隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求不斷提升，西電東送，新的超高壓線路和變電站不斷涌現(xiàn)，風(fēng)電和光電等清潔能源的并網(wǎng)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性提出了很高要求，要求通信設(shè)備具備大容量和靈活配置能力。智能電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向互動(dòng)。在用電側(cè)，用電設(shè)備的智能聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)的核心內(nèi)容之一。
目前，電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)主要包括電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)。未來的電力通信網(wǎng)將在這兩張網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展，建立起智能電網(wǎng)廣泛互聯(lián)的堅(jiān)強(qiáng)通信網(wǎng)架構(gòu)。
全球正在開展大量活動(dòng)來升級(jí)電網(wǎng)，使電力能以更有效、更可靠、更環(huán)保也更經(jīng)濟(jì)的方式傳輸。其中包括升級(jí)電網(wǎng)發(fā)電、輸配電和計(jì)量部分所用的各種設(shè)備和技術(shù)。這些升級(jí)活動(dòng)的一個(gè)重要方面是在各種監(jiān)控和計(jì)量設(shè)備中加入通信能力。目前有多種無線和有線通信技術(shù)在世界各地進(jìn)行評(píng)估和部署。RF通信已成為許多地區(qū)和應(yīng)用的首選技術(shù)，但也面臨著自己的挑戰(zhàn)。
在電網(wǎng)中加入通信能力的一般原則是在網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)電點(diǎn)、輸配電點(diǎn)和用電點(diǎn)之間提供雙向通信。為使電網(wǎng)更高效地運(yùn)作，這種通信鏈路是至關(guān)重要的工具。然而，RF技術(shù)最初采用時(shí)并不是出于此目的，其初衷是讓電表、水表和煤氣表的抄表工作自動(dòng)化，從而不需要通過人工來記錄消費(fèi)數(shù)據(jù)。
這種自動(dòng)抄表(AMR)系統(tǒng)旨在支持從電力公司到消費(fèi)者的單向電力流。AMR系統(tǒng)還向電力公司提供單向信息流用以計(jì)費(fèi),并在一定的時(shí)間內(nèi)傳輸用電信息。數(shù)據(jù)速率很低，傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量也很少，每月通常不到1kb。目前大約有1.5億只在用的電表、水表和煤氣表具有通信能力，其中大部分具有這種低數(shù)據(jù)速率、單向通信能力。
在多種力量的共同推動(dòng)下，一種與上世紀(jì)所開發(fā)的電網(wǎng)截然不同的新型電網(wǎng)已浮出水面。隨著全球電力需求迅速增長，以及人們減少對(duì)化石燃料依賴的強(qiáng)烈愿望，新一代能源將越來越多地來自可再生能源，如風(fēng)能和太陽能等。美國能源部預(yù)測(cè)，未來25年全球電力消耗增長將超過80%，可再生能源將成為第二大發(fā)電來源。
與傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電廠相比，風(fēng)能和太陽能發(fā)電更加難以預(yù)測(cè)，因而其管理系統(tǒng)也更加復(fù)雜。此外，來自電動(dòng)汽車的電力需求預(yù)計(jì)會(huì)大幅提高，這會(huì)導(dǎo)致需求量不均衡。最后，為了減慢電力需求的增長速度，企業(yè)和家庭用戶需要通過新的方式來管理用電。
因此，我們需要一種擁有更高層次測(cè)量、通信、控制和保護(hù)功能的“智能電網(wǎng)”。“智能電網(wǎng)”的功能遠(yuǎn)不止是抄表，它還可以運(yùn)用雙向信息流讓通信變得更加頻繁。在智能電網(wǎng)的支持下，許多功能將得以實(shí)現(xiàn)，包括：平衡集中式發(fā)電廠的發(fā)電量;優(yōu)化電力配送;改善電力質(zhì)量監(jiān)控和停電響應(yīng);支持對(duì)最終用戶的負(fù)荷量進(jìn)行控制;實(shí)現(xiàn)按天計(jì)費(fèi)制;兼容多種能源，包括再生能源;支持遠(yuǎn)程連接/斷開;向消費(fèi)者實(shí)時(shí)反饋其需求曲線。
一旦這種通信方式部署到位，電力公司和消費(fèi)者就可以合作降低耗電量，提高電網(wǎng)的效率和可靠性，支持電動(dòng)汽車和再生能源的更廣泛使用。
驅(qū)動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展的要求和挑戰(zhàn)
智能電網(wǎng)計(jì)劃已經(jīng)啟動(dòng)，并且設(shè)定了一系列宏大目標(biāo)。許多情況下，為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，在我們尚未充分了解相關(guān)問題及其解決方案之前，需要構(gòu)建一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施來解決現(xiàn)有的問題并迎接將來的挑戰(zhàn)。“美國能源獨(dú)立和安全法案(2007)”針對(duì)智能電網(wǎng)列出了10多個(gè)關(guān)鍵政策目標(biāo)，其中既有籠統(tǒng)性的目標(biāo)，例如“利用數(shù)字技術(shù)提高電網(wǎng)的可靠性、安全性和效率”，也有更為具體的目標(biāo)，例如“采用自動(dòng)化計(jì)量、電網(wǎng)運(yùn)作和狀態(tài)管理以及分布式電網(wǎng)管理”。根據(jù)這些目標(biāo)，期望中的電網(wǎng)應(yīng)能整合分布式可再生資源，落實(shí)需求響應(yīng)資源，支持電力儲(chǔ)存，支持插電式電動(dòng)汽車，集成“智能”電器和其它設(shè)備以向消費(fèi)者提供及時(shí)用電信息并允許其加以控制。
