智能配電網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展綜述.pdf

2 0 1 3 年 / 第1 期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 可靠傳輸 Reliable Transmission 4 9 0 引 言 保障能源安全、應(yīng)對(duì)全球氣候變化是全人類所面臨的重 大挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，歐洲、北美等主要發(fā)達(dá)國(guó)家于 本世紀(jì)初相繼提出了智能電網(wǎng) (Smart Grid) 的建設(shè)愿景，希望 用智能電網(wǎng)技術(shù)解決可再生能源規(guī)?；谩①Y源大規(guī)模優(yōu)化 配置、電動(dòng)汽車大規(guī)模接入等系列問(wèn)題，從而達(dá)到調(diào)整能源消 費(fèi)結(jié)構(gòu)、保證國(guó)家能源安全、降低碳排放標(biāo)準(zhǔn)等系列目的。這 一設(shè)想，立即在全世界范圍得到認(rèn)可與響應(yīng)，各國(guó)都把電力建 設(shè)的重點(diǎn)放在了智能電網(wǎng)的研究與建設(shè)上。所謂智能電網(wǎng)，就 是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳 感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn) 的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)與用戶的互動(dòng)及電網(wǎng)的可靠、 安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo) 1，2。 在智能電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中，智能配電網(wǎng)是其研究重點(diǎn)， 而通信技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)。 沒(méi)有先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)， 任何智能配電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)都沒(méi)法體現(xiàn)，所以，要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的 關(guān)鍵一步，就是建立雙向、高速、集成的通信網(wǎng)絡(luò)。 本文首先介紹配電網(wǎng)通信現(xiàn)狀，然后介紹常用的幾種通 信方式、智能配電網(wǎng)通信應(yīng)用的場(chǎng)景以及通信的標(biāo)準(zhǔn)，最后 對(duì)智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討。 1 配電網(wǎng)通信現(xiàn)狀 目前，配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)接入方式多種多樣 ( 包括 PLC 技術(shù)、微波、GSM/CDMA 等 )，然而，配電網(wǎng)通信缺乏統(tǒng)一 的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，通信信道穩(wěn)定性差，數(shù)據(jù)信息傳輸速率比較低 且安全性低，技術(shù)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)等存在差異，電力系統(tǒng)現(xiàn)有資 源無(wú)法得到有效利用，通信的單向性導(dǎo)致對(duì)互動(dòng)性的支撐不 足，缺乏對(duì)未來(lái)新業(yè)務(wù)的擴(kuò)展能力 3，4。隨著大量的分布式電 智能配電網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展綜述 劉家泰1， 孫振權(quán)2， 陳 穎 1 (1.清華大學(xué) 電機(jī)系， 北京 100084； 2.陜西地方電力集團(tuán)， 陜西 西安 710065) 摘 要： 智能電網(wǎng)的建設(shè)有利于解決能源危機(jī)和氣候變暖等問(wèn)題。 在智能電網(wǎng)的研究中， 智能配電網(wǎng)是研究的重點(diǎn)。 要實(shí) 現(xiàn)智能配電網(wǎng)， 必須建立雙向、 高速、 集成、 可靠的通信系統(tǒng)。 本文就智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了一個(gè)總結(jié)， 介紹了配電 網(wǎng)的通信現(xiàn)狀與智能配電網(wǎng)對(duì)通信系統(tǒng)的要求， 以及現(xiàn)有的通信系統(tǒng)的通信技術(shù)、 標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議， 通信系統(tǒng)在智能配電網(wǎng)中的應(yīng) 用， 并在上述基礎(chǔ)上， 提出 了 未來(lái)智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞： 智能電網(wǎng)； 智能配電網(wǎng)； 通信系統(tǒng)； 發(fā)展方向 中圖分類號(hào)：TP915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 2095-1302(2013)01-0049-05 Overview of development of communications technology for smart power distribution network LIU JIA-tai1, SUN Zhen-quan2, CHEN