網絡通信驅動智能電網發展的要求和挑戰
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發表時(shi)間(jian)：2020-04-28 09:56:08
盡人皆知，中國(guo)的(de)(de)智(zhi)能電(dian)網則(ze)體現特高壓、超長(chang)距、清潔能源并(bing)網、配電(dian)自動(dong)化、用戶雙向互動(dong)等。毫(hao)無疑問，要建(jian)設經濟、高效(xiao)、可靠的(de)(de)智(zhi)能電(dian)網，離不開(kai)(kai)現代先進的(de)(de)通信(xin)技術(shu)，比如內(nei)蒙、西北的(de)(de)風電(dian)，青海西藏的(de)(de)太(tai)陽能以及其他的(de)(de)西電(dian)東送，均離不開(kai)(kai)全(quan)國(guo)性的(de)(de)調度通信(xin)網的(de)(de)實時(shi)監控與(yu)調度，以減少(shao)并(bing)網波動(dong)。
隨著中國(guo)經濟的(de)(de)(de)快(kuai)速發展，電(dian)力(li)(li)需求不(bu)斷(duan)提升，西電(dian)東(dong)送，新的(de)(de)(de)超高壓線路和(he)變電(dian)站不(bu)斷(duan)涌現(xian)，風電(dian)和(he)光(guang)電(dian)等(deng)清潔能(neng)源的(de)(de)(de)并網(wang)(wang)，這對網(wang)(wang)絡(luo)的(de)(de)(de)擴展性提出了很高要(yao)求，要(yao)求通信設(she)備(bei)具備(bei)大容(rong)量和(he)靈活配(pei)置(zhi)能(neng)力(li)(li)。智(zhi)能(neng)電(dian)網(wang)(wang)能(neng)夠實現(xian)雙向(xiang)互動。在用(yong)電(dian)側，用(yong)電(dian)設(she)備(bei)的(de)(de)(de)智(zhi)能(neng)聯網(wang)(wang)是(shi)智(zhi)能(neng)電(dian)網(wang)(wang)的(de)(de)(de)核心(xin)內容(rong)之一。
目前，電(dian)(dian)力(li)(li)系統的(de)數(shu)據(ju)通(tong)信網(wang)絡(luo)主要包括電(dian)(dian)力(li)(li)調度數(shu)據(ju)網(wang)和電(dian)(dian)力(li)(li)綜合數(shu)據(ju)網(wang)。未來的(de)電(dian)(dian)力(li)(li)通(tong)信網(wang)將在這兩張網(wang)的(de)基礎上進一(yi)步擴展(zhan)，建立起智能電(dian)(dian)網(wang)廣(guang)泛互(hu)聯的(de)堅強(qiang)通(tong)信網(wang)架構。
全球(qiu)正在開展大量活動來升(sheng)級(ji)電(dian)(dian)網(wang)，使電(dian)(dian)力能以更(geng)有(you)效、更(geng)可靠、更(geng)環保也(ye)更(geng)經濟的(de)(de)(de)方式傳(chuan)輸。其中包括升(sheng)級(ji)電(dian)(dian)網(wang)發電(dian)(dian)、輸配電(dian)(dian)和(he)計(ji)量部分所用的(de)(de)(de)各種設備和(he)技術。這些(xie)升(sheng)級(ji)活動的(de)(de)(de)一(yi)個重要方面是在各種監控(kong)和(he)計(ji)量設備中加入通(tong)信能力。目前有(you)多種無線(xian)和(he)有(you)線(xian)通(tong)信技術在世(shi)界(jie)各地進行評估和(he)部署。RF通(tong)信已成為許(xu)多地區和(he)應用的(de)(de)(de)首選技術，但也(ye)面臨著自己的(de)(de)(de)挑戰。
