郎 赫

(國網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司 天津300210)

4G通信技術及其在電力系統(tǒng)的應用研究

郎 赫

(國網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司 天津300210)

隨著科學技術的發(fā)展與進步，智能電網(wǎng)的特性與優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)。4G通信技術在電力系統(tǒng)中的應用被廣泛關注，結合 4G技術可以為電網(wǎng)智能化提供更加靈活、可靠的通信支撐。分析了 4G通信技術的優(yōu)勢和電網(wǎng)智能化發(fā)展的特點，討論了4G通信技術在電力系統(tǒng)中的應用前景。

電網(wǎng)智能化 4G通信技術 電力系統(tǒng)

1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)即電網(wǎng)的智能化，其建立在高速雙向集成的通信網(wǎng)絡基礎上，運用先進的傳感技術、測量技術、控制方法和決策支持系統(tǒng)技術，旨在實現(xiàn)電網(wǎng)的經濟高效、安全可靠、環(huán)境友好等目標。

1.1 先進性

智能電網(wǎng)主要包括智能調度系統(tǒng)、智能計量系統(tǒng)、智能技術系統(tǒng)等。高級智能系統(tǒng)的應用，使智能電網(wǎng)較傳統(tǒng)電網(wǎng)有以下優(yōu)勢：①利用技術支撐體系，可更加有效地抵御各類外部干擾和攻擊；通過智能調度系統(tǒng)，能夠使電網(wǎng)大規(guī)模外接清潔能源和可再生能源，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和對清潔能源的使用效率。②信息傳感器技術與電網(wǎng)設施的有機融合，可獲取電網(wǎng)的全景信息，為事故的發(fā)現(xiàn)和預見提供幫助。通過自動控制技術，在電網(wǎng)發(fā)生故障時，可以快速隔離故障并進行自我恢復。③通信技術和信息系統(tǒng)的綜合運用，可提高電網(wǎng)的綜合管理水平，使電網(wǎng)設備的運行更加經濟和高效。④通過高速率的信息傳輸技術，實現(xiàn)實時信息傳遞，全面完整地展示電網(wǎng)的運營狀態(tài)圖，為電網(wǎng)的管理提供決策支持信息和緊急情況應急預案。⑤建立電力企業(yè)和用戶互動服務模式，使用戶可以實時了解電網(wǎng)的供電能力和電價狀況等信息，幫助用戶合理安排電量使用，并且可以通過用戶的用電信息進行數(shù)據(jù)挖掘，為其提供更多的增值服務。

1.2 主要特性

1.2.1 電網(wǎng)的自愈性

自愈是指智能電網(wǎng)在出現(xiàn)故障時，能將出問題的元件從電網(wǎng)系統(tǒng)隔離并在無需人為干預或只需少量干預的情況下迅速恢復正常運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)不間斷的供電服務。自愈性提高了電網(wǎng)的可靠性和安全性，是智能電網(wǎng)最重要的特性。

1.2.2 用戶參與性

用戶參與電網(wǎng)管理是智能電網(wǎng)的另一重要特性。它既有助于平衡供求關系，減少用戶在用電高峰期的需求，從而提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；也有助于用戶選擇更經濟的時段進行電力消費。建立電網(wǎng)和用戶的雙向實時通信系統(tǒng)是實現(xiàn)用戶參與功能的基礎。實時通信系統(tǒng)能及時向用戶通知實時電價和電網(wǎng)的狀況，使用戶能根據(jù)所提供的信息設計自己的用電方案。

1.2.3 即插即用性

智能電網(wǎng)將支持不同類型、不同容量的發(fā)電和儲能設備無縫接入網(wǎng)內，為各類設備提供更加標準化的接口，類似于“即插即用”。該特性使智能電網(wǎng)更易同時利用各種各樣的分布式電源接入，減少對單一能源的依賴，提高供電穩(wěn)定性和電能質量。

1.2.4 資產利用高效性

智能電網(wǎng)可以通過優(yōu)化企業(yè)資產組合，調整電網(wǎng)資產管理，使網(wǎng)內各項資源得到最大限度的利用。電網(wǎng)通過高速網(wǎng)絡通信獲取設備的運行狀態(tài)，對設備進行在線狀態(tài)監(jiān)測，保證設備運行保持在最佳狀態(tài)。智能系統(tǒng)控制裝置還可以根據(jù)用電情況調整為最低損耗狀態(tài)，選擇最小成本進行能源輸送。

