智能电网的通信技术综述

1、智能电网通信网络研究摘要先进的通信网络技术应用于智能电网， 使电力网更加智能化。 反应速度更快的通信设备和先 进的技术减少了电网中断电、 电压骤降等现象。 促进电网智能化、 建立新的通信基础设施是 智能电网的两个主要研究方向。 近几年， 智能电网工程一直处于理论阶段， 只有少数前瞻性 的需求提出，研究工作仍处于初级阶段，对智能电网通信网并没有一个系统性全面的审查。 本文对智能电网的通信网技术进行了全面的整理、 审查， 其中包含通信网构建、 不同的通信 网技术、 QoS 技术、优化资产利用率、控制和管理等。1、 引言 电网在我们的日常生活和工业中有着举足轻重的作用。然而，电网出现了很多问题。首

2、先，相比 40 年前，电压骤降、断电、过载等现象发生频率增高。大多数断电、限电由设备 反应迟钝导致。 其次，随着人口的增加， 现有的设备老化，为新增用户添加设备加大了电力 系统的不稳定性。再次， 大量碳排放量违背了环保理念。 在美国， 电力网的碳排放量占碳总 排放量的 40%。同时考虑经济效益和环境利益，必须对现有不稳定、低效率的系统做出改进。改进后的 系统必须是可靠的、可扩展的、可管理的、 可扩展的、 可互操作的、安全的并且符合成本效 益。这样的电力基础设施被称为“智能电网” 。智能电网能够利用最低的消耗有最大的产出 量。智能电网通信不仅能够实现实时性、 可靠性、 可扩展性、 可管理性， 并

3、且是可互操作的、 安全的、面向未来的、具有经济效益的。与其他电网相比， 美国电网更加分散。 整个美国电网由多家不同的生产商和经销商组成， 而且消费者也可能成为生产商。 当消耗者反馈电能时， 如何给予消费者合理的经济效益是智 能电网面临的一个重要挑战。为了满足以上需求，急需建设实用的基础设施。因此，实现智能电网设备、 应用程序、 消费者和电网运营商之间的信息沟通很大程度上依 赖智能电网专用信息网的设计、 开发和部署。 通信网是实现智能电网自动化和互操作性的关 键。然而， 还没有一个标准化的通信网应用于智能电网的建设。大多数组织、企业和研究人 员提出了相关的如何把传统通信技术应用于智能电网的基本策

4、略。 有关智能电网通信网络化 的研究非常多。智能电网能够实现能源回馈，传回用户实时费用信息、耗电情况、 实时需求， 降低峰值需求 策略，控制电器限电，实现储能机制，提高了能源的利用水平。本文对智能电网通信网技术进行系统全面的分类和认知。 文章提到的每个方面都可能会应用 于智能电网。本文剩余内容安排如下。 第二部分介绍智能电网技术背景； 第三部分列出了智能电网中应用 的通信网技术并进行分类。第四部分对 QoS 技术以及优化问题进行阐述，并介绍了智能电 网如何控制全网的消息和数据。 第五部分提出智能电网面临的挑战和发展方向。 第六部分得 出结论。2.电网和智能电网2.1 基本电网系统 电网系统有四

5、部分组成：发电厂、变电站、配电站、终端用户。最近电网系统工作如下：首 先，是发电部分，利用风能、核能等产生电能；当电能到达用户，为满足用户，电压会进一 步降低。最后，家用电器从计量器中得到电能。见图 .12.2 什么是智能电网什么是智能电网？不同的人或组织有不同的看法。 但是众所周知， 智能电网十分依赖于通信 基础设施的构建。DOE of USA 对智能电网的定义如图 .2 所示。最底层的物理能源基础设施分配能源。在整个 供应链中， 通信基础设施定义在物理能源基础设施的上层。计算机 / 信息技术定义在第二层，用于实时决策。智能电网应用定义在最上层，创造电力系统价值。安全定义在另一个纬度， 并覆

