智能電網用戶端通信技術的應用與發展

朱文灝，郭其一

(1.同濟大學 電子與信息工程學院， 上海 2018041；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海 201109)

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智能電網用戶端通信技術的應用與發展

朱文灝1，2，郭其一1

(1.同濟大學 電子與信息工程學院， 上海 2018041；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海 201109)

摘要:隨著智能電網的發展，用戶端的通信技術發展迅速。文中闡述了當前用戶端通信技術現狀，對各類通信技術的特點進行比較分析，針對通信協議種類繁多、標準不統一、難于推廣等問題提出了解決方案及通信技術集成的概念。最后，對用戶端通信技術的發展方向進行展望。

關鍵詞：智能電網用戶端；通信技術；現場總線；通信集成

0　引　言

隨著粗放的能源消耗方式導致的環境問題日益惡化，人類不得不尋找實現能源的可持續發展和環境保護的辦法。傳統的能源產業和新興的IT產業相結合的智能電網，不僅可以保證電網的可靠、安全、經濟、高效，還能接入各種可再生能源，使能源獲取多元化的智能電網的用戶端通信技術也在此背景下有了長足的發展，通信技術做為用戶端智能化的核心技術日益受到關注。本文通過對各種通信技術的特點比對， 分析了當前用戶端通信技術存在的問題，并提出了通信集成技術的未來發展方向。

1　智能電網用戶端的定義

智能電網用戶端是指使用智能電網電力能源的終端用戶設備及配套輸送和分配至終端的系統。智能電網用戶端主要包括了交流電壓1 000 V，直流電壓1 500 V以下智能電器與系統、電能管理系統、智能樓宇系統、雙向互動控制系統等。由于用戶端覆蓋面廣，體量大，其技術應用的發展水平直接影響了智能電網的發展速度和范圍。

2　智能電網用戶端通信技術分析

2.1　智能電網通信技術現狀

目前，網絡通信技術在智能電網領域應用廣泛，在發、輸、變、配、用等環節都有相應的通信標準和應用。比如，變電站與控制中心之間采用IEC61970或IEC61968標準；變電站自動化系統內部使用IEC61850標準通信。當前電網通信技術及標準種類多且兼容性不足，通信技術不能滿足不斷發展的用戶端新的要求，比如電動汽車、智能家居和智能電表等。

2.2　智能電網用戶端通信技術

智能電網用戶端涉及的領域較廣，在不同的應用領域有不同的通信技術存在，這是由于各種通信技術在不同時間階段不同行業發展有各自不同特點所形成。隨著新技術的發展，多元化的通信技術在智能電網用戶端系統中得到廣泛的應用。

(1) Internet IP

使用IP基礎網絡的優勢在于與互聯網的有效銜接。用戶端通信采用基于TCP/IP的網絡，可以非常便捷地與現有網絡互聯互通。其好處還在于大量IP成熟標準、有效工具能直接應用到用戶端的應用軟件。此外，IP基礎網絡支持帶寬共享和動態路由能力，在智能電網用戶端中對最小存取延遲，最大丟包率或最小帶寬現狀等有特殊要求的應用，一些IP如多協議標簽交換(MPLS)技術可滿足此特殊要求。

(2)光纖以太網通信

它采用光纖介質運行以太網LAN數據包。物理層和數據鏈路層以任何標準的以太網速度運行，也可以實現交換機的速率限制功能，以非標準的以太網速度運行，最高可以達到10 Gbit/s。目前光纖以太網通信在電力監控系統中已有商業化產品投入運行。

(3)電力線寬帶(BPL)

該技術采用電力線傳輸數據。通過電力調制解調器可以在一定區域內任意的電源插座上實現網絡接入。電力線寬帶在缺少其它通信網絡的地區有著廣闊的應用前景，其優點在于利用現有電力線上網而無新增通信線纜鋪設投資。但目前的BPL能夠提供的最大帶寬為4 MB。因為電力網使用的大多是非屏蔽線，電磁兼容性的問題嚴重影響網絡的傳輸速度。

(4)3G移動通信

利用現有3G移動通信可以避免建立專門的無線網絡所需的大量投資，使用方便、靈活。但若大量使用成本投入會較高，且日常的運行、管理、維護費用較高。故此通信技術適用于重要、且節點數少的遠距離智能電網用戶端通信場合。

(5)無線通信(ZigBee、WiMedia、Wi-Fi)

Wi-Fi技術具有較高的成本效益，能夠進行升級擴展以覆蓋大型地域和多個端點，且無需鋪設電纜。ZigBee通信使用跳頻擴頻無線技術，該技術具有可靠性高、傳輸速率低、傳輸距離遠的優點，由此解決了傳輸堵塞和干擾。WiMedia通信的物理層采用超寬帶標準，其解決方案的射頻覆蓋水平與ZigBee相似，其數據傳輸速率高，并具有網狀網絡功能。