在電(dian)(dian)網中(zhong)加入通(tong)信能力(li)的(de)(de)一般原則(ze)是(shi)(shi)在網絡中(zhong)的(de)(de)發電(dian)(dian)點(dian)(dian)、輸配(pei)電(dian)(dian)點(dian)(dian)和用(yong)電(dian)(dian)點(dian)(dian)之間提供雙向通(tong)信。為使電(dian)(dian)網更高效地(di)運(yun)作，這(zhe)種通(tong)信鏈(lian)路是(shi)(shi)至關重(zhong)要的(de)(de)工具。然而，RF技術(shu)最(zui)初采用(yong)時并不(bu)是(shi)(shi)出于此(ci)目的(de)(de)，其(qi)初衷是(shi)(shi)讓電(dian)(dian)表(biao)(biao)(biao)、水表(biao)(biao)(biao)和煤(mei)氣表(biao)(biao)(biao)的(de)(de)抄表(biao)(biao)(biao)工作自動化，從而不(bu)需要通(tong)過人工來記錄消費(fei)數(shu)據。
這種自動(dong)抄表(biao)(AMR)系(xi)統(tong)(tong)旨在支持從電(dian)(dian)力(li)(li)(li)公(gong)司(si)到消(xiao)費者的(de)(de)單(dan)向電(dian)(dian)力(li)(li)(li)流。AMR系(xi)統(tong)(tong)還(huan)向電(dian)(dian)力(li)(li)(li)公(gong)司(si)提供單(dan)向信息(xi)流用(yong)以計(ji)費,并在一定的(de)(de)時(shi)間內傳輸用(yong)電(dian)(dian)信息(xi)。數(shu)據速率很低(di)，傳輸的(de)(de)總數(shu)據量也很少，每(mei)月通常不到1kb。目前大約(yue)有1.5億只(zhi)在用(yong)的(de)(de)電(dian)(dian)表(biao)、水(shui)表(biao)和(he)煤氣表(biao)具有通信能力(li)(li)(li)，其中大部分具有這種低(di)數(shu)據速率、單(dan)向通信能力(li)(li)(li)。
在(zai)多種(zhong)力量(liang)的(de)(de)共同(tong)推動(dong)下，一(yi)(yi)種(zhong)與上世紀所開發的(de)(de)電(dian)網截(jie)然不(bu)同(tong)的(de)(de)新(xin)型電(dian)網已浮出水面(mian)。隨(sui)著(zhu)全(quan)球(qiu)電(dian)力需求迅速增長，以及人們減少對化石燃料依(yi)賴的(de)(de)強烈(lie)愿望，新(xin)一(yi)(yi)代能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)將(jiang)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)多地來(lai)(lai)自(zi)可再生能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)，如(ru)風能(neng)(neng)和太(tai)陽能(neng)(neng)等。美國能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)部預測，未來(lai)(lai)25年(nian)全(quan)球(qiu)電(dian)力消(xiao)耗增長將(jiang)超(chao)過(guo)80%，可再生能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)將(jiang)成為第(di)二大發電(dian)來(lai)(lai)源(yuan)(yuan)。
與(yu)傳統的化石燃料發電(dian)(dian)廠相比(bi)，風能和太陽能發電(dian)(dian)更(geng)(geng)加(jia)難以預測，因而其管理系統也更(geng)(geng)加(jia)復雜。此外，來自(zi)電(dian)(dian)動汽車的電(dian)(dian)力需求預計會(hui)大幅(fu)提高，這會(hui)導致需求量不均(jun)衡(heng)。最后，為了減慢電(dian)(dian)力需求的增(zeng)長速度，企業和家庭用(yong)戶需要通過新的方(fang)式來管理用(yong)電(dian)(dian)。