6、盖所有的层。以下段落将系统对智能电网进行定义。通常， 智能电网是一个通信数据网， 在传输电力过程中收集并分析实时的输电、 配电和耗电 信息。 根据这些数据，智能电网给公共建设、 供应商以及用户提供预测信息和合理建议，以 便实现更好的电能管理。从另一个方面来讲，智能电网是一个复杂的系统，为此NIST 已经提供了概念性的基础构架，这个概念性的体系结构参考模型提供了一种分析使用实例的方 法，并提供实现互操作的标准化接口，促进网络安全的发展。尽管智能电网由传统电网发展而来，但是智能电网有更多的需求和新的特点，主要要求 如下：（1）AMI（ 先进的计量器） ：AMI 帮助用户了解实时电价并提供优化的电能

7、使用方案， 此外，消费者成为知情的参与者，根据自身和电力网的需求采用不同的采购模 式，这样可以确保电力系统个可靠性。（2）广域态势感知。用于监测和管理电力系统的所有组件，例如，它们的性能和行 为可以被预测或修改，可以避免或者解决潜在的紧急事件。（3）IT 网络集成。智能电网的范围（产电、输电、配电、耗电以及控制中心）以及 它的子范围将会使用各种由 IT 网络发展来的通信网。（4）互通性。智能电网将会容纳两个或以上的网络、系统、设施、应用程序或者组 件进行可靠的、有效的安全通信，而不会给用户带来任何不便。智能电网将会 成为一个互通系统。也就是说，不同的系统可以交换有用的、可操作的消息。 系统会共

8、享具有相同意义的信息，相应的消息会得到预先定义的反应。智能电 网信息传递的可靠性、保真性以及安全性必须达到一定的性能水平。（5）需求响应和消费效率。用户或消费者会降低在尖峰时间的用电量。会有相应的 节电设备帮助用户实现这一功能。综上所述， 智能电网主要实现了有效性、 可靠性、 智能性等特点。 智能电网通信存在很 多挑战和问题。例如，如何使电力生产和消费更加灵活，实现动态定价、少量能量收集、可 重复使用等。由此， 需要更新电力通信和消费设施。与此同时，在电力专网中引入公共网络 信息，产生信息的安全性和保密性等问题需要得到相应的重视。很明显，将会引入 IT 网络 脆弱性等问题。例如，黑客可以在不触

9、发计量器的情况下偷走用户电能，因此，NIST 已经发布了一个解决智能电网网络安全和隐私问题的指导方针。2.3 关键技术 为了实现智能电网的优势特点， NETL描述了五种关键技术。如下，并如图 .3 所示。2.3.1 集成通信高速率、完全集成、 双向通信技术推动智能电网成为实现实时信息、电能动态交换的“大基 础设施”。开放的体系结构会营造充分利用一个插件和播放的环境，实现网络各个组件之间 的安全对话、互听和活动。2.3.2 传感与测量 传感和测量技术会加强电力系统的测量并实现数据的信息化， 可以评估设备的性能、 电网完 整性，支持先进的继电保护，消除计量器评估，防止能源偷窃，实现需求响应并缓解拥

10、塞。2.3.3 高级组件高级组件在电网的性能方面起到很大的作用。 下一代电力系统设施将应用材料、 超导、 电力 电子和微电子技术的最新成果。 介时会电功率密度更高、 系统更加可靠、电能质量更好，电 功效率提高并能获得巨大的环境效益，实时诊断得到改进。2.3.4 先进的控制方法采用新方法监测重要组件。 诊断更加快速， 对任何事件能够做出实时正确的反应。 支持市场 定价，并提高资产管理和运营效率。2.3.5 先进的接口和决策支持 在很多情况下， 运行者需要在很短的时间内做出决定。 现代电网， 电网运营商和管理人员若 更加迅速做出决定需要依赖更广泛的、 无缝的、 实时的应用程序和工具。 先进接口的决

11、策支 持能够加强人工在电网各级的决策能力。3.1 智能电网构架 建立实用的智能电网基础设施面临的挑战有： 不同的公用企业、 用户之间的互通性和兼容性， 以及如何合理地融合新技术（智能电表基础设施） 。从长远角度设计智能电网通信网并将其融合为一个通用的模型十分有必要。文献【177】的作者 Sood 等描述了当前的 IEEE标准，标准禁止使用多个应用程序管理互联的分布式发电， 这样是有利于电网的发展的。 Sood 等强调 IEEE中 St.929-2000 已经 Std.1547-2003 指出低于 250mVA（million VA=million Watt ）的 DR（分布式资源）单元不得使用