智能電網(wǎng)的特性幫助用戶更加合理地利用電力資源，更好地監(jiān)控電網(wǎng)設備，更科學地進行資源管理。而這些功能實現(xiàn)的關鍵在于將高速通訊網(wǎng)絡和可視化技術、電力監(jiān)視和控制器件集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)內。

1.3 關鍵技術

1.3.1 通信技術

智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)保護和數(shù)據(jù)控制都需要高速的實時通信系統(tǒng)的支持，因此，高速、雙向的實時通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)諸多特性的基礎，是電力企業(yè)邁向智能電網(wǎng)的第一步。除此之外，通信系統(tǒng)還要具有深入到千家萬戶的能力，這樣才能將兩個網(wǎng)絡緊密地聯(lián)系在一起，形成網(wǎng)絡系統(tǒng)，以實現(xiàn)建設智能電網(wǎng)的目標。

對于通信技術而言，除需滿足高速、雙向、實時性外，還應具備以下兩個特點：①開放的通信架構，它能為智能電網(wǎng)提供一個即插即用的環(huán)境，使電網(wǎng)不同元件間能夠通信；②統(tǒng)一的通信標準，它能使電網(wǎng)系統(tǒng)的設備和系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫通信。

1.3.2 量測技術

量測設備和技術主要用于智能電網(wǎng)進行設備的狀況評估、電網(wǎng)完整性檢查、電費計算和用戶數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。先進的參數(shù)量測技術可以為電力企業(yè)提供更詳細的設備信息和用戶使用信息，企業(yè)可通過數(shù)據(jù)處理技術為電力系統(tǒng)維護、決策制定和服務創(chuàng)新等提供支持。

1.3.4 控制技術

控制技術是智能電網(wǎng)中通過預測、分析和診斷設備狀態(tài)來確定設備問題并采取適當措施進行故障預防和故障修復的裝備和算法，旨在實現(xiàn)智能電網(wǎng)消除或減輕供電中斷，提高供電穩(wěn)定性的目標。智能電網(wǎng)控制技術可提供對輸、配電和用戶供電的控制方法并實現(xiàn)對整個電網(wǎng)有功和無功管理。

先進的控制技術和高速通信系統(tǒng)的結合是智能電網(wǎng)實現(xiàn)其自愈特性的基礎和保障，可極大地提高電網(wǎng)運行的可靠性。先進的控制技術還能夠支持分布式智能軟件、分析工具等，為企業(yè)提供市場分析數(shù)據(jù)和資產管理數(shù)據(jù)。

2 4G通信技術綜述

4G通信是第四代移動通信的總的稱呼，是國際電信聯(lián)盟(ITU)將移動通信系統(tǒng)同其他系統(tǒng)(無線局域網(wǎng)等)結合制定的系統(tǒng)標準，具有比 3G通信更高的數(shù)據(jù)率和頻譜利用率，其網(wǎng)絡速率的下行峰值速率可達 100,Mbps，通信質量明顯高于3G通信。4G技術可實現(xiàn)無線網(wǎng)絡、局域網(wǎng)、藍牙、衛(wèi)星通信等的無縫銜接，還具有很高的系統(tǒng)兼容性、安全性、智能性和靈活性。4G通信技術如今已經被廣泛應用于網(wǎng)絡視頻直播和視頻通話等服務中。

2.1 4G通信技術的特點

①高速率。采用 4G通信技術的信息傳輸速率可達到10,Mbit/s。②靈活性強。4G技術可自適應地進行資源分配，對信道條件不同的環(huán)境采用智能信號處理技術，使信號的正常收發(fā)不受環(huán)境影響。③用戶共存性高。4G技術能根據(jù)各種用戶設備進行自適應處理，使高、低速用戶能夠并存，從而滿足多類型用戶的需求。④兼容性好。4G標準的制定可以解決CDMA、TDMA和GSM三大移動通信標準分支的兼容性問題。⑤完全自治的網(wǎng)絡結構。4G網(wǎng)絡擁有一個完全自治的網(wǎng)絡結構，可根據(jù)情況自動管理、動態(tài)改變自身的結構，以滿足通信系統(tǒng)的變化和發(fā)展。