Ying1 (1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Shaanxi Local Power Group, Xian 710065, China) Abstract: The construction of smart power grid can help solve the energy crisis, global warming and other issues. Smart power distribution network is the focus of research in smart power grid. To achieve intelligent power distribution network, a two-way, high- speed, integrated, reliable communication system must be established. The paper summarizes the development of smart power distribution network communication system, and introduces the communication status of power distribution network, the requirements of communication system raised by intelligent power distribution network, the existing communication technology, standards and protocols of communication system, and application of communication systems in smart power distribution network. The development direction of an intelligent power distribution network communication system is proposed. Keywords: smart power grid; smart power distribution network; communication system; development direction 收稿日期： 2012-10-25 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2 0 1 3 年 / 第1 期 可靠傳輸 Reliable Transmission 5 0 源接入電網(wǎng)，以及用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求提高，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)可 靠性要求增加 4，現(xiàn)有的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)新的供用電 形式和需求。這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 智能配電網(wǎng)強(qiáng)調(diào)與用戶的互動(dòng)，需要雙向的通信網(wǎng)絡(luò)； (2) 混合充電汽車的不斷普及、用戶需求側(cè)響應(yīng)決策等， 需要配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)； (3) 隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的數(shù) 據(jù) ； (4) 大量的分布式電源接入配電網(wǎng)，需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn) 定的管理與控制。 可見(jiàn)，為滿足智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的可靠、安全、穩(wěn)定 的要求，需要對(duì)現(xiàn)有的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)。 2 智能配電網(wǎng)對(duì)通信系統(tǒng)的要求 為了保證智能配電網(wǎng)的特征能夠?qū)崿F(xiàn)，其通信系統(tǒng)需要 滿足高可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性和靈活性等條件 5。 2.1 高可靠性 高可靠性就是指數(shù)據(jù)信息能夠在任何環(huán)境下傳輸?shù)娇刂?中心或者傳輸給子站及智能電力設(shè)備。電網(wǎng)的可靠性都是依靠 通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收重要信息來(lái)維持的?？煽啃栽谟芯€網(wǎng)絡(luò)中 并不是個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題， 但是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和 PLC(電力載波通信 ) 網(wǎng)絡(luò)中就是個(gè)挑戰(zhàn)了 ，因?yàn)樗鼈兊耐ㄐ判诺揽赡軙?huì)受到外界干 擾而發(fā)生變化。通信系統(tǒng)自己并不能夠直接獲得電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 的變化，于是通信網(wǎng)本身就需要具有較強(qiáng)的魯棒性。 2.2 安全性 隨著電力網(wǎng)和信息網(wǎng)的融合，以及配電網(wǎng)距離的增加，有 關(guān)能源分布的數(shù)據(jù)信息總是特別重要，尤其是當(dāng)它們與交易信息 及控制、保護(hù)有關(guān)的時(shí)候，安全問(wèn)題變得非常重要。