12、监测和控制设施。这 些标准应该修改为， 无论规模大小， 智能电网都是可监测的、 可控的并且支持数据通信 【 177】。 【 176 】的作者 Chen 等认为，为了优化电能应用应当建设用于处理信息的信息通信结构。 他们强调， 一个成功的智能电网能够通过信息通信结构支持产电 （集中式的或分布式的） 消 费（瞬时的或预测的） 、储能（或者电能变换） ，以及配电消息的传递。智能电网需要引进网 格计算或者云计算来优化电能的应用。 这样， 智能电网会更坚强， 安全问题将会成为一个主 要问题。在总览智能电网通信构架之前， 需要重新认识一下智能电网的构架。 智能电网构架的建议有 三个主要来源：（1）政府组织

13、：设备的要求和智能电网的蓝图。（2）工业：通信基础设施实现的建议。（3）学术界：宏观集中定义通信架构和解决方案。表1通信 / 网络列表分类文献描述电力线通信Application ofPLC inSGPLC 在智能电力通信中的consumption181应用Packet-orientedcommunication根据 IPv6/TCP利用 PLC的protocols for SG低速率提出了一个协议栈Services over low-speed PLC182SG通信和分配的挑战Broad band overpower linescould提出基于 IP 的宽带业务accelerate the

14、Transmission SG183基于 IP 的通信网络出基于 IP 的 AMI 分配网 络；智能电网技术可以为 公用事业企业、客户提供 信息和建议优化电能使Aproposed communications 低延迟需用光学介质；提infrastructure for the Smart Grid2 Internet protocol architecture for the Smart Grid6Why IPi s the right foundation for theSmart Grid184Smart Grid leveraging intelligent communications

15、 toTransform the power in frastructure180用；信息孤岛；智能电网 通信问题和相应的互联网 构架解决方案；问题分类 及智能电网中针对产电、 输电、配电已经用户的解 决方案无线网在 SG 中的应用Wireless networks for the smart energy无线蜂窝网络构架grid:无线传感网络的变电站和Application aware networks185代Control-aware wireless sensor networkZigBee 在智能电网中的应plat form for the Smart electric用grid186

16、WSNs 应用于减少家庭用The role of pervasive and cooperative电sensor networks In Smart GridsWSNs 用于监测智能电网communication187的电压质量Wireless sensor networks for domestic认知无线电技术应用于只energy智能电网Management in Smart Grids188ZigBee 应用于智能电网面Cooperative sensor networks for临的挑战voltage qualityMcWiLL 干线通信在智能Monitoringin Smart G

17、rids189Toward a real-time cognitive radio network test bed: architecture, hardware platform, and application to Smart Grid190Frequency agility in a ZigBee network for Smart Grid application191 Applications of McWiLL broad band multimedia trunk communication technology inSmartGrid192电网中的应用QoSSmart Gr

18、id communications:QoSQoS 的互操作性、 AMI 插stovepipes or QoS件、精简系统nteroperability?193Qos 路由应用价格信号传QoS routing in SmartGrid194输New IP QoS algorithm applying for智能电网中新的基于 IP 的communicationsub-networks in Smart Grid195Qos 快速包传输算法优化Optimize sassetutilization and operates优化智能电网的整体前efficiently196景：八方面的问题和挑战Info

19、rmation aggregation and optimized传感器和执行器网络actuationin（SANETs）应用于智能电Sensor networks:enabling smart网的优化electrica lgrids197智能电网通信网了信息容Smart Grid communication network量问题capacity planning for power utilities198控制和管理Agent-basedmicro-storagemanagement for the Smart Grid199Smart Grid design for efficient a

20、nd flexible power networks operation and control200代理技术；智能电网储能 优化智能电网的智能运行和控制以及如何评估以上提出的构架都是基于整个智能电网并提出了智能电网必须实现的详细要求， 某些智能电 网的概念性框架已经被某些国际组织和公司提出：例如， DOE1、theStateofWestVirginia7 、NIST4等。DOE 智能电网系统报告建议智能电网技术构架包括以下范围：市场经营者、可靠性协调、 Gen/Load 批发商、传输提供商、平衡机构、能源服务零售商、分销商以及最终用户（工业、 商业和住宅） 。West Virginia 白皮

