shí)延和可靠性等需求的同時(shí)，盡量減少不必要的投資，是當(dāng)前智能電網(wǎng)需要解決的問題。因此，有必要對(duì)當(dāng)前主流的通信技術(shù)及其應(yīng)用情況進(jìn)行充分的了解，為我國配電網(wǎng)智能化的發(fā)展提供參考。
歐洲配電網(wǎng)智能化系列專題已經(jīng)介紹了歐洲配電網(wǎng)智能化發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力和需求分析、應(yīng)用場景及其功能、標(biāo)準(zhǔn)化工作及其控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，將繼續(xù)介紹配電網(wǎng)通信技術(shù)、規(guī)劃技術(shù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)等相關(guān)智能化技術(shù)的進(jìn)展情況，本文將詳細(xì)介紹通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。
智能電網(wǎng)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)為通信技術(shù)開啟了一個(gè)獨(dú)特的市場。本文介紹到目前為止現(xiàn)場總線部署中最流行的可應(yīng)用技術(shù)，包括plc（電力線載波）、bpl（寬帶電力線）、專用無線（rf-無線射頻）、公共無線（gprs/gsm/3g/lte）和wimax5種通信技術(shù)。
不同的通信技術(shù)在組網(wǎng)時(shí)需要的設(shè)備不同，而生產(chǎn)設(shè)備的廠商也有很多，智能電網(wǎng)中部署的種類繁多的設(shè)備之間要實(shí)現(xiàn)互操作，需要滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)。iec62357給出了電力設(shè)備間互操作的參考架構(gòu)，見圖1。
圖1 用于電力設(shè)備間互操作的可用標(biāo)準(zhǔn)
1. plc（電力線載波）
電力線載波通信使用中，低壓電線提供電信服務(wù)。在非專用信道中形成了窄帶和寬帶2種主要的應(yīng)用模式。窄帶plc頻率低、帶寬窄，因而數(shù)據(jù)傳輸速率低、通信距離長；而寬帶plc則主要為互聯(lián)網(wǎng)和多媒體提供高速短距的基本通信服務(wù)。
在此考慮的“窄帶plc”是一種在中、低壓網(wǎng)中速率可達(dá)2～150kbit/s的技術(shù)。
plc技術(shù)可通過使用電力線來攜帶數(shù)據(jù)，從而不需要重新建設(shè)昂貴的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。因此，plc技術(shù)具有以下優(yōu)勢：
①網(wǎng)絡(luò)所有權(quán)：智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營都由擁有物理設(shè)施的同一個(gè)公司負(fù)責(zé)；
②網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：通信網(wǎng)和電網(wǎng)架構(gòu)相同；
③故障檢測：可對(duì)設(shè)備的運(yùn)行方式以及結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行分析。此外，plc網(wǎng)絡(luò)跟隨配電線路建設(shè)，從而可反映電網(wǎng)所處的地理信息。
歐洲智能電網(wǎng)的窄帶plc部署采用了歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（cenelec）預(yù)留給電力企業(yè)的3～95khz頻帶，即ceneleca頻帶。這部分頻帶極易受到噪聲干擾，比如汽車駛過道路或者噴泉廣場的聲音。圖2所示為由歐洲電工委員會(huì)en50065-1定義的頻帶及其使用情況。
目前，根據(jù)調(diào)制技術(shù)的不同，已經(jīng)用于部署的plc技術(shù)主要有5種。
圖2 歐洲的plc網(wǎng)絡(luò)頻帶分配
2. bpl（寬帶電力線）
bpl通常使用1mhz和50mhz之間的頻譜，有大量的可用頻段（比prime更多），這使得當(dāng)某些頻率受到干擾時(shí)，數(shù)據(jù)包有更多的選擇，因而其可靠性高于plc。但是，高頻率也使其通信距離及線路長度變短。
bpl速率約為1～5mbit/s，甚至在中壓線上可達(dá)15mbit/s。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了舊窄帶plc技術(shù)（1～2kbit/s）以及像prime這樣較新協(xié)議（>100kbit/s）的速率。
bpl節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中。由于bpl網(wǎng)絡(luò)有如此高的帶寬，因而可以容納更多的設(shè)備以及增加除抄表以外的功能，也可以作為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的橋接技術(shù)，適合設(shè)備密度高的城市環(huán)境。其端點(diǎn)不是單一的設(shè)備，而是利用“網(wǎng)關(guān)”連接到多個(gè)電能表或傳感器。bpl網(wǎng)關(guān)通過zigbee或m-bus（讀表標(biāo)準(zhǔn)）等二次技術(shù)實(shí)現(xiàn)與電能表等設(shè)備通信。
但是，由于bpl比其他通信方式更昂貴，且存在干擾和可靠性不高等問題，過去很少有供應(yīng)商成功應(yīng)用bpl。
3. 專用無線（rf-無線射頻）
專用無線是目前美國最具影響力的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由aclara、elster（埃爾斯特）、itron、landis+gyr、silverspringnetworks（銀泉網(wǎng)絡(luò)）、思科（cisco）以及trilliant等公司提供。其使用900mhz或2.4ghz頻段（或其他授權(quán)頻段），采用網(wǎng)狀或者星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相對(duì)于電力線載波技術(shù)而言，專用無線技術(shù)對(duì)噪聲和干擾不敏感，有更高的可靠性和更快的傳輸速度。
