张姣姣，于 然，许鸿飞，庞思睿，于 蒙，李雪梅，金 燊，赵庆凯
（国网冀北电力有限公司信息通信分公司，北京 100053）
摘 要： 智能电网是将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网，通过统一信息平台，实现广域、全局的信息实时共享。本文介绍了智能电网通信网络的架构，现有通信系统的技术、标准和协议，以及通信系统在智能电网中的应用，并提出了未来智能电网通信系统所面临的难题。
关键词： 智能电网；无线通信；用户户内网；领域区域网；广域网
0 引言
在过去的几十年里，电气和电子技术都经历了巨大的发展，大量的产品使人们的日常生活更加方便和舒适，从智能手机和流行的移动消费设备到智能温湿度控制系统和日常家用电器如电饭煲、洗碗机和电冰箱等。自然而然地，这些电子设备的应用会导致电力消费的增长。
伴随着人口的不断增长、能源消耗的不断增加、全球气候变暖、化石燃料的不断减少等问题与电能生产能力的有限性之间矛盾的不断激化，未来的电力来源将多样化，未来的电网必须适应多种能源类型的发电方式。
现有的电网基础结构维持将近百年，具有信息可见度低、开关操作机械式、响应时间长、自动化分析和测控感知能力差等缺陷，已经很难满足现代化用电的新需求。为适应高度市场化的电力交易的需要，减少电网损耗，提高电网利用率，迫切需要设计一种新的电网结构。为应对这些问题，下一代电力网络——“智能电网”应运而生。智能电网以集成的、双向的、高速的通信技术为基础，将先进的传感器技术、测量技术、设备技术、控制方法结合起来，在建立能源互联网、提高电网可靠性以及电能质量和效率、最小化电网故障、减少损耗，促进消费管理等方面提供有效保障。
1 智能电网的定义及发展现状
1.1 定义
智能电网（smart power grid )就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”。它是以物理电网为基础，在高速双向通信网络和先进数字技术的基础上，将传感测量技术、通信技术，信息化技术、控制技术、设备互动技术、决策支持系统技术、计算机技术和物理电网高度集成而形成的智能网络。它通过信息化手段，使资源开发、转化（发电）、输电、配电、供电、售电及用电的电网系统的各个环节进行智能交流，发挥了中央电力体系的集成作用，实现精确供电、互补供电、各种电源和客户终端与电网的无缝互连，提供了整个电网的可靠性、可用性和综合效率。
1.2 发展现状
美国是最早从事智能电网研究的国家，美国电力科学研究院（EPRI）在1998年就开始了“复杂交互式网络和系统”研究，2001年开展了“Intelligird（智能电网）”系统研究；在2003年7月美国能源部输配电办公室发布了《2030电网》的远景规划，提出了到2010年建成智能电网示范工程、至2020年半数的电力要经过智能电网输送、至2030年要使100%的电力通过智能电网输送的目标。2010年1月美国NIST(美国国家标准与技术)发布了智能电网互操作性标准框架，其中包括相关标准、需求以及指导性说明文件共75项，并提出了智能电网建设现阶段需求的15项工程，基本上涵盖了智能电网的各个方面。
2005年，欧洲委员会(European Commission)就发布了欧洲智能电网技术平台(European Smart Grids Technology Platform)以及相关其他文件，阐述了欧洲智能电网建设的整体方案，整个电网的建设依托于IEC标准，充分关注了分布式能源和核心能源的开发和利用。2009年10月，欧盟公布了战略能源技术计划（SET-Plan）路线图，其中将智能电网作为第一批启动的6个重点研发投资方向之一，提出了2010至2020年智能电网技术发展路线。
在国内，2008年国家电网公司开始推行电力用户用电信息采集系统，规划用3～5的时间实现全网的电能信息采集，实现“全覆盖、全采集、全预付费”的目标。2009年5月，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式发布了“坚强智能电网”发展战略。在2010年3月召开的全国“两会”上，温家宝总理在《政府工作报告》中强调：“大力发展低碳经济，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”。这标志着智能电网建设已成为国家的基本发展战略。
