樂義文++和敬涵

摘 要

電力網(wǎng)絡(luò)主要是為滿足供電需求而設(shè)計(jì)，具有單向電力傳輸和供給、故障手動(dòng)恢復(fù)等特點(diǎn)，導(dǎo)致電網(wǎng)管理復(fù)雜、維護(hù)代價(jià)高。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，集成有先進(jìn)通信系統(tǒng)的智能電網(wǎng)已成為未來(lái)電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流。本文對(duì)智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了詳細(xì)構(gòu)建和描述，并對(duì)其所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入剖析，對(duì)研究用于保障關(guān)鍵信息交互的智能電網(wǎng)高可靠通信系統(tǒng)提出了有效的方向性建議。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng) 通信體系 可靠性

1 智能電網(wǎng)簡(jiǎn)介

電力網(wǎng)絡(luò)主要是為了滿足供電需求而設(shè)計(jì)，其原始設(shè)計(jì)思路相對(duì)靜態(tài)和僵化，例如電力單向傳輸、集中式的電力供給、缺乏智能化的故障診斷和信息交互機(jī)制等。而且，為了保證傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)的可靠性，往往在整個(gè)電力系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)備過(guò)量的電力容量，影響了電網(wǎng)的工作效能。多年來(lái)，盡管有現(xiàn)代化的新興信息通信技術(shù)深深地影響著電力工業(yè)，但現(xiàn)有的電力系統(tǒng)大多仍按照原來(lái)的工作模式運(yùn)作，導(dǎo)致管理復(fù)雜、維護(hù)代價(jià)高，且造成電力資源的大量浪費(fèi)。

當(dāng)前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展成為世界各國(guó)發(fā)展的一個(gè)焦點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以信息技術(shù)改造現(xiàn)有的能源利用體系，最大限度地開發(fā)電網(wǎng)體系的能源利用效率，成為電力網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究方向。智能電網(wǎng)是在這樣的背景下產(chǎn)生，是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。智能電網(wǎng)利用一些分布式數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和控制技術(shù)，以及多個(gè)供電單元之間數(shù)據(jù)和控制命令的有效傳輸技術(shù)，提高電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)換效率、電能利用率、供電質(zhì)量和可靠性等方面的性能。

2010年9月，余貽鑫院士從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性考量的角度對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行了全面的論述，對(duì)國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)的研究起到了指導(dǎo)性作用。2013年，余貽鑫院士又針對(duì)當(dāng)前智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步闡釋了智能電網(wǎng)的基本理念，對(duì)科學(xué)高效地實(shí)施智能電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要的指導(dǎo)作用。2014年，電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)智能電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行了研究，建立了多層、多級(jí)的需求體系的智能電網(wǎng)戰(zhàn)略指標(biāo)集。具體來(lái)講，智能電網(wǎng)思想是通過(guò)利用信息通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將能源資源開發(fā)、輸送、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、售電以及服務(wù)與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備和用能設(shè)施連接在一起，通過(guò)智能化控制實(shí)現(xiàn)精確供能、對(duì)應(yīng)供能、互助供能和互補(bǔ)供能等，并通過(guò)智能高效的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將能源利用效率和能源供應(yīng)安全提高到較高的水平，將污染降低到環(huán)境可接受的程度，使用戶成本和投資效益達(dá)到一種合理的狀態(tài)。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以信息技術(shù)改造現(xiàn)有的能源利用體系、最大限度地開發(fā)電網(wǎng)體系的能源利用效率，成為電力網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究方向。例如，2013年，針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行、檢修和管理過(guò)程中產(chǎn)生的海量異構(gòu)、多態(tài)、大數(shù)據(jù)的問題，華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了發(fā)電、輸變電以及用電各個(gè)環(huán)節(jié)中大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生來(lái)源和特點(diǎn)，并詳細(xì)地分析了現(xiàn)有技術(shù)在應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)和大數(shù)據(jù)處理方面的不足。

總之，智能電網(wǎng)是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，其利用一些分布式數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和控制技術(shù)、多個(gè)供電單元之間數(shù)據(jù)和控制命令的有效傳輸技術(shù)，提高電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)換效率、電能利用率、供電質(zhì)量和可靠性等方面的性能。

2 智能電網(wǎng)通信體系

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展以及科技水平的不斷提高，用戶對(duì)智能電網(wǎng)也提出了一些新的應(yīng)用需求，例如：