例如，如果 通信方式采用無(wú)線公用網(wǎng)絡(luò)，公用網(wǎng)的分享性與容易接入，使得 電力數(shù)據(jù)容易獲得，易被不法分子截取數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行破壞。 2.3 實(shí)時(shí)性 電網(wǎng)中的一些設(shè)備需要實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，而電力設(shè)備的實(shí)時(shí) 性需求主要依賴于應(yīng)用的緊急程度。例如 PMU 就有嚴(yán)格的實(shí) 時(shí)性，它提供電壓和電流的實(shí)時(shí)測(cè)量，并把數(shù)據(jù)傳輸給控制 中心進(jìn)行分析控制。對(duì)于保護(hù)裝置，當(dāng)某處發(fā)生故障時(shí)，控制 中心必須實(shí)時(shí)把控制指令發(fā)送到智能電力設(shè)備，以使其動(dòng)作， 切斷故障，如果沒(méi)有實(shí)時(shí)性的通信保障，就可能會(huì)發(fā)生電網(wǎng)的 連鎖故障。 2.4 靈活性 不同于輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)總是在不斷增加和改變的。 對(duì)于通信系統(tǒng)，不僅僅是第一次安裝，對(duì)于今后配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)改 變需要能夠繼續(xù)擴(kuò)展而不必改變?cè)械耐ㄐ拍Ｊ?，也要在運(yùn)行 期間易于管理和維護(hù)。除此之外，智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)還要支持 組播技術(shù)，使得同級(jí)智能電力設(shè)備之間可以分享相關(guān)的信息。 3 常用通信方式 先進(jìn)的技術(shù)和應(yīng)用融合到智能配電網(wǎng)中，就會(huì)產(chǎn)生大量 數(shù)據(jù)，并需要進(jìn)一步分析、控制和實(shí)時(shí)管理，于是需要選取 可靠、經(jīng)濟(jì)、雙向的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。目前，常用的通 信技術(shù)分為無(wú)線通信和有線通信兩種。有線通信技術(shù)包括光 纖通信、電力線載波通信 (PLC)、以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) (EPON) 等。無(wú)線通信技術(shù)包括ZigBee、 全球微波接入系統(tǒng)(WiMAX)、 GPRS 等。有線和無(wú)線各有優(yōu)缺點(diǎn)： 無(wú)線成本較低，適用于很 難達(dá)到的地區(qū)； 有線相對(duì)比較穩(wěn)定，可靠性較高。不同的通 信方式適合于不同的環(huán)境和地區(qū)，要建立高效、可靠的智能 配電網(wǎng)通信系統(tǒng)，就必須根據(jù)實(shí)際情況，幾種通信方式搭配 使用。下面簡(jiǎn)單地介紹幾種常用通信方式。 3.1 以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) 以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)是無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) (PON) 的一種，是一種 點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)。EPON 由網(wǎng)絡(luò)側(cè)的光 線路終端 (Optical Line Terminal，OLT)、光分配網(wǎng)絡(luò) (Optical Distribution Network，ODN) 和用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元 (Optical Network Unit，ONU) 組成。OLT 置于中心機(jī)房，是一個(gè)多業(yè) 務(wù)平臺(tái)，可提供面向 EPON 的光纖接口。ONU 放在用戶設(shè)備 端附近或與其合為一體，主要提供面向用戶的多種業(yè)務(wù)接入。 ODN 完成光信號(hào)功率的分配，為 OLT與 ONU 之間提供光傳 輸通道。EPON 系統(tǒng)下行傳輸數(shù)據(jù)采用廣播方式，上行數(shù)據(jù) 則采用時(shí)分多址技術(shù) (Time Division Multiplexing，TDM)。 EPON 的應(yīng)用通常是作為骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即 35 kV 以上 的電網(wǎng)通信。EPON 的優(yōu)點(diǎn)： 一是能夠提供透明寬帶的傳送 能力，數(shù)據(jù)傳輸速率快 ； 二是組網(wǎng)靈活，能夠組建復(fù)雜的混 合型網(wǎng)絡(luò)，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際地理位置靈活聯(lián)網(wǎng)或改變 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 三是維護(hù)簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)和管理成本低 ； 四 是網(wǎng)絡(luò)可靠性以及安全性高。EPON 的缺點(diǎn)則是建設(shè)光纖的 鋪設(shè)工程量大，初期投資高； 同時(shí)，由于配電信息點(diǎn)分布日新 月異，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，EPON 的組網(wǎng)難度大，后期運(yùn)維和故 障排查工作量較大。 