21、书提议智能电网框架由四部分组成： 传感与测量、先进的控制方法、改进 的接口和决策支持以及高级组件。NIST 中指出智能电网应包括以下方面：用户、市场、服务，供给、运营商、批量生成、传 输及配电。 这是目前对智能电网构架描述最充分的建议。 如图.4 所述，用户可以进一步分为 三类：家庭局域网（ HANs）、建筑局域网（ BANs）、工业局域网（ IANs）。网络可以是无线网 或有线网，能够实现智能电表、电器、能源分配设施、应用程序和消费者之间的消息传递。 通信和应用由家庭能源管理系统、或者楼宇自动化和控制系统或其他能源管理系统决定。综上所述，得出智能电网包括以下主要特点： （ 1）由多媒体传输消

22、息； （ 2）快速收集和 分析大量数据； （ 3）随着工业的发展而发展； （ 4）连接大量设备； （ 5）持续可靠； （6）连接 各种系统；（ 7）保证安全； （8）投资回报最大。根据智能电网构架，得出通信分布式构架（如图 .5 所示）。图中所示为通信网的基本框架， 并没有表示出具体技术应用应用领域。在以后的篇章中我们将描述具体技术应用。3.2 基于互联网的构架 除了国际组织对智能电网构架提出相关概念外，一些研究人员将特定技术应用于智能电网。2 的作者 Aggarwal 等提出现有的网络进行从产电到下游配电的单向通信。在智能电网中一 个消费点也可以产电。 因此，通信网必须能够将消息传送到控制中

23、心并将控制信息传送到各 个端点处， 能够作出正确的反应。与此同时， 智能电网需要实现更多的终端用户互动， 例如 实时电表监测。实现以上要求，面临的挑战如下： .严格延迟。如果控制中心错过来自传感器任何输入可能会发送错误的控制消息给电网的端 点。 延迟是在几毫秒的时间顺序。大量的消息。 随着组成成分的增加， 信息量必然增加， 网络需要实现传输大量的消息而没有 严格延迟。文章提出了基于 IP的光纤智能电网信息传输模式。第一，基于IP 的网络作为智能电网的骨干网络可以利用新的独立服务与技术， 明显降低了价格。 第二， 由于光纤通信可以较容易实 现几千兆大容量传输，从长远角度满足了智能电网大容量传输的

24、要求。文献【 6】中的定义，智能电网是一个应用于电网的数据通信网络，收集和分析关于电网的 传输、 分配和耗电的实时信息。 根据这些数据，智能电网技术可以为电力企业单位、供应商 以及用户更好的用电提供相应的信息和建议。 Cisco 指出现有的电网由孤立的信息“岛屿” 组成的，这是智能电网通信 / 网络面临的巨大挑战。由较高水平划分，智能电网可以分为两 大部分： 输电和配电， 每一部分都应用独特的数据交换规则。 但是智能电网各个组件之间的信息传输是快速的、自由的。因此，互联网构建应用于智能电网有几个优势：1、通过多媒体传输数据： IP 可以连接任意种类的数据链路层网络，包括以太网、无线网等 等。2

25、、连接大量的设备。 IPv6 技术为大型智能电网提供直接寻址和路由。3、连接各种类型的系统： IP 技术不依赖于设备的类型。 即可以识别任何基于 IP 的数据传输 系统。4、可靠性： IP 技术有更多应用于网络管理的工具和应用软件。因此， Cisco 认为， IP 协议是实现智能电网互通性和安全的最佳选择。但是，由此引入 的威胁和脆弱性带了巨大的挑战。 在智能电网中是否采用 IP 协议仍然需要更多的研究和 探索。综上所述，基于互联网的智能电网在可扩张性、安全性和互通性上有很大的优势。3.3 电力线载波通信构架 电力线载波通信一般通过布线系统传输调制载波信号。 由于电力线传输交流电， 所以在传输

26、 高频信号上有一定的局限性。 所谓的电力线互联网电力线宽带是电力线载波通信的一个 特例，即通过普通的电力线传输宽带信号。在能够高速上网的楼层， BPL 调制解调器插在 插座上把电脑和互联网连接起来【 201】。Liu 在【181】中提出了一个双向电力线载波通信模拟试点。用电力线载波通信终端从交流电线中收集消费信息。将电力线载波通信扩展到用户不仅解决了问题，同时大大降低了成本， 提高了电力通信效率。 通信技术自身特性的使电力线在高速传输消息方面有很大的瓶颈。 采 用光纤复合电缆很好解决了低速传输的瓶颈。 Liu 提出了一个协议栈把电力线载波通信物理 层通信变成一个强大的通信模型。NETL 认为智

