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简述技术发展智能配电网通信技术进展综述

最后更新时间:2024-01-09 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:6746 浏览:21923
论文导读:
摘要:智能电网的建设有利于解决能源危机和气候变暖等问题。在智能电网的研究中,智能配电网是研究的重点。要实现智能配电网,必须建立双向、高速、集成、可靠的通信系统。本文就智能配电网通信系统的发展进行了一个总结,介绍了配电网的通信现状与智能配电网对通信系统的要求,以及现有的通信系统的通信技术、标准和协议,通信系统在智能配电网中的应用,并在上述基础上,提出了未来智能配电网通信系统的发展方向。
关键词:智能电网;智能配电网;通信系统;发展方向
2095-1302(2013)01-0049-05
0 引 言
保障能源安全、应对全球气候变化是全人类所面临的重大挑战。为应对这一严峻挑战,欧洲、北美等主要发达国家于本世纪初相继提出了智能电网(Smart Grid)的建设愿景,希望用智能电网技术解决可再生能源规模化利用、资源大规模优化配置、电动汽车大规模接入等系列问题,从而达到调整能源消费结构、保证国家能源安全、降低碳排放标准等系列目的。这一设想,立即在全世界范围得到认可与响应,各国都把电力建设的重点放在了智能电网的研究与建设上。所谓智能电网,就是建立在集成的、高速双向通信网络基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现与用户的互动及电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标[1,2]。
在智能电网的建设过程中,智能配电网是其研究重点,而通信技术则是实现智能配电网的基础。没有先进的通信网络,任何智能配电网的优点都没法体现,所以,要实现智能电网的关键一步,就是建立双向、高速、集成的通信网络。
本文首先介绍配电网通信现状,然后介绍常用的几种通信方式、智能配电网通信应用的场景以及通信的标准,最后对智能配电网通信系统未来的发展方向进行了简单探讨。
1 配电网通信现状
目前,配电网的通信系统接入方式多种多样(包括PLC技术、微波、G/CDMA等),然而,配电网通信缺乏统一的网络规划,通信信道稳定性差,数据信息传输速率比较低且安全性低,技术设计和标准等存在差异,电力系统现有资源无法得到有效利用,通信的单向性导致对互动性的支撑不足,缺乏对未来新业务的扩展能力[3,4]。随着大量的分布式电源接入电网,以及用户对电能质量的要求提高,系统对电网可靠性要求增加[4],现有的配电网通信系统无法应对新的供用电形式和需求。这主要表现在以下几个方面:
(1) 智能配电网强调与用户的互动,需要双向的通信网络;
(2) 混合充电汽车的不断普及、用户需求侧响应决策等,需要配电网进行实时的监测;
(3) 随着配电网规模的不断增大,会产生越来越多的数据;
(4) 大量的分布式电源接入配电网,需要对其进行实时稳定的管理与控制。
可见,为满足智能配电网通信系统的可靠、安全、稳定的要求,需要对现有的配电网通信系统进行重新规划设计。
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2 智能配电网对通信系统的要求
为了保证智能配电网的特征能够实现,其通信系统需要满足高可靠性、安全性、实时性和灵论文导读:点分布日新月异,拓扑结构不稳定,EPON的组网难度大,后期运维和故障排查工作量较大。3.2电力线载波电力线载波通信(PLC)是一种电力系统特有的通信方式,利用现有的电力电缆作为传输媒质,通过载波方式传输语音和数据信号。在中低压配电网中,PLC可以为配电网自动化、AMI等提供数据传输通道。目前,PLC的传输速率可以达到数
活性等条件[5]。

2.1 高可靠性

高可靠性就是指数据信息能够在任何环境下传输到控制中心或者传输给子站及智能电力设备。电网的可靠性都是依靠通信网络发送和接收重要信息来维持的。可靠性在有线网络中并不是个严重的问题,但是在无线网络和PLC(电力载波通信)网络中就是个挑战了,因为它们的通信信道可能会受到外界干扰而发生变化。通信系统自己并不能够直接获得电网拓扑结构的变化,于是通信网本身就需要具有较强的鲁棒性。

2.2 安全性

随着电力网和信息网的融合,以及配电网距离的增加,有关能源分布的数据信息总是特别重要,尤其是当它们与交易信息及控制、保护有关的时候,安全问题变得非常重要。例如,如果通信方式采用无线公用网络,公用网的分享性与容易接入,使得电力数据容易获得,易被不法分子截取数据,从而进行破坏。