（1）廣泛部署分布式的新能源發(fā)電站，使得電網(wǎng)供電種類多樣化，能夠自適應(yīng)的供電以滿足不足用電量需求；

（2）用戶在智能電網(wǎng)中需要承擔(dān)更積極主動(dòng)的角色，能夠根據(jù)變化的電力供應(yīng)狀態(tài)和價(jià)格來(lái)更好的控制用戶電量的使用；

（3）在電力網(wǎng)絡(luò)不過(guò)載的情況下，大規(guī)模的融合電力移動(dòng)車載設(shè)備；

（4）融合廣泛分布的電力（電池）存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以在必要情況下就近提供電力，提高可利用率。

為了支持這些新的應(yīng)用場(chǎng)景，一種大規(guī)模的專用通信網(wǎng)絡(luò)體系需要建立，來(lái)為消費(fèi)者、電力供應(yīng)者以及電網(wǎng)設(shè)備提供可靠的雙向的交互信息。這種通信網(wǎng)絡(luò)體系為智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、自適應(yīng)配置、電力控制、用戶行為反饋等提供了技術(shù)支撐，被認(rèn)為是智能電網(wǎng)發(fā)展的一項(xiàng)核心技術(shù)。圖 1顯示了智能電網(wǎng)的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景：所有的電力設(shè)備、用戶、移動(dòng)車載以及衛(wèi)星等通過(guò)有線（電力線通信PLC/Fiber）或無(wú)線通信技術(shù)（Wi-Fi/ZigBee/WiMAX/4G）接入到核心骨干網(wǎng)，進(jìn)行信息交互。其中，在家庭網(wǎng)絡(luò)中，電器設(shè)備通過(guò)Wi-Fi/ZigBee通信技術(shù)連接到智能電力儀表，進(jìn)行電力的測(cè)量和反饋。車載供電技術(shù)Vehicle-to-Grid （V2G） 通過(guò)Wi-Fi技術(shù)來(lái)控制電動(dòng)汽車，使得其在停車期間可以對(duì)電網(wǎng)提供電力補(bǔ)償，從而提高間斷性新能源供電的穩(wěn)定性。高級(jí)檢測(cè)儀表網(wǎng)絡(luò)（Advanced Metering Infrastructure， AMI）用于連接電力檢測(cè)設(shè)備，并提供一些控制信令的傳輸。鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Neighborhood Area Networks，NAN）用于為大量的異構(gòu)傳感器提供可靠的通信服務(wù)。相量測(cè)量單元（PMU）用于提供同步、實(shí)時(shí)、高精度的電壓測(cè)量值（每秒60采樣數(shù)據(jù)）以及頻率參數(shù)。而衛(wèi)星系統(tǒng)用于連接一些特殊需求的電子設(shè)備以及供電系統(tǒng)。

3 智能電網(wǎng)通信體系面臨的挑戰(zhàn)

表1列出了現(xiàn)有電網(wǎng)與智能電網(wǎng)通信體系的一些參數(shù)對(duì)比。相比于現(xiàn)有傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，智能電網(wǎng)通信體系在多個(gè)方面更為靈活智能。但是，不得不承認(rèn)，當(dāng)前智能電網(wǎng)在可靠傳輸、故障恢復(fù)以及智能決策等方面仍面臨著一些難以解決的問題和挑戰(zhàn)，可以歸納為：

（1）缺乏容錯(cuò)能力；

（2）難以預(yù)測(cè)負(fù)載增長(zhǎng)模式；

（3）設(shè)備故障后的連鎖反映；

（4）比較慢的響應(yīng)時(shí)間，影響及時(shí)做出決策；

（5）供求平衡仍難以保證，造成斷電或電力浪費(fèi)；

（6）控制中心仍依賴于人的操作，缺乏自治能力等。

4 結(jié)論

智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的未來(lái)必然發(fā)展趨勢(shì)，而通信網(wǎng)絡(luò)體系作為智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、信息交互以及電力控制等的重要平臺(tái)，為解決智能電網(wǎng)種種不足提供了有效的解決途徑。為此，研究智能電網(wǎng)高可靠通信體系關(guān)鍵技術(shù)，有助于智能電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展以及大規(guī)模的應(yīng)用部署，為我國(guó)發(fā)展下一代智能電網(wǎng)，占領(lǐng)智能電網(wǎng)技術(shù)制高點(diǎn)具有重要的意義。

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