3.2 電力線載波 電力線載波通信 (PLC) 是一種電力系統(tǒng)特有的通信方式， 利用現(xiàn)有的電力電纜作為傳輸媒質(zhì)，通過(guò)載波方式傳輸語(yǔ)音 和數(shù)據(jù)信號(hào)。在中低壓配電網(wǎng)中，PLC 可以為配電網(wǎng)自動(dòng)化、 AMI 等提供數(shù)據(jù)傳輸通道。目前，PLC 的傳輸速率可以達(dá)到 數(shù)十千位每秒，而隨著科技的發(fā)展，其傳輸速率會(huì)更大?，F(xiàn) 在又出現(xiàn)了一種新的 PLC 通信技術(shù)，就是基于 OFDM( 正交 頻分復(fù)用 ) 的 PLC 技術(shù) 6， 7。它對(duì)傳統(tǒng) PLC 技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)， 提高了可靠性和傳輸速率。 2 0 1 3 年 / 第1 期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 可靠傳輸 Reliable Transmission 5 1 PLC 技術(shù)主要應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境下，比如 AMI 的通信，而 不需要安裝專用的通信線路。PLC 的優(yōu)點(diǎn)是利用電力線纜作為 傳播媒介，建設(shè)成本較低 ； 另外，它的通道可靠性高，抗破 壞能力強(qiáng)。同時(shí)，PLC 也有缺點(diǎn)： 一是由于電力線信道的惡劣 性，傳輸距離較短 ； 二是易受電網(wǎng)負(fù)載和結(jié)構(gòu) 的影響，抗干擾能力差。 3.3 全球微波接入系統(tǒng) 全球微波接入系統(tǒng) (WiMAX) 是基于IEEE 802.16x 系列標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入城域網(wǎng)技術(shù)， 能夠?qū)崿F(xiàn)固定及移動(dòng)用戶的高速無(wú)線接入，其 基本目標(biāo)是為企業(yè)和家庭用戶提供 “最后一公里” 的寬帶無(wú)線接入方案。WiMAX 網(wǎng)絡(luò)體系由核 心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成。核心網(wǎng)包含路由器、AAA 代理服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn) 用戶認(rèn)證、漫游、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，并提供與其他網(wǎng)絡(luò)之間 的接口； 接入網(wǎng)包含基站和用戶站，負(fù)責(zé)為 WiMAX 用戶提供 無(wú)線接入 8。 WiMAX 技術(shù)可以應(yīng)用在 AMI、用戶最后一公里接入等 領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)： 一是可以通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)寬帶連接，不需 要鋪設(shè)線纜，組網(wǎng)速度快，建設(shè)成本低 ； 二是網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積 廣 ，只要少數(shù)基站就可以實(shí)現(xiàn)全城覆蓋，無(wú)線信號(hào)應(yīng)用范圍廣 。 WiMAX 的缺點(diǎn)是容易受天氣、 地形等影響， 使傳輸質(zhì)量降低； 另外，雖然技術(shù)比較成熟，但是在某些國(guó)家 ( 比如中國(guó) ) 沒(méi)有 分配電力專用頻率段。 3.4 ZigBee ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。 根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信 技術(shù)。ZigBee 可以把設(shè)備發(fā)出的信息傳輸給用戶，而用戶也可 以獲得他們實(shí)時(shí)的電力消費(fèi)信息。 在家庭自動(dòng)化、能源監(jiān)測(cè)和 AMI 的應(yīng)用中，ZigBee 是 個(gè)比較理想的通信技術(shù)。ZigBee 的優(yōu)點(diǎn)： 一是功耗和成本低； 二是容量比較大， 安全性高。 ZigBee的缺點(diǎn)是傳輸速率比較低， 傳輸距離比較近 ； 同時(shí)其抗干擾能力較差。 3.5 GPRS GPRS 是 GSM 移動(dòng)電話用戶可以使用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)。GPRS 可以說(shuō)是 GSM 的延續(xù)。GPRS 和以往連續(xù)在頻道傳 輸?shù)姆绞讲煌?，是以封?(Packet) 方式來(lái)傳輸?shù)?，因此使用?所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道， 理論上較為便宜。GPRS 的傳輸速率可提升至56114 kb/s9。 GPRS 可以應(yīng)用在需求響應(yīng)、家庭網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的應(yīng)用中， 以及有線通信無(wú)法達(dá)到或者需要建設(shè)成本較低的地區(qū)。GPRS 的優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn) ； 成本比較低。GPRS 的缺點(diǎn)： 一是由 于是公網(wǎng)，容易接入，安全性比較差 ； 二是穩(wěn)定性較差，信 號(hào)容易受干擾。 表1總結(jié)了上述各種通信方式的特性及應(yīng)用方式， 使用時(shí)， 可以通過(guò)比較并根據(jù)具體的環(huán)境選擇合理的通信方式。 