4G通信技術及其在電力系統的應用研究

郎 赫

(國網天津市電力公司信息通信公司 天津300210)

4G通信技術及其在電力系統的應用研究

郎 赫

(國網天津市電力公司信息通信公司 天津300210)

隨著科學技術的發展與進步，智能電網的特性與優勢逐步顯現。4G通信技術在電力系統中的應用被廣泛關注，結合 4G技術可以為電網智能化提供更加靈活、可靠的通信支撐。分析了 4G通信技術的優勢和電網智能化發展的特點，討論了4G通信技術在電力系統中的應用前景。

電網智能化 4G通信技術 電力系統

1 智能電網

智能電網即電網的智能化，其建立在高速雙向集成的通信網絡基礎上，運用先進的傳感技術、測量技術、控制方法和決策支持系統技術，旨在實現電網的經濟高效、安全可靠、環境友好等目標。

1.1 先進性

智能電網主要包括智能調度系統、智能計量系統、智能技術系統等。高級智能系統的應用，使智能電網較傳統電網有以下優勢：①利用技術支撐體系，可更加有效地抵御各類外部干擾和攻擊；通過智能調度系統，能夠使電網大規模外接清潔能源和可再生能源，提升電網的穩定性和對清潔能源的使用效率。②信息傳感器技術與電網設施的有機融合，可獲取電網的全景信息，為事故的發現和預見提供幫助。通過自動控制技術，在電網發生故障時，可以快速隔離故障并進行自我恢復。③通信技術和信息系統的綜合運用，可提高電網的綜合管理水平，使電網設備的運行更加經濟和高效。④通過高速率的信息傳輸技術，實現實時信息傳遞，全面完整地展示電網的運營狀態圖，為電網的管理提供決策支持信息和緊急情況應急預案。⑤建立電力企業和用戶互動服務模式，使用戶可以實時了解電網的供電能力和電價狀況等信息，幫助用戶合理安排電量使用，并且可以通過用戶的用電信息進行數據挖掘，為其提供更多的增值服務。

1.2 主要特性

1.2.1 電網的自愈性

自愈是指智能電網在出現故障時，能將出問題的元件從電網系統隔離并在無需人為干預或只需少量干預的情況下迅速恢復正常運行狀態，從而實現不間斷的供電服務。自愈性提高了電網的可靠性和安全性，是智能電網最重要的特性。

1.2.2 用戶參與性

用戶參與電網管理是智能電網的另一重要特性。它既有助于平衡供求關系，減少用戶在用電高峰期的需求，從而提高供電系統的穩定性；也有助于用戶選擇更經濟的時段進行電力消費。建立電網和用戶的雙向實時通信系統是實現用戶參與功能的基礎。實時通信系統能及時向用戶通知實時電價和電網的狀況，使用戶能根據所提供的信息設計自己的用電方案。

1.2.3 即插即用性

智能電網將支持不同類型、不同容量的發電和儲能設備無縫接入網內，為各類設備提供更加標準化的接口，類似于“即插即用”。該特性使智能電網更易同時利用各種各樣的分布式電源接入，減少對單一能源的依賴，提高供電穩定性和電能質量。

1.2.4 資產利用高效性

智能電網可以通過優化企業資產組合，調整電網資產管理，使網內各項資源得到最大限度的利用。電網通過高速網絡通信獲取設備的運行狀態，對設備進行在線狀態監測，保證設備運行保持在最佳狀態。智能系統控制裝置還可以根據用電情況調整為最低損耗狀態，選擇最小成本進行能源輸送。

智能電網的特性幫助用戶更加合理地利用電力資源，更好地監控電網設備，更科學地進行資源管理。而這些功能實現的關鍵在于將高速通訊網絡和可視化技術、電力監視和控制器件集成在統一的系統內。

1.3 關鍵技術

1.3.1 通信技術

智能電網的數據獲取、數據保護和數據控制都需要高速的實時通信系統的支持，因此，高速、雙向的實時通信系統是實現智能電網諸多特性的基礎，是電力企業邁向智能電網的第一步。除此之外，通信系統還要具有深入到千家萬戶的能力，這樣才能將兩個網絡緊密地聯系在一起，形成網絡系統，以實現建設智能電網的目標。