2.2 4G網(wǎng)絡結構特點

4G網(wǎng)絡結構為3層網(wǎng)絡，即物理網(wǎng)絡層、中間環(huán)境層、應用網(wǎng)絡層。3層網(wǎng)絡之間的接口是開放的，為開發(fā)商提供了便利的開發(fā)和服務平臺。4G網(wǎng)絡可提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務，能運行于多個頻帶，自適應于多個無線標準和多模終端，并能跨越多個服務運營商，提供更大的服務范圍。

4G網(wǎng)絡具有如下特點：①4G網(wǎng)絡具有更加開放、靈活的結構，是一個可重構、自組織、自適應的網(wǎng)絡。②它與 Internet集成統(tǒng)一，將移動通信網(wǎng)作為一個無線接入網(wǎng)，具有支持系統(tǒng)通用接入的基礎結構和接入技術同網(wǎng)絡技術可以各自獨立發(fā)展的特點。③4G網(wǎng)絡擁有智能化的環(huán)境，可將不同系統(tǒng)連接為一個整體進行無縫切換，以滿足用戶的各種需求。

2.3 主要技術

2.3.1 OFDM調制技術

OFDM 調制技術是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術，其主要思想是在頻域范圍內將給定信道分成多個正交子信道，并對每個子信道上的子載波進行調制，同時并行傳輸各子載波，這樣就能在信號傳輸過程中不受信道的頻率響應曲線非平坦這一因素的影響，保證每個子信道的相對平坦。該技術采用子信道窄帶傳輸，其信號帶寬小于信道帶寬，有利于消除信號間的干擾，對抗頻率選擇性衰落，提高頻譜利用率。該技術可以滿足無線多媒體業(yè)務對數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸質量的高要求。

2.3.2 軟件無線電技術

軟件無線電是利用軟件加載方式，將模塊化的硬件功能單元通過某種公共平臺，實現(xiàn)多種無線電系統(tǒng)相互通信的一種開放式結構的技術。針對不同的無線電系統(tǒng)，通過相應軟件程序，使其能在硬件平臺上利用單一終端漫游。其主要思想是在靠近天線的地方盡量使用寬帶模數(shù)轉換和數(shù)模變換器，從而能更多地利用軟件來實現(xiàn)無線功能。其軟件系統(tǒng)包括無線信令處理軟件、調制解調算法軟件、信源編碼軟件、信號流變換軟件、信道糾錯軟件、數(shù)字信號處理軟件等；硬件系統(tǒng)主要涉及數(shù)字信號處理硬件、現(xiàn)場可編程器件等。

2.3.3 智能天線技術

智能天線技術是在基站端使用天線陣進行射頻信號的收發(fā)，利用基帶數(shù)字信號處理器合并各天線鏈路上接收到的信號，實現(xiàn)上行波束賦形，是移動通信領域的關鍵技術，具有抗干擾、自動跟蹤及波束調節(jié)等功能。

智能天線主要有全自適應和多波束切換波束兩種工作方式。全自適應方式是理論上的最優(yōu)解決方案，但受制于硬件條件和技術限制，在干擾較多的信道條件下，可能出現(xiàn)錯誤收斂等問題，難以對用戶進行實時跟蹤。多波束切換波束方式是用波束將全空域分割覆蓋，擁有不同的權值和不同的主瓣指向，接收信號時根據(jù)權值挑選工作模式，其技術相比自適應方式更容易實現(xiàn)。

2.3.4 多輸入多輸出技術

多輸入多輸出技術是指在基站和移動終端都配置多個天線，為通訊系統(tǒng)提供空間復用和分集增益。空間復用是利用信號傳播中的多徑分量，使用同一頻帶上的多個子信道發(fā)射信號?？臻g分集分為發(fā)射分集和接收分集兩類，空間分集技術與信道編碼技術的結合可獲得高空時編碼增益和分集增益。多輸入多輸出技術具有高頻譜利用率的優(yōu)點，可顯著提高無線系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍。

除以上主要技術外，4G通信技術還包含交互干擾抑制和多用戶識別技術、可重構性自愈網(wǎng)絡技術、嵌入式無線電接收技術和無線接入網(wǎng)技術等。這些技術的應用使得4G通信擁有傳播速度快、信號傳輸質量高和傳播方便等特點，在各個領域得到了廣泛的應用，特別是其與電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)的融合，將為智能電網(wǎng)的遠程監(jiān)控以及實地監(jiān)測提供良好的網(wǎng)絡條件。