因此，我(wo)們(men)需要一種擁(yong)有更高層次測量、通信、控(kong)制(zhi)和(he)保護功能(neng)的(de)“智(zhi)能(neng)電(dian)網”。“智(zhi)能(neng)電(dian)網”的(de)功能(neng)遠不(bu)止是抄表，它還可以(yi)運用雙向信息(xi)流讓通信變得更加(jia)頻繁。在智(zhi)能(neng)電(dian)網的(de)支(zhi)(zhi)持(chi)下，許多功能(neng)將得以(yi)實(shi)現，包括：平衡集中式(shi)發電(dian)廠的(de)發電(dian)量;優化電(dian)力配送;改善電(dian)力質量監控(kong)和(he)停電(dian)響(xiang)應;支(zhi)(zhi)持(chi)對最終用戶的(de)負荷量進行控(kong)制(zhi);實(shi)現按(an)天計費(fei)制(zhi);兼容多種能(neng)源，包括再(zai)生能(neng)源;支(zhi)(zhi)持(chi)遠程連接/斷(duan)開(kai);向消(xiao)費(fei)者實(shi)時反饋其需求曲線。
一旦這種通信(xin)方式部署到位，電力公司和消(xiao)費者就可以合作降低(di)耗電量，提(ti)高電網的(de)效(xiao)率和可靠性，支持電動汽車和再生能(neng)源的(de)更廣泛使用。
驅動智(zhi)能(neng)電(dian)網發展的要求和挑戰
智(zhi)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)網計(ji)劃已經(jing)啟動，并(bing)且(qie)設定(ding)了(le)一系列宏大目(mu)標(biao)。許多(duo)(duo)情況下(xia)，為了(le)實現(xian)這些目(mu)標(biao)，在(zai)我們(men)尚未充分了(le)解相關問題及(ji)(ji)(ji)其(qi)(qi)(qi)解決方案(an)之前，需要(yao)構建一個(ge)基礎設施來解決現(xian)有(you)的(de)(de)問題并(bing)迎接(jie)將來的(de)(de)挑戰。“美國(guo)能(neng)源(yuan)獨立(li)和安全(quan)法案(an)(2007)”針(zhen)對智(zhi)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)網列出了(le)10多(duo)(duo)個(ge)關鍵政策目(mu)標(biao)，其(qi)(qi)(qi)中(zhong)既(ji)有(you)籠統(tong)性的(de)(de)目(mu)標(biao)，例如“利用(yong)數字技術提高電(dian)(dian)(dian)(dian)網的(de)(de)可靠性、安全(quan)性和效率(lv)”，也有(you)更為具(ju)體的(de)(de)目(mu)標(biao)，例如“采用(yong)自動化計(ji)量、電(dian)(dian)(dian)(dian)網運作和狀態管(guan)理(li)以及(ji)(ji)(ji)分布式(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)網管(guan)理(li)”。根據(ju)這些目(mu)標(biao)，期望中(zhong)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)網應能(neng)整合分布式(shi)可再生資(zi)源(yuan)，落實需求響(xiang)應資(zi)源(yuan)，支(zhi)持(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)力儲存，支(zhi)持(chi)(chi)插電(dian)(dian)(dian)(dian)式(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽車，集(ji)成“智(zhi)能(neng)”電(dian)(dian)(dian)(dian)器和其(qi)(qi)(qi)它設備以向消費者(zhe)提供及(ji)(ji)(ji)時用(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)信息并(bing)允許其(qi)(qi)(qi)加以控制(zhi)。