對于通信技術而言，除需滿足高速、雙向、實時性外，還應具備以下兩個特點：①開放的通信架構，它能為智能電網提供一個即插即用的環境，使電網不同元件間能夠通信；②統一的通信標準，它能使電網系統的設備和系統之間實現無縫通信。

1.3.2 量測技術

量測設備和技術主要用于智能電網進行設備的狀況評估、電網完整性檢查、電費計算和用戶數據統計等。先進的參數量測技術可以為電力企業提供更詳細的設備信息和用戶使用信息，企業可通過數據處理技術為電力系統維護、決策制定和服務創新等提供支持。

1.3.4 控制技術

控制技術是智能電網中通過預測、分析和診斷設備狀態來確定設備問題并采取適當措施進行故障預防和故障修復的裝備和算法，旨在實現智能電網消除或減輕供電中斷，提高供電穩定性的目標。智能電網控制技術可提供對輸、配電和用戶供電的控制方法并實現對整個電網有功和無功管理。

先進的控制技術和高速通信系統的結合是智能電網實現其自愈特性的基礎和保障，可極大地提高電網運行的可靠性。先進的控制技術還能夠支持分布式智能軟件、分析工具等，為企業提供市場分析數據和資產管理數據。

2 4G通信技術綜述

4G通信是第四代移動通信的總的稱呼，是國際電信聯盟(ITU)將移動通信系統同其他系統(無線局域網等)結合制定的系統標準，具有比 3G通信更高的數據率和頻譜利用率，其網絡速率的下行峰值速率可達 100,Mbps，通信質量明顯高于3G通信。4G技術可實現無線網絡、局域網、藍牙、衛星通信等的無縫銜接，還具有很高的系統兼容性、安全性、智能性和靈活性。4G通信技術如今已經被廣泛應用于網絡視頻直播和視頻通話等服務中。

2.1 4G通信技術的特點

①高速率。采用 4G通信技術的信息傳輸速率可達到10,Mbit/s。②靈活性強。4G技術可自適應地進行資源分配，對信道條件不同的環境采用智能信號處理技術，使信號的正常收發不受環境影響。③用戶共存性高。4G技術能根據各種用戶設備進行自適應處理，使高、低速用戶能夠并存，從而滿足多類型用戶的需求。④兼容性好。4G標準的制定可以解決CDMA、TDMA和GSM三大移動通信標準分支的兼容性問題。⑤完全自治的網絡結構。4G網絡擁有一個完全自治的網絡結構，可根據情況自動管理、動態改變自身的結構，以滿足通信系統的變化和發展。

2.2 4G網絡結構特點

4G網絡結構為3層網絡，即物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。3層網絡之間的接口是開放的，為開發商提供了便利的開發和服務平臺。4G網絡可提供無縫高數據率的無線服務，能運行于多個頻帶，自適應于多個無線標準和多模終端，并能跨越多個服務運營商，提供更大的服務范圍。

4G網絡具有如下特點：①4G網絡具有更加開放、靈活的結構，是一個可重構、自組織、自適應的網絡。②它與 Internet集成統一，將移動通信網作為一個無線接入網，具有支持系統通用接入的基礎結構和接入技術同網絡技術可以各自獨立發展的特點。③4G網絡擁有智能化的環境，可將不同系統連接為一個整體進行無縫切換，以滿足用戶的各種需求。

2.3 主要技術

2.3.1 OFDM調制技術

OFDM 調制技術是一種無線環境下的高速傳輸技術，其主要思想是在頻域范圍內將給定信道分成多個正交子信道，并對每個子信道上的子載波進行調制，同時并行傳輸各子載波，這樣就能在信號傳輸過程中不受信道的頻率響應曲線非平坦這一因素的影響，保證每個子信道的相對平坦。該技術采用子信道窄帶傳輸，其信號帶寬小于信道帶寬，有利于消除信號間的干擾，對抗頻率選擇性衰落，提高頻譜利用率。該技術可以滿足無線多媒體業務對數據傳輸速率和傳輸質量的高要求。

2.3.2 軟件無線電技術

軟件無線電是利用軟件加載方式，將模塊化的硬件功能單元通過某種公共平臺，實現多種無線電系統相互通信的一種開放式結構的技術。針對不同的無線電系統，通過相應軟件程序，使其能在硬件平臺上利用單一終端漫游。其主要思想是在靠近天線的地方盡量使用寬帶模數轉換和數模變換器，從而能更多地利用軟件來實現無線功能。其軟件系統包括無線信令處理軟件、調制解調算法軟件、信源編碼軟件、信號流變換軟件、信道糾錯軟件、數字信號處理軟件等；硬件系統主要涉及數字信號處理硬件、現場可編程器件等。