3 4G通信技術在智能電網(wǎng)中的應用和意義

3.1 通信技術在電網(wǎng)發(fā)展中的應用

通信技術在我國電網(wǎng)系統(tǒng)中的初期應用，以電力載波通信和微波通信最為普遍。這兩種通信方式的規(guī)模范圍都相對偏小，其實際應用所需的專業(yè)技術相對比較簡單，提供的功能也相對單一。隨著各項新科技在人們日常生活中的應用，人們對用電量的需求和電力企業(yè)的配套服務有了更高的要求。這使得電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大、復雜程度不斷提高，給電網(wǎng)的管理和維護帶來了更高的要求，導致傳統(tǒng)的主要通過電話指揮的通信運營方式已不能滿足高速發(fā)展的電網(wǎng)需求。

隨著智能電網(wǎng)概念的出現(xiàn)和快速發(fā)展，電力通信技術伴隨其發(fā)展過程也歷經了從電纜傳輸?shù)焦饫w傳輸?shù)纳壓娃D變。高速的通信技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術的結合形成了智能電網(wǎng)的“神經系統(tǒng)”，是智能電網(wǎng)正常運行的重要基礎，對電力系統(tǒng)有著至關重要的作用。

3.2 4G通信技術在智能電網(wǎng)中的應用

3.2.1 在配電網(wǎng)自動化領域中的應用

配電網(wǎng)自動化是對配電網(wǎng)通過綜合計算機、自動化、通信等技術手段，進行智能化監(jiān)控管理，保證配電網(wǎng)的運行狀態(tài)和環(huán)境安全與可靠。配電網(wǎng)自動化有點多、面廣和變動頻繁等特點，這對通信提出了很高的要求。目前配電網(wǎng)自動化采用的主要通信方式是電力線載波通信和光線通信。電力線載波通信具有成本低廉、建設方便等優(yōu)點，但其信號不穩(wěn)定且易受環(huán)境干擾。光纖通信的信號傳輸質量和穩(wěn)定性都很高，但光纖網(wǎng)絡的建設和維護較困難，頻繁調整的網(wǎng)絡對其穩(wěn)定運行影響很大。4G通信技術的靈活、高速和穩(wěn)定等特點都很好地避免了上述兩種通信手段的缺點，其具有的維護方便，可靈活調整網(wǎng)絡的特性，以及傳輸?shù)母咚俣?、高質量等優(yōu)點，決定了其將成為配網(wǎng)自動化領域的主要通信載體。

3.2.2 在風電場中的應用

風能是世界范圍內廣泛使用的主要清潔能源之一，是智能電網(wǎng)清潔能源的重要供給。但是，由于風力發(fā)電設備往往處于層巒起伏的山頂，其與智能電網(wǎng)系統(tǒng)間的通信一直是個難以解決的問題。傳統(tǒng)的載波通信在山區(qū)中的通信質量會受到嚴重影響，而光纖通信也會面臨因山高林密帶來的施工和維護等方面的困難，并且建設成本極高。反觀 4G通信，采用OFDM調制技術，具有很高的抗干擾和抗衰減能力，能有效克服風力發(fā)電場的諸多不利因素，將成為風電通信的主要選擇。

3.2.3 在智能變電站站內通信的應用

目前我國智能變電站普遍采用光纖通信方式，通過光纖傳輸可以保證信號傳輸質量、同時避免相互干擾。但光纖通信需要鋪設大量通信線路，而變電站空間有限，在站內狹小的場地里施工和維護的難度較高。4G通信是無線傳輸，同時還具有很高的抗干擾能力，可避免光纖通信帶來的走線問題，因此4G 通信技術的應用勢必能在智能變電站站內起到關鍵的作用。

3.2.4 在遠程稽查領域中的應用

電網(wǎng)的安全管控工作通常由專人采用現(xiàn)場稽查的方式，其防控效果雖好，但由于通電網(wǎng)絡體系龐雜、分布區(qū)域廣泛，電力企業(yè)受人力、物力限制，很難做到稽查管控面面俱到。對于地處偏遠的區(qū)域，管控難度大，各種竊電行為較為常見。利用4G通信技術提供的遠程視屏功能，將現(xiàn)場配備視頻采集系統(tǒng)和監(jiān)控站通過4G網(wǎng)絡連接，設置少量監(jiān)控人員便可對大多數(shù)現(xiàn)場實行監(jiān)管。24小時的視頻采集對不法分子也有一定的警示作用，降低其違法犯罪的可能。