2 智能电网中的通信技术
智能电网通信网络通常分为骨干网、汇聚网和接入网三个层次。接入网位于通信网络的神经末梢，根据组网和接入形式可分为有线接入和无线接入两种。有线接入网主要包括无源光网络（Passive Optical Network, PON）和电力线传输技术（Power Line Communication, PLC），无线接入方式包括短距离无线通信技术和无线蜂窝网等，本节重点讨论无线接入技术在智能电网中的应用。
2.1 网络拓扑
从网络拓扑的角度来看，智能电网通信实体可以分为三种类型的网络体系结构，即用户户内网（Home Area Network，HAN），邻域区域网（Neighbourhood Area Network，NAN）和广域网（Wide Area Network，WAN），图1显示了智能电网通信网络的示意图。
（1）用户户内网（HAN）
HAN是智能电网网络系统的基本核心单元。图2显示了一个用户户内网的框图，消耗电力能源的家用设备和电表是主要的组成部分。理想情况下，所有家庭电器都连接到智能电表，智能电表将测量数据传输到家庭网关，然后传输到本地数据集中分配器。
短距离通信技术有利于设备之间的通信，主要通过安装或者镶嵌在设备内的传感器实现设备间的通信，ZigBee是这方面应用最广泛的技术，机器间通信（M2M）技术也可以利用，目前在LTE Release 10和更高级版本中正在标准化M2M技术。智能电表通过HAN家庭网关把收集到的数据传输到本地数据集中分配器中。HAN是一个典型的家庭能源管理系统，其使得能源管理的过程更加互动和动态，这将有助于优化能源的使用并降低消费者的费用。
（2）邻域区域网（NAN）
邻域区域网NAN包括几个本地数据集中分配器相连的用户户内网（HAN），其主要作用是可靠地从HAN中采集能耗信息存储在本地数据集中分配器中。邻域区域网的覆盖范围可能包括一个城市内的某些建筑物或者农村区域内几个同地理位置上的房子，在城市和农村地区邻域区域网的覆盖范围应当包括离本地数据集中分配器最高可达500 m和700 m距离的建筑。在城市地区，无线局域网可以作为邻域区域网实体之间的通信，Femtocell也是一个有吸引力的选择；而在农村地区，蜂窝系统可以被用于邻域区域网实体之间的通信。
（3）广域网（WAN）
广域网WAN包含若干用户户内网HAN和邻域区域网NAN，也包括其他实体如本地数据集中分配器和中心控制器。广域网覆盖较大的地理区域，并保持与其他所有实体的通信，比如发电和配电单元。由于不同类型的无线和有线网络都有可能成为广域网WAN的一部分，互操作性显得尤为重要，所以来自传感器和制动器的数据能够在整个网络中无缝地流动，同时路由需要在多传输选项时进行优化。大多情况下，智能电网将与其他应用共享网络，所以可能会遇到潜在延迟和/或导致网络拥塞。智能电网的数据可能还包括关键时间信息，所以必须有一个专用网络或可选的优先通道机制，以确保及时传递所有关键时间数据。
2.2 智能电网中的通信技术
通信技术作为智能电网实现的基础，随着智能电网的建设和发展，将拥有巨大的潜在发展空间。不同的通信技术可用于智能电网内执行不同的任务，从数据采集与传输到监测发电和配电，主要技术如下:
（1）ZigBee
ZigBee设备工作在公共频段上，在全球2.4 GHz、欧洲868 MHz和美国915 MHz 三个频段上分别具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的传输速率，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，非常适合在大范围智能电网中的广泛应用。例如，通过具有下一代IP地址(IPv6)的无线电表，用户可以方便地访问电表、获取电能使用信息、进行电能管理、控制电器等；而电网运营商可以通过该电表对用户的用电情况进行计量、查询和管理、优化电网的运行、监控电网的使用情况、在电网收到冲击时对用户的电器设备进行临时的断电管理功能。