2.3.3 智能天線技術

智能天線技術是在基站端使用天線陣進行射頻信號的收發，利用基帶數字信號處理器合并各天線鏈路上接收到的信號，實現上行波束賦形，是移動通信領域的關鍵技術，具有抗干擾、自動跟蹤及波束調節等功能。

智能天線主要有全自適應和多波束切換波束兩種工作方式。全自適應方式是理論上的最優解決方案，但受制于硬件條件和技術限制，在干擾較多的信道條件下，可能出現錯誤收斂等問題，難以對用戶進行實時跟蹤。多波束切換波束方式是用波束將全空域分割覆蓋，擁有不同的權值和不同的主瓣指向，接收信號時根據權值挑選工作模式，其技術相比自適應方式更容易實現。

2.3.4 多輸入多輸出技術

多輸入多輸出技術是指在基站和移動終端都配置多個天線，為通訊系統提供空間復用和分集增益。空間復用是利用信號傳播中的多徑分量，使用同一頻帶上的多個子信道發射信號。空間分集分為發射分集和接收分集兩類，空間分集技術與信道編碼技術的結合可獲得高空時編碼增益和分集增益。多輸入多輸出技術具有高頻譜利用率的優點，可顯著提高無線系統的容量及覆蓋范圍。

除以上主要技術外，4G通信技術還包含交互干擾抑制和多用戶識別技術、可重構性自愈網絡技術、嵌入式無線電接收技術和無線接入網技術等。這些技術的應用使得4G通信擁有傳播速度快、信號傳輸質量高和傳播方便等特點，在各個領域得到了廣泛的應用，特別是其與電力系統智能電網的融合，將為智能電網的遠程監控以及實地監測提供良好的網絡條件。

3 4G通信技術在智能電網中的應用和意義

3.1 通信技術在電網發展中的應用

通信技術在我國電網系統中的初期應用，以電力載波通信和微波通信最為普遍。這兩種通信方式的規模范圍都相對偏小，其實際應用所需的專業技術相對比較簡單，提供的功能也相對單一。隨著各項新科技在人們日常生活中的應用，人們對用電量的需求和電力企業的配套服務有了更高的要求。這使得電網規模不斷擴大、復雜程度不斷提高，給電網的管理和維護帶來了更高的要求，導致傳統的主要通過電話指揮的通信運營方式已不能滿足高速發展的電網需求。

隨著智能電網概念的出現和快速發展，電力通信技術伴隨其發展過程也歷經了從電纜傳輸到光纖傳輸的升級和轉變。高速的通信技術、計算機技術和網絡技術的結合形成了智能電網的“神經系統”，是智能電網正常運行的重要基礎，對電力系統有著至關重要的作用。

3.2 4G通信技術在智能電網中的應用

3.2.1 在配電網自動化領域中的應用

配電網自動化是對配電網通過綜合計算機、自動化、通信等技術手段，進行智能化監控管理，保證配電網的運行狀態和環境安全與可靠。配電網自動化有點多、面廣和變動頻繁等特點，這對通信提出了很高的要求。目前配電網自動化采用的主要通信方式是電力線載波通信和光線通信。電力線載波通信具有成本低廉、建設方便等優點，但其信號不穩定且易受環境干擾。光纖通信的信號傳輸質量和穩定性都很高，但光纖網絡的建設和維護較困難，頻繁調整的網絡對其穩定運行影響很大。4G通信技術的靈活、高速和穩定等特點都很好地避免了上述兩種通信手段的缺點，其具有的維護方便，可靈活調整網絡的特性，以及傳輸的高速度、高質量等優點，決定了其將成為配網自動化領域的主要通信載體。

3.2.2 在風電場中的應用

風能是世界范圍內廣泛使用的主要清潔能源之一，是智能電網清潔能源的重要供給。但是，由于風力發電設備往往處于層巒起伏的山頂，其與智能電網系統間的通信一直是個難以解決的問題。傳統的載波通信在山區中的通信質量會受到嚴重影響，而光纖通信也會面臨因山高林密帶來的施工和維護等方面的困難，并且建設成本極高。反觀 4G通信，采用OFDM調制技術，具有很高的抗干擾和抗衰減能力，能有效克服風力發電場的諸多不利因素，將成為風電通信的主要選擇。