4 通信標(biāo)準(zhǔn) 智能配電網(wǎng)通信中的許多應(yīng)用、技術(shù)等已經(jīng)比較成熟或者 正在研究當(dāng)中?，F(xiàn)在智能配電網(wǎng)通信面臨的主要挑戰(zhàn)是缺乏統(tǒng) 一的標(biāo)準(zhǔn)，這種情況影響了智能電力設(shè)備、智能電表和可再生 能源的融合以及它們的相互操作。建立智能配電網(wǎng)通信的統(tǒng)一 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)在急需的，這有利于智能配電網(wǎng)的早日實(shí)現(xiàn)。 表2總結(jié)了各種智能配電網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)， 并列出它們的應(yīng)用范圍。 表 2 智能配電網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn) 通信標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介應(yīng)用 領(lǐng)域 IEEE C37.1 描述SCADA與電力變電站自動(dòng) 化系統(tǒng)的定義和規(guī)范等 SCADA及變電 站自動(dòng)化控制 IEEE 1379 變電站中IED與RTU之間的通信 指導(dǎo) 變電站自動(dòng)化 控制 IEEE 1547 描述了與電網(wǎng)相互連接的分布 式能源的通信等 需求響應(yīng) IEEE 1646 變電站內(nèi)外的通信傳輸時(shí)間的 需求 變電站自動(dòng)化 控制 IEC 60870 電力系統(tǒng)通信和控制的數(shù)據(jù) 交換 控制中心間的 通信 IEC 61850 配電和變電站中的設(shè)備的通信 標(biāo)準(zhǔn) 變電站自動(dòng)化 控制 IEC 61968配電領(lǐng)域的通信模型能量管理系統(tǒng) IEC 62351定義了通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)安全信息安全系統(tǒng) ANSI C12.19 通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的測(cè)量模型，電 表數(shù)據(jù)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) AMI ANSI C12.18 智能電表與用戶之間的雙向 通信 AMI 4.1 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 建立了很多電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，其在電力通信方面的 標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種： (1) IEEE C37.1標(biāo)準(zhǔn)提供了 SCADA 系統(tǒng)與變電站自動(dòng)化 系統(tǒng)的的基礎(chǔ)定義、規(guī)范、技術(shù)性能分析和應(yīng)用。它定義了變 電站中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能協(xié)議選擇、人機(jī)界面和執(zhí)行問(wèn) 表 1 各種通信方式的特點(diǎn) 通信技術(shù)頻率范圍傳輸速率傳輸距離限制應(yīng)用范圍 EPON-1.25 Gb/s20 km 成本較高， 不容易擴(kuò)展 骨干通信網(wǎng) PLC130 MHz23 Mb/s13 km抗干擾能力差 AMI，需求響應(yīng) WiMAX 2.5 GHz 3.5 GHz，5.8 GHz 超過(guò)75 Mb/s15 km沒(méi)有廣泛應(yīng)用 AMI，需求響應(yīng) ZigBee868 MHz2.4 GHz250 kb/s3050 m 傳輸速率低， 距離短 AMI，HAN (家庭局域網(wǎng)絡(luò)) GPRS9001 800 MHz170 kb/s110 km 傳輸速率低， 安全性差 AMI，需求響 應(yīng)，HAN 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2 0 1 3 年 / 第1 期 可靠傳輸 Reliable Transmission 5 2 題。另外，它還規(guī)定了可靠性、可維護(hù)性、安全性和可擴(kuò)展性 等網(wǎng)絡(luò)性能需求。 (2) IEEE 1379 標(biāo)準(zhǔn)介紹了變電站中的 IED ( 智能電力設(shè) 備) 和 RTU( 遠(yuǎn)程終端單元 ) 之間的通信與相互操作的操作指 導(dǎo)及實(shí)際應(yīng)用。特別是該標(biāo)準(zhǔn)還描述了變電站網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧 對(duì) IEC60870 和 DNP3 的映射。它還討論了如何擴(kuò)展在變電站 中應(yīng)用的數(shù)據(jù)元素和目標(biāo)，以提高網(wǎng)絡(luò)功能。 (3) IEEE 1547 標(biāo)準(zhǔn)定義和描述了與電網(wǎng)相互連接的分布 式能源，包含電力系統(tǒng)、信息交換和驗(yàn)證檢驗(yàn)三部分。 (4) IEEE 1646 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了變電站內(nèi)部和外部的通信傳輸 時(shí)間的需求。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)把變電站通信分為幾個(gè)類別，并定義了 每個(gè)類別的通信延遲需求。 4.2 IEC 標(biāo)準(zhǔn) IEC 在電力系統(tǒng)的通信和控制方面提出了許多標(biāo)準(zhǔn)。