星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于移動(dòng)終端切換，同時(shí)更適合高帶寬的應(yīng)用，見圖3。
圖3 星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
而網(wǎng)狀拓?fù)淇煽啃愿撸⑼ㄟ^可靠的多路徑提供冗余保護(hù)，見圖4。與星形網(wǎng)和公共蜂窩網(wǎng)相比，網(wǎng)狀網(wǎng)更適合分布式控制，通?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索和動(dòng)態(tài)路由，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置相對(duì)簡單。
圖4 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
4. 公共無線（gprs/gsm/3g/lte）
在智能電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電方面當(dāng)前排行第三的通信方式就是公共無線技術(shù)，由美國at&t和verizon、歐洲vodafone和deutschetelekom等移動(dòng)供應(yīng)商提供。公共無線的優(yōu)點(diǎn)是不需要電網(wǎng)自己擁有、管理或者維護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)，可租賃現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)。而公網(wǎng)供應(yīng)商可將網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、維護(hù)和升級(jí)到費(fèi)用分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)用戶身上。長期來看，公共無線技術(shù)可更方便的在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提供更多的功能。
但是，由于電網(wǎng)的設(shè)備分布廣泛，典型的公共無線并不能覆蓋到全部設(shè)備，所以需要增加少量的通信設(shè)施。而且，電信運(yùn)營商需要定期更新通信系統(tǒng)，這也將產(chǎn)生額外費(fèi)用。同時(shí)，公網(wǎng)的時(shí)延不穩(wěn)定，城區(qū)用戶掉線率高，可靠性低等問題還需要改善。電網(wǎng)也不愿在停電管理等關(guān)鍵應(yīng)用方面依靠第三方運(yùn)營商。
5. wimax
wimax與lte一樣也是一種4g通信標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)ieee802.16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其速率可達(dá)72mbit/s，支持不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、多種傳輸模式和帶寬，可滿足不同的傳播條件和用戶需求。
wimax技術(shù)對(duì)視線（los）內(nèi)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信采用定向天線，最遠(yuǎn)可達(dá)50km。而對(duì)于視線之外（nlos）的寬帶通信采用全向天線，覆蓋范圍為幾千米。
wimax系統(tǒng)可提供速率為30～40mbit/s，未來有潛力發(fā)展到1gbit/s。由于wimax擁有充裕的帶寬可支持?jǐn)?shù)百個(gè)終端設(shè)備收發(fā)信息，因而常被用于“中繼”通信。wimax采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以通過建設(shè)專網(wǎng)來連接智能電能表和集中器。但是，電網(wǎng)公司要想在智能電網(wǎng)中部署wimax專網(wǎng)，就不得不承擔(dān)相應(yīng)的許可費(fèi)用。美國和澳大利亞的多數(shù)的試點(diǎn)工程采用的都是alcatel-lucent、airspan和geenergy（通用電氣ge在密歇根州和得克薩斯州進(jìn)行的智能電能表項(xiàng)目）的無線技術(shù)。
6. 結(jié)語
上述通信技術(shù)在各層采用的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)有所不同，其特點(diǎn)也各不相同。由對(duì)比可以看出，電力線載波和公共無線技術(shù)初始投資較少，對(duì)于實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)施基礎(chǔ)上向智能電網(wǎng)的演進(jìn)是很好的選擇。盡管很多電力企業(yè)對(duì)公共無線存有戒心（尤其像美國這樣喜愛“擁有和經(jīng)營”自己的網(wǎng)絡(luò)模型的國家），公共無線技術(shù)還是很可能在智能電網(wǎng)ami工程中勝出，運(yùn)營商在智能電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)?huì)更加主動(dòng)。由無線網(wǎng)狀網(wǎng)和plc結(jié)合而成的混合網(wǎng)絡(luò)可以成為ami工程在復(fù)雜地形區(qū)域提供服務(wù)的選擇。
由歐洲智能電網(wǎng)試點(diǎn)工程中通信技術(shù)應(yīng)用的情況可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：
①網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)更適合智能電網(wǎng)。
②現(xiàn)有通信技術(shù)都存在有待解決的問題，比如plc的抗干擾問題、rf射頻和wimax的頻段授權(quán)問題以及bpl和公共無線的運(yùn)營費(fèi)用問題。
③從速率、成本和安全等單方面考慮，現(xiàn)有的通信技術(shù)能夠分別滿足智能電網(wǎng)的要求，但綜合來看，還不能決定哪種組網(wǎng)方式最適合用于智能電網(wǎng)。
未來還需要根據(jù)智能電網(wǎng)中不同的業(yè)務(wù)、環(huán)境對(duì)通信的需求進(jìn)行定量的分析，才能找到較為合適的選擇。而通信技術(shù)一直在向著更高的速率、更可靠的通信方向發(fā)展，未來智能電網(wǎng)將會(huì)有更多的通信技術(shù)可以選擇。
評(píng)論