3.2.3 在智能變電站站內通信的應用

目前我國智能變電站普遍采用光纖通信方式，通過光纖傳輸可以保證信號傳輸質量、同時避免相互干擾。但光纖通信需要鋪設大量通信線路，而變電站空間有限，在站內狹小的場地里施工和維護的難度較高。4G通信是無線傳輸，同時還具有很高的抗干擾能力，可避免光纖通信帶來的走線問題，因此4G 通信技術的應用勢必能在智能變電站站內起到關鍵的作用。

3.2.4 在遠程稽查領域中的應用

電網的安全管控工作通常由專人采用現場稽查的方式，其防控效果雖好，但由于通電網絡體系龐雜、分布區域廣泛，電力企業受人力、物力限制，很難做到稽查管控面面俱到。對于地處偏遠的區域，管控難度大，各種竊電行為較為常見。利用4G通信技術提供的遠程視屏功能，將現場配備視頻采集系統和監控站通過4G網絡連接，設置少量監控人員便可對大多數現場實行監管。24小時的視頻采集對不法分子也有一定的警示作用，降低其違法犯罪的可能。

3.3 4G通信技術在智能電網建設過程中的重要意義

智能電網的優越性已被全世界所認可，世界各國都在加緊建設符合本國國情的智能電網。我國也制定了具體的建設方案，電網智能化的腳步已逐漸加快，進入了高速發展階段。隨著電網智能化的發展，各類新型技術已經開始應用其中并獲得了良好的效果。現階段，4G通信技術和智能電網的結合還處于初步的實踐階段，4G技術的應用仍主要停留在傳統通信技術所提供的功能范疇，尚未完全發掘 4G技術的潛力，沒有充分體現 4G技術的優越性。4G通信技術的不斷完善和成熟使得其在電網智能化發展中的作用還將不斷取得突破。

信息傳輸的高速度、高質量、實時和雙向性等是 4G通信技術對智能電網建設的價值所在，智能電網在發展過程中若能更好地結合 4G通信技術，必然能帶來自身的高速發展，同時智能電網也能夠運用 4G通信技術而實現更高的智能化標準。甚至可以說，4G通信技術是智能電網的中樞神經。智能電網中應用4G通信技術之后，可以提供更加優化的網絡來滿足客戶的需求，提供更為簡單、靈活的電網接入方式，提供更加標準化的高質量服務。發展智能化電網是我國電力系統發展的戰略目標，加緊 4G通信技術的研發是實現該目標的基本保障。

4 結 語

本文通過對智能化電網的特點和技術進行分析，說明了通信技術是更好地實現智能電網的關鍵。4G通信技術作為跨時代的技術產物，其各項技術指標對比 2G、3G技術都有了質的飛躍，并且擁有了許多新的特性。4G通信技術的應用，是當前電網智能化的最優選擇，也是其發展的必然趨勢。這歸因于智能電網發展過程中面臨的許多傳統通信方式不能解決的問題，都能夠通過 4G通信技術的應用得到有效的解決。當然，隨著4G通信技術應用的深入，也不可避免會帶來很多新的問題。因此，我國已加大對4G通信技術的研發力度，加強了4G技術在智能電網中的應用實踐。隨著研究的深入，有理由相信其將對我國電網的發展乃至社會的發展產生重要的影響，4G通信技術在電力系統中的應用必定會成為今后智能電網系統通信發展的重要方向。■

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［3］ 楊超，梅康，陳金鷹，等. 4G 通信技術及其應用前景[J]. 通信與信息技術，2011(3)：58-60.

4G Communication Technology and Their App lications in Electrical Power Systems

LANG He
(State Grid Tianjin Electric Power Company Information Communication Corp.，Tianjin 300210，China)

Follow ing the progress of science and technology，characteristics and advantages of an intelligent power grid are becoming more evident and the application of 4G communication technology in power systems has attracted w idespread interests as these technologies can offer more flexible and reliable communication support to the intelligent trend of power grids. Through analyzing advantages of 4G technology and features of the intelligent trend of power grids，this paper discusses the application prospect of 4G technology in electric power systems.

intelligent power grid；4G communication technology；electric power system

TN915.5

：A

：1006-8945(2015)03-0044-03

2015-02-09