27、能电网传输面临着很大的挑战。由于智能电网传输需要在各站以及控制中心之 间实现宽带、 低延迟传输， 以及安全链接。 他们对 BPL 是否能够大规模的应用到智能电网做 了测试。 测试结果证明， BPL只适用于中压段， 不适用于高压端。 和 AEP合作测试是结果是， 在 69KV电压下连接 5公里远的子站，传输速率达到 10MB 秒并有 5毫秒的延迟。 电力线载波通信有传输速率低的局限， 若智能电网实现可靠、 坚强的传输需要改进传输介质 或者使用特定的技术使低速率的电力线载波通信更加可靠强大。3.4 无线网 前面提到，智能电网可以分为 HANs、BANs、IANs、NANs、 FANs：无线或有线可

28、以连接公用 工程系统和客户端用于支持广泛的通信和控制应用程序， 其中包括要求响应和自动分配。 这 些网络的分布地域较广。由此，一系列的无线或有线的技术应用于智能电网网络，包括Cellular 、 RF Mesh，WLAN 802.11，WiMAX，ZigBee，McMill 等等。3.4.1 蜂窝网络Clark 在文献【 185】中认为，智能电网采纳了传感器和控制设备，无线网中的2G、3G甚至是 4G 技术都能够适用于智能电网，从而实现智能电网四个特点：应用确知的 、大量单元连接、高服务覆盖率以及优化路由数据。现在智能电网通过SCADA系统实现高压网络的监控，3G 技术应用有限。同时， 3G

29、技术可以实现低中压网络通信。由于缺乏可靠性和QoS， 3G技术只是临时的选择。因此，有必要应用4G业务如 WiMAX 或者 LTE弥补 3G技术的不足，同时 4G 技术可以实现更高宽带的传输并提供更多的信道满足智能电网日益增长的需求。3.4.2 传感网络在文献【 186】中， Gadze 提出了一种层次的无线嵌入式传感器平台，这是一个多层次、分 散的平台， 降低了恶劣的电源环境和因设备年份的不同带来的影响， 同时克服了在各个子站 或者产电设备中，因无线网本身路由损耗、阴影衰落、环境噪声等特点，而造成其性能不可 预见性的弱点。在文献【 188】中 Erol-Kantarci 和 Mouftah

30、提出了应用于家用无线传感网的 ACORD技术， 这个技术减少了家用耗电量。 TOM 和 EMUs技术支持 ACORD技术的实现。首先， TOM 技术 使计费更加灵活，计费的标准会根据高峰期、中峰期以及低峰期调整计费。其次， EMUs 接 受并且协调用户的需求。 但是， 实现过程存在挑战：首先，用户改变原来的用电方式有一定 的难度；其次，动态定价有可能造成负载震荡，产生 削峰填谷 ；再次，当协调各个应用程序 工作时，无线通道本身会产生干扰。Bisceglie 在【 189】认为，电能质量日益受到重视，如何实现大面积电压管理十分重要。文 章通过无线自组传感网实现一个充分分散化的电压质量监控体系结构

31、。 在自组网中， 每个节 点通过本地信息和交换的互信息计算自身和全网的性能。3.4.4 认知无线电网络Qiu 在【 190 】中提出了将认知无线电网络技术应用智能电网的新方法。他们认为，认知无 线电技术可以提高智能电网的安全性。网络McWill 网络是一种无线宽带多媒体集群通信系统，它采用动态信道分配和智能天线，以提 高其吞吐量。作者认为，智能电网通信需要解决三个主要问题：1、开放的集成式通信系统和完整的通信标准。2、分布式通信网络的建设。3、备份通信系统和应急调度通信系统的建设。在分析了 McWill 通信技术的优势，例如应用共享信道支持数据传输、丰富的和直观的状 态显示、 宽带传输、 IP