除了(le)這(zhe)(zhe)些挑戰以(yi)外(wai)，并存的(de)風險(xian)要求我們(men)制定網(wang)(wang)絡安全(quan)和互(hu)通標(biao)準(zhun)。這(zhe)(zhe)些標(biao)準(zhun)將(jiang)使得電力(li)公司初(chu)期部署的(de)網(wang)(wang)絡基礎(chu)設(she)施有(you)能力(li)兼(jian)容將(jiang)來由許多公司開發的(de)數以(yi)百萬(wan)計的(de)互(hu)連設(she)備。但這(zhe)(zhe)數以(yi)百萬(wan)計能夠輕松互(hu)連的(de)節(jie)點，其中一些還能關閉(bi)或(huo)接通家(jia)庭和變電站的(de)電源(yuan)，或(huo)者向電網(wang)(wang)增(zeng)加難(nan)以(yi)控的(de)負荷，無疑會令人(ren)們(men)擔(dan)憂心懷不(bu)軌者可能通過惡意攻擊而(er)使嚴(yan)重依賴(lai)電力(li)的(de)國家(jia)癱瘓。除了(le)這(zhe)(zhe)種廣泛的(de)風險(xian)之外(wai)，還存在(zai)(zai)對個人(ren)隱私的(de)擔(dan)憂。有(you)人(ren)認為，對能源(yuan)使用情況的(de)持續跟蹤是(shi)在(zai)(zai)人(ren)們(men)的(de)家(jia)庭和生(sheng)活中打開的(de)又一扇不(bu)受歡迎的(de)數字窗戶。
所有(you)(you)這(zhe)些(xie)目(mu)標和(he)風險加在一(yi)起，代(dai)表了一(yi)個(ge)復雜(za)的(de)(de)閉環系統(tong)問題。如果只(zhi)比(bi)較智(zhi)能電(dian)網(wang)與互聯網(wang)或蜂(feng)窩(wo)網(wang)絡各自所需的(de)(de)數據速率，現(xian)有(you)(you)通信技術似(si)乎綽(chuo)綽(chuo)有(you)(you)余，但真正的(de)(de)挑戰(zhan)在于壽命、可靠性成本(ben)和(he)未來(lai)(lai)需求(qiu)之間的(de)(de)平衡。智(zhi)能電(dian)網(wang)對于電(dian)力(li)公(gong)司(si)(si)和(he)政(zheng)府來(lai)(lai)說將是一(yi)筆巨大的(de)(de)投資(Pike’sResearch估計(ji)到2015年全球(qiu)累計(ji)支出將達到2000億美元(yuan))，而且電(dian)力(li)公(gong)司(si)(si)對設(she)(she)備的(de)(de)投資還會持續20年甚至更(geng)長的(de)(de)時間。這(zhe)些(xie)通信系統(tong)要求(qiu)能夠(gou)適應未來(lai)(lai)的(de)(de)發展，設(she)(she)計(ji)留(liu)有(you)(you)足(zu)夠(gou)的(de)(de)余量，應考(kao)慮(lv)到10年后可能出現(xian)的(de)(de)問題。電(dian)力(li)公(gong)司(si)(si)和(he)設(she)(she)備供應商(shang)需要不斷(duan)比(bi)較和(he)權衡當(dang)前的(de)(de)實(shi)施成本(ben)與未來(lai)(lai)相對模糊(hu)的(de)(de)需求(qiu)。
智能電網(wang)(wang)通(tong)信(xin)：多個互(hu)連網(wang)(wang)絡(luo)
由于智(zhi)(zhi)能電(dian)網將(jiang)不同發電(dian)形式之(zhi)間的(de)(de)雙向(xiang)通(tong)信擴展(zhan)到電(dian)力消費者，因此它(ta)會涉及(ji)到多個具(ju)有不同控制、測量、數據記錄、保護(hu)和(he)優化程度的(de)(de)系統。主要的(de)(de)系統可(ke)以分為以下組別(bie)：1)輸配電(dian)現場(chang)和(he)廣域網絡(luo);2)連接(jie)到數據采(cai)集器或(huo)網絡(luo)接(jie)入點的(de)(de)智(zhi)(zhi)能表計;3)連接(jie)到家(jia)用電(dian)器或(huo)充電(dian)站的(de)(de)智(zhi)(zhi)能表計(見(jian)圖2)。
以智(zhi)能(neng)計量(liang)為(wei)中(zhong)心的(de)通(tong)信(xin)系(xi)(xi)統吸(xi)引(yin)了(le)最多的(de)目(mu)光，成(cheng)為(wei)不同技術的(de)必(bi)爭之地(di)。美國的(de)潛在表(biao)計更換量(liang)超過1.4億(yi)只，全球超過10億(yi)只，因此(ci)智(zhi)能(neng)表(biao)計代(dai)表(biao)了(le)智(zhi)能(neng)電(dian)網通(tong)信(xin)系(xi)(xi)統中(zhong)的(de)絕大部分(fen)節點(dian)，大部分(fen)成(cheng)本都集(ji)中(zhong)于此(ci)。
