面向能源樞紐的通信技術分析

鞏芫芳，胡鑫明，余加霞

（西電電力系統有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

能源樞紐是基于新一代電力系統的概念，是一個多基礎設施集成的框架，通過自動化控制和現代通信技術將可再生能源進行集成，以提高整個系統的效率和可靠性[1]。在能源樞紐（見圖1）中，不同設備之間通過雙向通信相互連接，根據交互信息來優化配置能源的傳輸，保證能源樞紐安全經濟運行[2]。

圖1 能源樞紐示意圖

目前，數以百萬計的小型發電設備被整合到新的能源樞紐中，通過共享電力的即時需求，有效改善負載平衡[3]。為了在各設施之間實現安全、可靠、高效的實時數據傳輸和非實時數據傳輸，能源樞紐通信基礎設施的選擇至關重要。

1 能源樞紐通信基本需求分析

傳統的電力系統中，通信基礎設施的信息共享和傳輸能力非常有限，通信系統主要從傳輸節點上有限數量的傳感器采集的信號中獲取數據[4]。現代電力系統中包含更多的傳感器和執行器，為了處理龐大的數據流，必須有復雜、可靠且強大的通信基礎設施，以保證能夠提供安全和實時通信[5]。

在電力系統中，確保信息傳輸的安全是至關重要的，特別是在傳輸計費信息和設備控制信息等方面。為了避免黑客的攻擊，必須建立有效的安全機制。隨著能源消耗的增加，現有能源基礎設施的老化導致了許多不可避免的電網問題。為了提高系統的可靠性和魯棒性，應從多個方面同時考慮，例如開發安全的通信協議、應用更快和精度更高的控制設備、通過能源樞紐集成智能設備等。此外，可以同時使用有線通信和無線通信方式，提高系統的可靠性、可用性、耐久性，同時有效降低運行成本。

通信網絡需要滿足所有能源樞紐相關的操作，可以應用Web 服務集成等技術來提高網絡的可擴展性。通過了解電力系統的潛在動態特性，評估各種服務質量（Quality of Service，QoS）關鍵指標（吞吐量、時延、丟包率等）對能源樞紐的影響[6]。

2 面向能源樞紐的通信網絡

對于電力公司，確定通信需求、指定處理輸出數據的最佳通信方式以及在整個系統中提供安全可靠的服務極其重要。目前，基于無線和有線的各種通信技術被用于智能電表和電力設施之間的數據傳輸。在許多情況下，無線通信比有線通信要好，它不僅成本較低，而且容易到達不可接近的地區。

能源樞紐中主要包含2 個信息流向，一是從傳感器和電氣設備流向智能電表，二是從智能電表到數據中心。對于第一種信息流，可以通過電力線通信或無線通信來實現，如ZigBee、6LoWPAN、Z-wave 等[7]。對于第二種信息流，可以使用蜂窩網或互聯網技術來實現。目前，有3 種類型的通信基礎設施網絡可以應用于能源樞紐和智能電網，即家庭局域網（Home Area Network，HAN）、鄰域網（Neighborhood Area Network，NAN）以及廣域網（Wide Area Network，WAN）。不同網絡與能源樞紐通信基礎設施之間的關系如圖2 所示。

圖2 不同網絡與能源樞紐通信基礎設施連接關系

HAN 覆蓋范圍有限，通常為幾十米，適用于小型住宅的網絡搭建。與其他網絡相比，HAN 網絡的數據傳輸速率相對較低。在實際操作中，HAN 網絡通過使用有線或無線調制解調器，由互聯網連接進行操作。該網絡實現了計算機、移動設備及其他設備之間的連接和資源共享。在能源樞紐中，所有智能家電和智能電表都可以集成到HAN 網絡中。

NAN是一種允許用戶經濟、快速地連接到Internet的無線網絡。它能夠通過802.11 接入點實現較小的區域內的一個或多個人設備的連接。如果接入點為全向天線，其覆蓋半徑可達1 km。NAN 是Wi-Fi 熱點和無線局域網(WLAN)的一個分支，并且可以將智能電表、DA 設備等一系列設備與射頻網、PLC 網絡、以太網或RS232、RS485 等串行接口上的一系列現場區域路由器互連。由于NAN 收集的數據存放在本地數據中心，這種存儲對于分析數據、確定發電需求等非常重要[8]。