（2）WLAN
IEEE 802.11为WLAN定义了一系列的标准以同时支持点对点和点对多点通信。最新版本的IEEE 802.ad采用了正交频分复用技术和多天线技术，并工作在60 GHz频段，可以提供高达7 Gb/s的最大传输速率。WLAN可以作为智能电网数据通信的有效解决方案基于以下三点，首先，WLAN设备在世界上被广泛接受和应用部署在家庭用于因特网接入；其次，WLAN相对便宜，所以即使需要全新安装，成本也不高；最后，WLAN卡是即插即用设备，安装简单。WLAN工作在公共频段，与其他标准共享相同的频率资源，所以在密集部署区域容易产生严重干扰，这使得基于WLAN的智能电网系统面临着挑战。
（3）WiMAX
WiMAX工作在2～11 GHz频段，采用正交频分复用多址、多天线和自适应编码（AMC）等关键技术，峰值传输速率高达70 Mb/s，传输距离最远可达50 km。WiMAX的MAC层是面向连接的，在数据传输之前，对应连接的服务质量(QoS)参数都已经设置好了，对于实时性要求很高的业务，可提供固定发送周期和固定包长，从而保证业务的实时性。WiMAX在MAC层定义了一个安全子层，采用加密封装协议和密钥管理协议两个基本协议，并可定义安全联盟使得基站和多个用户站共享安全信息，具有很高的安全性，同时WiMAX具有丰富的业务接口，能够保证电网业务的多样性。
（4）蜂窝网络和Femto
蜂窝网络在世界范围内的普遍使用使得它们成为智能电网通信网络特别有吸引力的选择。特别是3GPP项目颁布的LTE标准与智能电网具有高相关度，首先高速数据传输速度满足电力系统大数据量传输的要求，同时高速可靠的数据交换为智能电网开放性地兼容各类设备提供了可靠的通信机制。LTE的安全性和可靠性能够使得智能电网防御信息攻击，提供高信息安全和自愈能力，并为智能控制、负荷调度、电力抢修、智能管理提供了准确、可靠、实时的数据信息。
LTE系统中的室内基站设备俗称Femtocell，通过有线网络回传可以提供非常高的数据速率。Femtocell是一个相对低成本的设备，能够扩展移动网络由于墙体穿透损耗造成室内环境信号质量差的无线覆盖范围。除了提供所有WLAN具有的功能外，Femtocell还具有其他优点，例如其可以工作在授权频段，可以通过智能的分配信道从而实现对用户提供有保证的QoS服务。这意味着关键时间数据可以通过Femtocell网络安全地发送。
3 智能电网通信网面临的问题
实现智能电网，需全面建设高速、宽带、自愈的坚强电力通信网络，支持业务的灵活接入，即支持任何时间、任何地点、任何设备、任何业务、无所不在的信息通信接入方式，由于其本身的复杂性，面临着几个技术方案的挑战：
（1）智能用户户内网
未来智能电表、智能温度计以及家庭区域内的各种传感器等各种实时设备投入应用。由于大部分智能电网设备都是无线设备，当其部署密度很高的时候，相互间存在的干扰成为棘手的问题，因此干扰消除技术是非常重要的研究内容。在高密度的城市部署区域，邻域区域网间经常会出现重叠覆盖的情况，邻域区域网间的干扰会成为棘手的难点，需要设计新的有效的干扰消除方案。
（2）无缝的互操作性
不像传统的网格，智能电网包括分布在广阔地理区域内的各种实体，其中包括属于不同厂家的设备，因此需要建立一个共同的通信接口以保证设备的交互操作能力，并且兼容新的通信媒介。
另外，确保不同网络间的通信和数据传输也存在挑战，现状是没有统一的标准，但技术又发展迅猛，因此需要建立开放统一的标准。很多组织在倡导推广基于IP的通信，但使IP延伸到终端设备和用户层面还有很多问题需要解决。
（3）网络安全和信息保护
开放、兼容和互联必然伴随着信息安全的风险。智能电网必须确保网络安全以确保信息的保密性、完整性和可用性。
4 结束语
通信技术作为智能电网实现的基础,随着智能电网的建设和发展,将拥有巨大的潜在发展空间。不同的通信技术可用于智能电网内执行不同的任务，从数据采集与传输到监测发电和配电,究竟哪种技术会成为智能电网的应用主流,还要看其技术本身的发展和智能电网设计者的规划和实际需要。
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