2.3 实时性

电网中的一些设备需要实时的数据,而电力设备的实时性需求主要依赖于应用的紧急程度。例如PMU就有严格的实时性,它提供电压和电流的实时测量,并把数据传输给控制中心进行分析控制。对于保护装置,当某处发生故障时,控制中心必须实时把控制指令发送到智能电力设备,以使其动作,切断故障,如果没有实时性的通信保障,就可能会发生电网的连锁故障。

2.4 灵活性

不同于输电网,配电网的结构总是在不断增加和改变的。对于通信系统,不仅仅是第一次安装,对于今后配电网的结构改变需要能够继续扩展而不必改变原有的通信模式,也要在运行期间易于管理和维护。除此之外,智能配电网通信系统还要支持组播技术,使得同级智能电力设备之间可以分享相关的信息。
3 常用通信方式
先进的技术和应用融合到智能配电网中,就会产生大量数据,并需要进一步分析、控制和实时管理,于是需要选取可靠、经济、双向的通信方式进行数据传输。目前,常用的通信技术分为无线通信和有线通信两种。有线通信技术包括光纤通信、电力线载波通信(PLC)、以太网无源光网络(EPON)等。无线通信技术包括ZigBee、全球微波接入系统(WiMAX)、GPRS等。有线和无线各有优缺点:无线成本较低,适用于很难达到的地区;有线相对比较稳定,可靠性较高。不同的通信方式适合于不同的环境和地区,要建立高效、可靠的智能配电网通信系统,就必须根据实际情况,几种通信方式搭配使用。下面简单地介绍几种常用通信方式。

3.1 以太网无源光网络

以太网无源光网络是无源光网络(PON)的一种,是一种点到多点结构的单纤双向光接入网络。EPON由网络侧的光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)、光分配网络(Optical Distribution Network,ODN)和用户侧的光网络单元(Optical Network Unit,ONU)组成。OLT置于中心机房,是一个多业务平台,可提供面向EPON的光纤接口。ONU放在用户设备端附近或与其合为一体,主要提供面向用户的多种业务接入。ODN完成光信号功率的分配,为OLT与ONU之间提供光传输通道。EPON系统下行传输数据采用广播方式,上行数据则采用时分多址技术(Time Division Multiplexing,TDM)。EPON的应用通常是作为骨干网络结构,即35 kV以上的电网通信。EPON的优点:一是能够提供透明宽带的传送能力,数据传输速率快;二是组网源于:论文集www.7ctime.com
灵活,能够组建复杂的混合型网络,并且根据网络节点的实际地理位置灵活联网或改变网络拓扑结构;三是维护简单,长期运营和管理成本低;四是网络可靠性以及安全性高。EPON的缺点则是建设光纤的铺设工程量大,初期投资高;同时,由于配电信息点分布日新月异,拓扑结构不稳定,EPON的组网难度大,后期运维和故障排查工作量较大。

3.2 电力线载波

电力线载波通信(PLC)是一种电力系统特有的通信方式,利用现有的电力电缆作为传输媒质,通过载波方式传输语音和数据信号。在中低压配电网中,PLC可以为配电网自动化、AMI等提供数据传输通道。目前,PLC的传输速率可以达到数十千位每秒,而随着科技的发展,其传输速率会更大。现在又出现了一种新的PLC通信技术,就是基于OFDM(正交频分复用)的PLC技术[6,7]。它对传统PLC技术论文导读:可以应用在需求响应、家庭网络自动化的应用中,以及有线通信无法达到或者需要建设成本较低的地区。GPRS的优点是传输距离较远;成本比较低。GPRS的缺点:一是由于是公网,容易接入,安全性比较差;二是稳定性较差,信号容易受干扰。表1总结了上述各种通信方式的特性及应用方式,使用时,可以通过比较并根据具体的环境选择合理的通
进行了改进,提高了可靠性和传输速率。
PLC技术主要应用在室内环境下,比如AMI的通信,而不需要安装专用的通信线路。PLC的优点是利用电力线缆作为传播媒介,建设成本较低;另外,它的通道可靠性高,抗破坏能力强。同时,PLC也有缺点:一是由于电力线信道的恶劣性,传输距离较短;二是易受电网负载和结构的影响,抗干扰能力差。