32、 共享等之后， 文章提出了应用于智能电网的 McWill 宽带多媒体系统。现存的应用于智能电网的无线的技术都有相同的特点： 实时性、 可靠性、可扩展性、低花 费、低延迟等。 PLC技术已经应用于智能电网满足建设要求。同时，传统的通信网络例如互 联网也已经在智能电网中得到一定程度的应用。 但据智能电网需求不同， 尤其在中低压领域， 通信 /网络采用的技术也不同，可以是无线技术或有线技术，广域网或者局域网。4 通信 / 网络中的其他问题 智能电网中有大量不同种类的系统、设备、通信媒介、协议，通信 网络的互通性成为关键 需求。必须实现 QoS 技术，同时，智能电网需优化资源利用提高产电效率。这一部分

33、主要 介绍这两个要求和特点，并对通信控制和管理做出研究。必须发展 QoS 和优化技术满足智能电网日益增长的、细化的要求。 同时，随着通信和网络技术的发展，QoS 和优化技术也随之发展。在智能电网中， 控制和管理技术处于起步阶段， 各个组织应加强合作以应对智能电网中日益 增加的设备数量。4.1QoS互通性是智能电网数据通信的关键要求【 193】。 Bakken 和 Pullman 【 193】强调在智能电网 全网中的必须支持 QoS的互通性。他们明确，存在多个非功能性的QoS 特性，如延迟、速度、保密性、关键性 / 可用性等。他们建立了一个 精干系统 将各个元素紧密的连接起来，使 各个元素不能被

34、单独分化、升级或重构。然后他们提出了从高层次到低层次支持QoS 互操作性的中间件 APIs【193】。Li 和 Zhang【 194】认为智能电网是通过价格信号控制电力负荷的新技术。为了获得正确的 实时通信价格，在价格管制中不允许存在延误或中断。由此提出了智能电网通信QoS 机制。首先， 他们通过分析电力动态市场和延迟、 中断对通信的影响以及家电产品的收入获得 QoS 要求。其次，将 QoS 推导转化为优化问题从而获得最大的回报。再次，采用简单贪婪路由 算法确保服务质量。Yang在【195】中提出传统的尽最大努力路由协议不能满足新的要求，例如信息数量和流量 种类的增加。 提出融合 MPLS和D

35、iffServ 技术的新 IP QoS算法，为 IP QoS 提供了保证服务以 及快速数据转发包。4.2 优化智能电网的目标之一就是优化资源利用，提高全网效率【196】。NETL 报告指出智能电网利用最新技术优化资源利用主要分为两个阶段： 在短期内， 依赖于正确运行日常设备， 长期内 依赖于改进的资源管理过程。 最终得到以下八个特点【 196】：提高资源利用率、 降低系统的 损耗和拥塞、改进容量规划、预测维护、减少停电时间、更好的客服服务和工作管理、更好 的操作风险管理、提高功率密度。Pendarakis 在文献【 197】中指出， SANETs已经应用于智能电网的发电和配电中。Luan 在文

36、献【 198】中指出为了适应未来实用的增长以及使用AMI 的新的应用程序，建立有足够容量的通信网络十分有必要。 通过计算流量模式、 消息数据的大小和通信协议开销获得主要路径 的通信网络流量概况。QoS 和优化是智能电网的通信 / 网络的两个关键属性。 QoS 保证了通信的可靠传输，优化资 源以及网络应用。另一方面讲，优化技术提出了实现 QoS 通信的需求。由此，运行和维护 费用以及投资会获得更大的效率。4.3 控制和管理 在智能电网中需要容纳各种生产点、 客户，实现动态电力市场、优化资产等，对运行进行监 控和管理。Momoh200 认为智能电网应该具有更强的适应性、可靠性、安全性。用户需要更高的电能 质量和更加可靠的电能供应。 由此， 他们认为智能电网需要应用智能化的互操作代理。例如远程通信、控制和优化【 200】。由于智能电网中智能化标准没有确定，并且无法衡量，他们 提出了几点智能功能目标：1、实时的相角和电压稳定性、根据智能数据实现崩溃监测和预防 。2、基于智能协调控制的无功功率监测。3、基于智能开关操作的故障分析和重新配置计划。4、利用智能开关激励载荷和振动实现发电和负载平衡，减少需求终端并控制频率。5、在配电和需求侧管理使用调峰的需求响应策略。 其中也包括增加的可再生资源的增值和 控制。在系统规划和维护水平方面有几个层次的