世界各地不同程度(du)地采(cai)用了兩種(zhong)主要(yao)的(de)競(jing)爭(zheng)技術：RF和(he)電(dian)力(li)線載波(PLC)。北美市(shi)場以RF解決方(fang)案為(wei)主。由(you)于免執照(zhao)高功率(lv)ISM頻(pin)段中存在可(ke)用的(de)頻(pin)譜(pu)，并且(qie)每個變壓器對應的(de)表計相(xiang)對較(jiao)少(shao)，因此一(yi)般(ban)來說，RF解決方(fang)案在北美市(shi)場能以較(jiao)低的(de)成本進(jin)行(xing)部署。
智(zhi)能計量RF通(tong)信技術(shu)使用現(xian)狀
進一步(bu)分析目(mu)前用來連接表計(ji)與(yu)電(dian)力公(gong)司的(de)RF系(xi)統，我(wo)們會發現另(ling)一層(ceng)次的(de)競(jing)爭技術：網格系(xi)統和星型系(xi)統。這兩種系(xi)統試(shi)圖通過不同方式應對智能計(ji)量的(de)RF挑戰。
將數百萬只表(biao)計(ji)連接(jie)到電力公司是(shi)一個(ge)巨大的挑戰。僅就美國而言，連接(jie)現有表(biao)計(ji)意味著需要創建超過1億個(ge)預定位(wei)(wei)置的RF鏈路(lu)。其(qi)中許(xu)(xu)多(duo)位(wei)(wei)置處(chu)在(zai)對(dui)RF通信(xin)不利的環境(jing)中，例如地(di)下室(shi)和混(hun)凝土(tu)墻后面。還有許(xu)(xu)多(duo)位(wei)(wei)置是(shi)在(zai)RF干擾源眾多(duo)且不斷(duan)變化(hua)的城市區(qu)域(yu)。
網(wang)格系統通過相鄰表計為單只表計創建多條連(lian)接到(dao)一(yi)個中(zhong)心采集器(qi)的較短(duan)路徑，中(zhong)心表計充當(dang)電(dian)力(li)公司廣域網(wang)的網(wang)關(guan)。目(mu)前有多家供應商提(ti)供網(wang)格系統，其數據速率(lv)通常為100-150kbps，采用FSK或(huo)擴頻調制方案，一(yi)般工(gong)作在(zai)以915MHz為中(zhong)心的ISM頻段，信道帶寬(kuan)為50-200kHz。
星(xing)型系(xi)(xi)統主(zhu)要使用(yong)特許執照頻(pin)段中的(de)(de)(de)(de)窄(zhai)帶(dai)信號(hao)來連接相距較(jiao)(jiao)遠(yuan)但數(shu)量較(jiao)(jiao)少(shao)的(de)(de)(de)(de)中心采集器。中心采集器所需的(de)(de)(de)(de)數(shu)量較(jiao)(jiao)少(shao)，位于山頂或高(gao)樓(lou)樓(lou)頂等視(shi)線清(qing)晰(xi)的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)，但其(qi)發(fa)射功率較(jiao)(jiao)高(gao)。星(xing)型系(xi)(xi)統通(tong)常采用(yong)FSK調制，其(qi)數(shu)據速率低于帶(dai)寬(kuan)較(jiao)(jiao)寬(kuan)的(de)(de)(de)(de)網格系(xi)(xi)統。除了(le)所需中心采集器的(de)(de)(de)(de)數(shu)量較(jiao)(jiao)少(shao)外，星(xing)型系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)(de)擁(yong)護者還(huan)提出它具有帶(dai)內頻(pin)譜無(wu)干擾和網絡協(xie)議更簡單的(de)(de)(de)(de)優勢。
在美國，ISM頻段(duan)和(he)特許(xu)執照頻段(duan)均已變得非常(chang)擁擠。對于網(wang)格系(xi)統(tong)和(he)星型系(xi)統(tong)，這都意味著(zhu)(zhu)干(gan)擾是必(bi)須攻克的(de)中心挑戰(zhan)。大(da)規模計量網(wang)絡(luo)的(de)部署(shu)會顯著(zhu)(zhu)提高頻譜擁擠程度，因為系(xi)統(tong)的(de)最大(da)干(gan)擾源可(ke)能(neng)正是系(xi)統(tong)本(ben)身。