3.3 全球微波接入系统

全球微波接入系统(WiMAX)是基于IEEE 802.16x系列标准的宽带无线接入城域网技术,能够实现固定及移动用户的高速无线接入,其基本目标是为企业和家庭用户提供“最后一公里”的宽带无线接入方案。WiMAX网络体系由核心网和接入网组成。核心网包含路由器、AAA服务器、用户数据库以及网关设备,实现用户认证、漫游、网络管理等功能,并提供与其他网络之间的接口;接入网包含基站和用户站,负责为WiMAX用户提供无线接入[8]。
WiMAX技术可以应用在AMI、用户最后一公里接入等领域。其优点:一是可以通过无线方式实现宽带连接,不需要铺设线缆,组网速度快,建设成本低;二是网络覆盖面积广,只要少数基站就可以实现全城覆盖,无线信号应用范围广。WiMAX的缺点是容易受天气、地形等影响,使传输质量降低;另外,虽然技术比较成熟,但是在某些国家(比如中国)没有分配电力专用频率段。

3.4 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee可以把设备发出的信息传输给用户,而用户也可以获得他们实时的电力消费信息。
在家庭自动化、能源监测和AMI的应用中,ZigBee是个比较理想的通信技术。ZigBee的优点:一是功耗和成本低;二是容量比较大,安全性高。ZigBee的缺点是传输速率比较低,传输距离比较近;同时其抗干扰能力较差。

3.5 GPRS

GPRS是G移动电话用户可以使用的一种移动数据业务。GPRS可以说是G的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)方式来传输的,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算,并非使用其整个频道,理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56~114 kb/s[9]。
GPRS可以应用在需求响应、家庭网络自动化的应用中,以及有线通信无法达到或者需要建设成本较低的地区。GPRS的优点是传输距离较远;成本比较低。GPRS的缺点:一是由于是公网,容易接入,安全性比较差;二是稳定性较差,信号容易受干扰。
表1总结了上述各种通信方式的特性及应用方式,使用时,可以通过比较并根据具体的环境选择合理的通信方式。
4 通信标准
智能配电网通信中的许多应用、技术等已经比较成熟或者正在研究当中。现在智能配电网通信面临的主要挑战是缺乏统一的标准,这种情况影响了智能电力设备、智能电表和可再生能源的融合以及它们的相互操作。建立智能配电网通信的统一的国际标准是现在急需的,这有利于智能配电网的早日实现。表2总结了各种智能配电网通信的标准,并列出它们的应用范围。

4.1 IEEE标准

IEEE建立了很多电力系统的标准,其在电力通信方面的标准主要有以下几种:
(1) IEEE C37.1标准提供了SCADA系统与变电站自动化系统的的基础定义、规范、技术性能分析和应用。它定义了变电站中的系统结构和功能——协议选择、人机界面和执行问题。另外,它还规定了可靠性、可维护性、安全性和可扩展性等网络性能需求。
(2) IEEE 1379标准介绍了变电站中的IED (智能电力设备)和RTU(远程终端单元)之间的通信与相互操作的操作指导及实际应用。特别是该标准还描述了变电站网络通信协议栈对IEC60870和DNP3的映射。它还讨论了如何扩展在变电站中应用的数据元素和目标,以提高网络功能。
(3) IEEE 1547标准定义和描述了与电网相互连接的分布式能源,包含电力系统、信息交换和验证检验三部分。
(4) IEEE 1646标准规定了变电站内部和外部的通信传输时间的需求。这个标准把变电站通信分为几个类别,并定义了每个类别的通信延迟需求。

4.2 IEC标准

IEC在电力系统的通信和控制方面提出了许多标准。常用的如下:
(1) IEC60870提出了电力系统论文导读:通信和控制方面的许多标准。标准定义了用于电力系统控制的通信系统,通过这个标准,电力设备间可以相互操作,以实现自动管理。(2)IEC61850标准侧重于变电站的自动控制;它定义了全面的系统管理功能和通信需求,以促进变电站的管理。源于:毕业设计论文模板www.7ctime.com上一页1234
通信和控制方面的许多标准。标准定义了用于电力系统控制的通信系统,通过这个标准,电力设备间可以相互操作,以实现自动管理。
(2) IEC61850标准侧重于变电站的自动控制;它定义了全面的系统管理功能和通信需求,以促进变电站的管理。源于:毕业设计论文模板www.7ctime.com