3.3 4G通信技術在智能電網(wǎng)建設過程中的重要意義

智能電網(wǎng)的優(yōu)越性已被全世界所認可，世界各國都在加緊建設符合本國國情的智能電網(wǎng)。我國也制定了具體的建設方案，電網(wǎng)智能化的腳步已逐漸加快，進入了高速發(fā)展階段。隨著電網(wǎng)智能化的發(fā)展，各類新型技術已經開始應用其中并獲得了良好的效果?，F(xiàn)階段，4G通信技術和智能電網(wǎng)的結合還處于初步的實踐階段，4G技術的應用仍主要停留在傳統(tǒng)通信技術所提供的功能范疇，尚未完全發(fā)掘 4G技術的潛力，沒有充分體現(xiàn) 4G技術的優(yōu)越性。4G通信技術的不斷完善和成熟使得其在電網(wǎng)智能化發(fā)展中的作用還將不斷取得突破。

信息傳輸?shù)母咚俣?、高質量、實時和雙向性等是 4G通信技術對智能電網(wǎng)建設的價值所在，智能電網(wǎng)在發(fā)展過程中若能更好地結合 4G通信技術，必然能帶來自身的高速發(fā)展，同時智能電網(wǎng)也能夠運用 4G通信技術而實現(xiàn)更高的智能化標準。甚至可以說，4G通信技術是智能電網(wǎng)的中樞神經。智能電網(wǎng)中應用4G通信技術之后，可以提供更加優(yōu)化的網(wǎng)絡來滿足客戶的需求，提供更為簡單、靈活的電網(wǎng)接入方式，提供更加標準化的高質量服務。發(fā)展智能化電網(wǎng)是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，加緊 4G通信技術的研發(fā)是實現(xiàn)該目標的基本保障。

4 結 語

本文通過對智能化電網(wǎng)的特點和技術進行分析，說明了通信技術是更好地實現(xiàn)智能電網(wǎng)的關鍵。4G通信技術作為跨時代的技術產物，其各項技術指標對比 2G、3G技術都有了質的飛躍，并且擁有了許多新的特性。4G通信技術的應用，是當前電網(wǎng)智能化的最優(yōu)選擇，也是其發(fā)展的必然趨勢。這歸因于智能電網(wǎng)發(fā)展過程中面臨的許多傳統(tǒng)通信方式不能解決的問題，都能夠通過 4G通信技術的應用得到有效的解決。當然，隨著4G通信技術應用的深入，也不可避免會帶來很多新的問題。因此，我國已加大對4G通信技術的研發(fā)力度，加強了4G技術在智能電網(wǎng)中的應用實踐。隨著研究的深入，有理由相信其將對我國電網(wǎng)的發(fā)展乃至社會的發(fā)展產生重要的影響，4G通信技術在電力系統(tǒng)中的應用必定會成為今后智能電網(wǎng)系統(tǒng)通信發(fā)展的重要方向?！?/p>

［1］ 謝景賢. 4G通信技術的創(chuàng)新與發(fā)展[J]. 信息通信，2012(4)：207-208.

［2］ 李佳航，李梓聞，張若陽. 智能電網(wǎng)通信技術的探究[J]. 電子制作，2013(6)：167.

［3］ 楊超，梅康，陳金鷹，等. 4G 通信技術及其應用前景[J]. 通信與信息技術，2011(3)：58-60.

4G Communication Technology and Their App lications in Electrical Power Systems

LANG He
(State Grid Tianjin Electric Power Company Information Communication Corp.，Tianjin 300210，China)

Follow ing the progress of science and technology，characteristics and advantages of an intelligent power grid are becoming more evident and the application of 4G communication technology in power systems has attracted w idespread interests as these technologies can offer more flexible and reliable communication support to the intelligent trend of power grids. Through analyzing advantages of 4G technology and features of the intelligent trend of power grids，this paper discusses the application prospect of 4G technology in electric power systems.

intelligent power grid；4G communication technology；electric power system

TN915.5

：A

：1006-8945(2015)03-0044-03

2015-02-09