WAN 是一種計算機網絡，由多個NAN 和數據集中器組成，其覆蓋范圍在幾十千米到幾千千米。最早的WAN 是由美國空軍在20 世紀50 年代后期創建的，用于連接半自動地面環境雷達防御系統中的各個站點。在能源樞紐中，發電、輸電以及配電都依賴于WAN 網絡[9]。

對于面向能源樞紐的通信網絡，通常包含WAN、NAN以及HAN三部分，它們之間的互聯性如圖3所示。其中，HAN 主要完成基本數據的收集，并通過智能電表與能源樞紐進行通信。

圖3 能源樞紐中WAN、NAN 以及HAN 之間的互聯性能

3 面向能源樞紐的通信技術

與能源樞紐相關的常見通信技術類型、常用頻率、數據傳輸速率以及覆蓋范圍如表1 所示。

表1 面向能源樞紐的通信技術的特性

3.1 ZigBee 技術

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 協議發展起來的一種短距離無線通信技術，具有低功耗、低成本、低延遲以及高可靠性等特點，同時支持地理定位功能[10]。ZigBee 的傳輸速率在20 ～250 kb/s，適用于周期性、間歇性的數據傳輸，每個ZigBee 網絡最多可支持255個設備。ZigBee 協議棧有4 層，即物理層、MAC 層、網絡層以及應用層，其安全性主要取決于網絡層和應用層。每一層都部署相應的秘鑰，由帶有密碼塊鏈和消息驗證碼的高級加密標準計數器進行加密或解密操作，確保傳輸數據的真實性。

3.2 WLAN 技術

WLAN 具有成本低、安裝方便等諸多優點，可以應用于能源樞紐。WLAN 利用無線電或紅外信號代替傳統的網絡布線，以提供短距離的無線網絡通信。WLAN 可由任何一種無線網絡協議來構建，其工作頻率為2.4 ～3.5 GHz，通常不受路由器物理端口數量的限制，可以支持數十臺甚至數百臺設備。通過添加一個或多個中繼器，可以很容易地擴展WLAN 的范圍。

3.3 蜂窩網絡技術

蜂窩網絡又稱移動網絡，是一種通過蜂窩分布的無線網絡，其中每個蜂窩包括一個固定位置收發器（也稱基站），這些基站共同為其所在的地理區域提供無線電覆蓋，同時提供100 Mb/s 的高速通信服務[11]。在大多數國家，蜂窩網絡已經廣泛布局，目前較為成熟的蜂窩通信技術包括通用無線分組業務（General Packet Radio Service，GPRS）、全球微波接入互操作系統（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX）等。其中，WiMAX 的工作頻率范圍為2.5 ～3.5 MHz，數據傳輸速率為70 Mb/s，傳輸距離可達50 km，是最適用于能源樞紐的通信技術。

3.4 電力線通信技術

電力線通信技術使用電力線作為信息載體，通過在電力線上添加調制信號來實現設備之間的數據交換。基于不同的電力線通信標準，其數據傳輸速率和傳輸距離有很大差異。此外，電力線路最初設計是用于傳輸50 Hz/60 Hz 等特定頻率的交流電源，因此在電力線內很難實現高頻通信，這是制約電力線通信技術應用的主要因素之一。網絡中的非線性負載（如整流器和晶體管等）可能會對高次諧波的通信信號造成干擾，為了解決這個問題，可以使用先進的有源濾波器。

4 結 論

隨著可再生能源分布式發電的日益普及，EH 技術的成熟為電力系統的進一步發展提供了契機，隨之而來的問題是如何提高當前電網的效率、可靠性和安全性。為此，遠程、實時地收集有關設備故障、容量約束等信息，實現設備間的通信，對于確保主動和實時可靠診斷EH 故障至關重要。