常用 的如下： (1) IEC60870 提出了電力系統(tǒng)通信和控制方面的許多標(biāo) 準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)定義了用于電力系統(tǒng)控制的通信系統(tǒng)， 通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)， 電力設(shè)備間可以相互操作，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理。 (2) IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于變電站的自動(dòng)控制； 它定義了全 面的系統(tǒng)管理功能和通信需求，以促進(jìn)變電站的管理。 (3) IEC61968 標(biāo)準(zhǔn)提供了配電領(lǐng)域與輸電領(lǐng)域的設(shè)備和 電網(wǎng)之間數(shù)據(jù)交換的信息模型。 (4) IEC62351 描述了網(wǎng)絡(luò)安全，它規(guī)定了達(dá)到不同安全 目標(biāo)的需求，包括數(shù)據(jù)認(rèn)證、數(shù)據(jù)保密、接入控制和入侵檢測(cè)。 4.3 ANSI 標(biāo)準(zhǔn) ANSI 設(shè)定的電力通信標(biāo)準(zhǔn)主要有： (1) ANSI C12.19 標(biāo)準(zhǔn)描述了電力行業(yè)終端的數(shù)據(jù)表。它 定義了終端設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋斫Y(jié)構(gòu)，終端設(shè)備 和計(jì)算機(jī)之間利用二進(jìn)制代碼與 XML 傳輸。 (2) ANSI C12.18 標(biāo)準(zhǔn)是專為智能電表通信設(shè)立的，它負(fù) 責(zé)智能電表 (C12.18 設(shè)備) 和用戶 (C12.18 客戶 ) 之間的雙向通 信。 5 通信系統(tǒng)在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用 通信系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用有很多，比如變電站自動(dòng)控 制、自動(dòng)抄表技術(shù)、用戶需求響應(yīng)等，這些都是智能配電網(wǎng) 中的重要應(yīng)用。它們利用先進(jìn)的通信技術(shù)，與電力設(shè)備和控 制中心等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到自動(dòng)控制或保護(hù)的目的。 5.1 變電站自動(dòng)化控制 變電站是電力系統(tǒng)中很重要的部分，它可以調(diào)節(jié)輸電線 路的電壓和潮流。通常變電站由變壓器、電容器、電壓控制 器和斷路器等組成。變電站自動(dòng)化控制將會(huì)在智能配電網(wǎng)中廣 泛的應(yīng)用，利用地區(qū)局域網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。變電站通信 中的技術(shù)一般包括以太網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)。為了連接變電站中的 各個(gè)設(shè)備以及收集到變電站外的的電力設(shè)備的一些數(shù)據(jù)信息， 需要安裝專用的傳感器。傳感器把收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng) 傳輸?shù)娇刂浦行?，然后控制中心根?jù)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分析再把指 令發(fā)送到各個(gè)電力設(shè)備。圖1 表示的是一個(gè)典型的變電站自動(dòng) 化通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 傳感器/執(zhí)行器 協(xié)議棧 變壓器 傳感器/執(zhí)行器 協(xié)議棧 電壓調(diào)節(jié)器 傳感器/執(zhí)行器 協(xié)議棧 電路開(kāi)關(guān) 以太網(wǎng)交換機(jī) 傳感器/執(zhí)行器 協(xié)議棧 控制中心電容器 傳感器/執(zhí)行器 協(xié)議棧 圖1 變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 因?yàn)橐蕴W(wǎng)的傳輸速率和可靠性都比較高，所以在變電 站自動(dòng)控制中，骨干網(wǎng)一般都采用以太網(wǎng)通信技術(shù)。在變電站 與下面的子站及電力設(shè)備的通信選用無(wú)線網(wǎng)組成的局域網(wǎng)，因 為它的成本較低且易于擴(kuò)展維護(hù)。安裝在電力設(shè)備上的傳感器 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理后，將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸 給控制中心。當(dāng)控制中心收到這些數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過(guò)處理會(huì)作出反 應(yīng)，并給電力設(shè)備發(fā)回控制信息。由于變電站同時(shí)監(jiān)測(cè)和控制 許多設(shè)備，這些設(shè)備共享變電站的通信網(wǎng)絡(luò)帶寬。對(duì)于變電站 的數(shù)據(jù)信息，如果是用作維護(hù)，通信延時(shí)允許在 1 s 內(nèi)。如果 數(shù)據(jù)提供的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制信息，延時(shí)時(shí)間就必須在 10 ms 內(nèi)。