這種擁(yong)擠會給(gei)無線電和網絡要求帶來嚴重影響(xiang)。例如，良好的空閑信道評估(CCA)和跳頻程序可以簡(jian)化空閑信道的查找。提高數(shu)據速率可以縮短各(ge)節(jie)點的傳輸時長，但其代價是鏈(lian)路裕量減少。對于無線電，這種擁(yong)擠還意味著(zhu)阻塞和鄰(lin)道抑(yi)制常常比接(jie)收靈(ling)敏度更緊要。
如上(shang)所(suo)述(shu)，計量基礎設(she)施的(de)主要挑戰在(zai)于表計的(de)位置是固定的(de)。它不像家用無線路由(you)器，可以通過調(diao)整方向(xiang)、高度(du)或位置來解決干擾問(wen)題。此(ci)外，為(wei)了適(shi)合現有(you)表計外殼，表計通常需要進行改裝，因此(ci)幾(ji)乎或根本(ben)不存在(zai)為(wei)增強(qiang)RF性能而改變封(feng)裝的(de)靈活性。表計一(yi)般固定在(zai)離(li)地僅一(yi)米左右的(de)厚鋼筋(jin)混凝土墻上(shang)。簡單的(de)視(shi)線模(mo)型難(nan)以有(you)效地描述(shu)信道。
需要注意(yi)的(de)干擾(rao)(rao)源因頻(pin)段(duan)(duan)和(he)地區的(de)不同(tong)而異。在美國，特許執照(zhao)頻(pin)段(duan)(duan)和(he)ISM頻(pin)段(duan)(duan)系(xi)統均存在重(zhong)大干擾(rao)(rao)源。常見干擾(rao)(rao)源包括(kuo)電視白帶(dai)信號、蜂窩載(zai)波和(he)工(gong)作(zuo)在同(tong)一(yi)頻(pin)段(duan)(duan)的(de)其它(ta)設(she)(she)備(bei)，這些設(she)(she)備(bei)可能(neng)是、也可能(neng)不是同(tong)一(yi)系(xi)統的(de)一(yi)部分。就數據包結(jie)構(gou)、調(diao)制方(fang)案選擇和(he)發射(she)頻(pin)譜符合FCC原則(ze)的(de)程(cheng)度而言(yan)，工(gong)作(zuo)在同(tong)一(yi)頻(pin)段(duan)(duan)的(de)設(she)(she)備(bei)可能(neng)不是按照(zhao)“和(he)平共處”方(fang)針進(jin)行設(she)(she)計的(de)。
對于已經部(bu)署的(de)(de)80%到(dao)90%的(de)(de)表(biao)計(ji)來說(shuo)，通(tong)信相對較(jiao)為容(rong)易。其(qi)余的(de)(de)10%到(dao)20%表(biao)計(ji)因(yin)為地理位置、物理對象、嚴(yan)重的(de)(de)局部(bu)干擾(rao)或附近噪(zao)聲(sheng)源等因(yin)素，面(mian)臨著(zhu)嚴(yan)峻的(de)(de)RF挑戰。由于無(wu)(wu)法(fa)移動存(cun)在(zai)問題的(de)(de)表(biao)計(ji)，系統層面(mian)的(de)(de)解決方案只(zhi)(zhi)有增加數據采集器或中繼(ji)器，增加PLC或蜂窩等輔助替代通(tong)信設備，或者增強無(wu)(wu)線電性能(neng)。廣泛存(cun)在(zai)的(de)(de)計(ji)量(liang)基礎設施(shi)最(zui)終必須極(ji)其(qi)魯棒(bang)，提供(gong)100%的(de)(de)覆蓋(gai)率(lv)。聯系實(shi)際來說(shuo)，大規模部(bu)署的(de)(de)電表(biao)數量(liang)可(ke)能(neng)是500萬(wan)(wan)只(zhi)(zhi)，如果覆蓋(gai)率(lv)只(zhi)(zhi)有99%，那么將有5萬(wan)(wan)只(zhi)(zhi)電表(biao)無(wu)(wu)法(fa)讀取。
智(zhi)能(neng)電網在(zai)技術、市場和社會方面帶來了許多(duo)挑戰。RF設計人員必須(xu)提出(chu)新的(de)(de)優化措施，滿足(zu)工業(ye)級(ji)產(chan)品的(de)(de)需求，使其能(neng)在(zai)日益擁擠的(de)(de)頻譜環境中數十年如一日地工作(zuo)，由此我們將獲(huo)得(de)能(neng)夠靈活適應電力需求和供應發展(zhan)的(de)(de)電網基礎設施。
Roy Du