(6)現場總線通信

20世紀80年代中期產生的現場總線技術，相比傳統控制系統，其特征為：數字化、全雙工傳輸、分支結構多。現場總線技術實現了工業控制系統的分散化、網絡化和智能化，導致其體系結構和功能產生重大發展。

(7) 通用工業協議(CIP)

CIP是面向對象的工業網絡控制協議。根據OSI/ISO七層協議模型，DeviceNet協議定義了七層模型中的物理層、數據鏈路層和應用層。而CIP協議是七層模型中的最上層——應用層。CIP協議是DeviceNet的應用層，同時是ControlNet、EtherNet/IP、CompoNet的應用層。DeviceNet和ControlNet、EtherNet/IP、CompoNet共用同一個應用層協議CIP，但它們有各自的數據鏈路層和物理層。

(8)工業以太網技術

當前，工業以太網技術的性能不斷提高，成本不斷下降，其在工業自動化領域的發展非常迅速。相比其它現場總線技術，以太網技術優勢有：1) 數據傳輸速率高，達到100 Mbit/s；2)不同的傳輸協議能在相同總線上共存；3)在以太網中, 數據存取技術采用變互式和開放式；4)不同的拓樸結構和不同的物理介質得以存在和運用。

3　走向集成的智能電網用戶端通信技術

3.1　集成的通信技術

在智能電網設備端，目前仍然是多種現場總線并存。從用戶角度，希望通過通信技術集成以實現各種智能元器件與控制器之間的互聯互通，但并非必須用一個通信網絡來實現所有的功能。例如：Internet網絡并非同結構的單一網絡，但用戶確能實現電子郵件、文件下載、網絡瀏覽、網上游戲等不同類型的服務。從通訊協議的構筑模型角度，大多數用戶端通訊協議均根據OSI的七層模型。當前，自底層向上定義構筑統一整體的通信協議大量存在，這使得在相同層次上的互聯性在各標準協議之間較難集成。其實，定義OSI分層模型是為了讓不同構架、不同發展階段的通訊協議能相互獨立，使其能在獨立發展的同時具備良好的互相配合、結合，增加其相互間成為一個端對端完整協議的可能。比如，以TCP/IP協議棧為核心的Internet網絡協議中，不同的應用層協議可以在上層網絡存在，而大量的不同局域網、廣域網可以在下層網絡平臺上實現。

隨著通信技術的發展，通信集成將應運而生。通信集成是指一個集成的通信軟硬件平臺融合多種通信協議及通信接口，實現不同通信技術的互通互聯。

3.2　通信技術標準的發展及融合

當前不同的通信標準均在新技術的發展推動下不斷完善，擴展自身的應用領域，以適應更多的設備應用。隨著時間的推進，各種通信標準互相滲透、延伸，標準之間的差異化在不斷縮小，逐步走向融合的特征將越來越明顯。如疊加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet這三種完全不同的通信協議平臺之上的CIP協議規范，其公共的“網絡傳輸層、應用層、用戶層”協議規范與網絡硬件技術無關，“異構網絡”下的不同通信協議之間的互聯互通得以實現。目前，不同通信協議之間可以通過通信網關方便地進行數據互通。將來，不同通信協議之間的軟硬件平臺將不斷進行集成和融合，逐步發展成集成多通信協議、互相兼容的軟硬件平臺。這將有助于用戶端的使用便利性，制造商生產的統一性，從而推動整個智能電網用戶端通信技術的應用與推廣。

參考文獻：

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[3]任雁銘，操豐梅，唐喜，等.智能電網的通信技術標準化建議[J].電力系統自動化,2011，(35):1-4,61.

運營探討

Application and Development of Communication Technology in Smart Grid User Side

ZHU Wen-hao1，2，GUO Qi-yi1

(1.Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;

2.Schneider Shanghai Low Voltage Terminal Apparatus Co., Ltd., Shanghai 201109, China)

Abstract:With the development of smart grid, the user side communication technology is in rapid development. This article firstly elaborates current status of communication technology in smart grid user side. After that the characteristics of various kinds of communication technologies are compared, communication protocols are found to have problems in great variety, disunity in communication standards and difficulty in promotion. Solutions and a new concept of merging different kinds of technologies are proposed. Finally, development trend of future communication technology in smart grid user side is discussed.

Key words:smart grid user side; communication technology; field bus; communication integration

中圖分類號：TM76

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0134-02

作者簡介：朱文灝(1977-)，男，浙江建德人，碩士，博士研究生，同濟大學電子與信息工程學院技術經理，高級工程師，研究方向：電子與信息工程。

收稿日期：2014-12-21