對(duì)于緊急的信息，比如故障信息，就必須立刻傳輸給控制 中心，延時(shí)時(shí)間應(yīng)在 3 ms 內(nèi)。 5.2 自動(dòng)抄表技術(shù) 自動(dòng)抄表技術(shù)是配電發(fā)展的重大進(jìn)步，可用于減少工人 的工作量，提高效率，增加數(shù)據(jù)分析的速度。自動(dòng)抄表技術(shù) 可以看作是智能配電網(wǎng)中AMI 的部分或者是其前身。它主要 由智能電表、數(shù)據(jù)傳輸通道和主站系統(tǒng)組成。智能電表中的 采集器將電能表中的用電信息傳輸給集中器，集中器一方面向 采集器下達(dá)電量數(shù)據(jù)凍結(jié)指令，一方面將用戶用電數(shù)據(jù)等主站 需要的信息傳輸?shù)街髡緮?shù)據(jù)庫(kù)，主站系統(tǒng)通過(guò)接收到的用電 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并反饋給集中器。圖 2 所示是自動(dòng)抄表技術(shù)的 通信結(jié)構(gòu)。 自動(dòng)抄表技術(shù)在每個(gè)用戶端都安裝有智能電表，電表通 過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給主站。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，自動(dòng)抄 表系統(tǒng)可對(duì)用戶實(shí)現(xiàn)分級(jí)授權(quán)管理，并加裝防火墻及進(jìn)行數(shù)據(jù) 2 0 1 3 年 / 第1 期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 可靠傳輸 Reliable Transmission 5 3 備份。智能電表采集到的用電信息可以同時(shí)傳輸給主站控制中 心或者傳輸給用戶，在傳輸給用戶的過(guò)程中，一般允許有幾秒 的延時(shí)。 圖2 自動(dòng)抄表通信結(jié)構(gòu) 5.3 用戶需求響應(yīng)決策 在智能配電網(wǎng)中，越來(lái)越多的分布式電源接入電網(wǎng)，許 多家庭也安裝了自己的分布式電源，比如太陽(yáng)能板、小型風(fēng) 機(jī)等。由于大量的分布式電源接入，電力市場(chǎng)也變得多樣化， 實(shí)行階梯式電價(jià)將更加有利。小型或者中型的分布式電源通 過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)和電力交易平臺(tái)連接在一起。根據(jù)電力產(chǎn)生和消耗 的變化，電力市場(chǎng)中的電價(jià)將不斷變化。用戶通過(guò)之前建立的 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地獲得電價(jià)信息，從而決定何時(shí)用電或者給電網(wǎng) 供電，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和用戶的供需平衡，也保證了用戶的需求。 圖 3 所示是用戶需求響應(yīng)決策的通信結(jié)構(gòu)。 廣域通信網(wǎng)絡(luò) 局域通信網(wǎng)局域通信網(wǎng) 供應(yīng)/需求 協(xié)議棧 工業(yè)用戶 供應(yīng)/需求 協(xié)議棧 發(fā)電廠 供應(yīng)/需求 協(xié)議棧 普通用戶 供應(yīng)/需求 協(xié)議棧 普通用戶 圖3 用戶需求決策通信結(jié)構(gòu) 電力供應(yīng)者和消費(fèi)者通過(guò)廣域通信網(wǎng)絡(luò)公布他們的電力 供應(yīng)水平或者需求。用戶通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)連接到電力 市場(chǎng)中，比如普通用戶可以用 PLC 或者電話線接入，一個(gè)大 型的發(fā)電企業(yè)可能有它們專門的局域網(wǎng)連接到電力市場(chǎng)。需求 響應(yīng)的通信是實(shí)時(shí)、雙向的，而且是高可靠性的。用戶對(duì)于自 己的用電信息和實(shí)時(shí)電價(jià)會(huì)比較關(guān)心，從而決定自己用電設(shè)備 的啟停。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，他們希望需求響應(yīng)的延時(shí)時(shí)間在幾秒 之內(nèi)，以便可以隨時(shí)掌握動(dòng)態(tài)的電價(jià)信息。需要指出的是，圖 3中的普通用戶、 發(fā)電廠 、 工商業(yè)用戶之間也是可以相互通信的。 6 智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向 目前，對(duì)于智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的研究范圍已經(jīng)比較廣 泛，涉及很多方面，比如可靠的通信技術(shù)、利于統(tǒng)一的通信協(xié) 議等。然而，新興的通信技術(shù)雖然對(duì)之前的技術(shù)有了很大的改 進(jìn)，但是，如果大規(guī)模替換會(huì)導(dǎo)致話費(fèi)巨大?，F(xiàn)在各個(gè)機(jī)構(gòu) 都建立了很多通信系統(tǒng)協(xié)議，但是并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo) 致很多通信設(shè)備無(wú)法通用?？偨Y(jié)本文論述的智能配電網(wǎng)的技術(shù) 發(fā)展，未來(lái)智能配電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)的研究將側(cè)重以下內(nèi)容 ： (1) 對(duì)智能配電網(wǎng)通信的建設(shè)要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改 進(jìn)升級(jí)，而