除了這些挑戰(zhàn)以外，并存的風(fēng)險(xiǎn)要求我們制定網(wǎng)絡(luò)安全和互通標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)將使得電力公司初期部署的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施有能力兼容將來由許多公司開發(fā)的數(shù)以百萬計(jì)的互連設(shè)備。但這數(shù)以百萬計(jì)能夠輕松互連的節(jié)點(diǎn)，其中一些還能關(guān)閉或接通家庭和變電站的電源，或者向電網(wǎng)增加難以控的負(fù)荷，無疑會(huì)令人們擔(dān)憂心懷不軌者可能通過惡意攻擊而使嚴(yán)重依賴電力的國家癱瘓。除了這種廣泛的風(fēng)險(xiǎn)之外，還存在對(duì)個(gè)人隱私的擔(dān)憂。有人認(rèn)為，對(duì)能源使用情況的持續(xù)跟蹤是在人們的家庭和生活中打開的又一扇不受歡迎的數(shù)字窗戶。
所有這些目標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)加在一起，代表了一個(gè)復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)問題。如果只比較智能電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)各自所需的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)有通信技術(shù)似乎綽綽有余，但真正的挑戰(zhàn)在于壽命、可靠性成本和未來需求之間的平衡。智能電網(wǎng)對(duì)于電力公司和政府來說將是一筆巨大的投資(Pike’sResearch估計(jì)到2015年全球累計(jì)支出將達(dá)到2000億美元)，而且電力公司對(duì)設(shè)備的投資還會(huì)持續(xù)20年甚至更長的時(shí)間。這些通信系統(tǒng)要求能夠適應(yīng)未來的發(fā)展，設(shè)計(jì)留有足夠的余量，應(yīng)考慮到10年后可能出現(xiàn)的問題。電力公司和設(shè)備供應(yīng)商需要不斷比較和權(quán)衡當(dāng)前的實(shí)施成本與未來相對(duì)模糊的需求。
智能電網(wǎng)通信：多個(gè)互連網(wǎng)絡(luò)
由于智能電網(wǎng)將不同發(fā)電形式之間的雙向通信擴(kuò)展到電力消費(fèi)者，因此它會(huì)涉及到多個(gè)具有不同控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)記錄、保護(hù)和優(yōu)化程度的系統(tǒng)。主要的系統(tǒng)可以分為以下組別：1)輸配電現(xiàn)場(chǎng)和廣域網(wǎng)絡(luò);2)連接到數(shù)據(jù)采集器或網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的智能表計(jì);3)連接到家用電器或充電站的智能表計(jì)(見圖2)。
以智能計(jì)量為中心的通信系統(tǒng)吸引了最多的目光，成為不同技術(shù)的必爭之地。美國的潛在表計(jì)更換量超過1.4億只，全球超過10億只，因此智能表計(jì)代表了智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)中的絕大部分節(jié)點(diǎn)，大部分成本都集中于此。
世界各地不同程度地采用了兩種主要的競(jìng)爭技術(shù)：RF和電力線載波(PLC)。北美市場(chǎng)以RF解決方案為主。由于免執(zhí)照高功率ISM頻段中存在可用的頻譜，并且每個(gè)變壓器對(duì)應(yīng)的表計(jì)相對(duì)較少，因此一般來說，RF解決方案在北美市場(chǎng)能以較低的成本進(jìn)行部署。
智能計(jì)量RF通信技術(shù)使用現(xiàn)狀
進(jìn)一步分析目前用來連接表計(jì)與電力公司的RF系統(tǒng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)另一層次的競(jìng)爭技術(shù)：網(wǎng)格系統(tǒng)和星型系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)試圖通過不同方式應(yīng)對(duì)智能計(jì)量的RF挑戰(zhàn)。
將數(shù)百萬只表計(jì)連接到電力公司是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。僅就美國而言，連接現(xiàn)有表計(jì)意味著需要?jiǎng)?chuàng)建超過1億個(gè)預(yù)定位置的RF鏈路。其中許多位置處在對(duì)RF通信不利的環(huán)境中，例如地下室和混凝土墻后面。還有許多位置是在RF干擾源眾多且不斷變化的城市區(qū)域。
網(wǎng)格系統(tǒng)通過相鄰表計(jì)為單只表計(jì)創(chuàng)建多條連接到一個(gè)中心采集器的較短路徑，中心表計(jì)充當(dāng)電力公司廣域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。目前有多家供應(yīng)商提供網(wǎng)格系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)速率通常為100-150kbps，采用FSK或擴(kuò)頻調(diào)制方案，一般工作在以915MHz為中心的ISM頻段，信道帶寬為50-200kHz。
星型系統(tǒng)主要使用特許執(zhí)照頻段中的窄帶信號(hào)來連接相距較遠(yuǎn)但數(shù)量較少的中心采集器。中心采集器所需的數(shù)量較少，位于山頂或高樓樓頂?shù)纫暰€清晰的位置，但其發(fā)射功率較高。星型系統(tǒng)通常采用FSK調(diào)制，其數(shù)據(jù)速率低于帶寬較寬的網(wǎng)格系統(tǒng)。除了所需中心采集器的數(shù)量較少外，星型系統(tǒng)的擁護(hù)者還提出它具有帶內(nèi)頻譜無干擾和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更簡單的優(yōu)勢(shì)。
在美國，ISM頻段和特許執(zhí)照頻段均已變得非常擁擠。對(duì)于網(wǎng)格系統(tǒng)和星型系統(tǒng)，這都意味著干擾是必須攻克的中心挑戰(zhàn)。大規(guī)模計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的部署會(huì)顯著提高頻譜擁擠程度，因?yàn)橄到y(tǒng)的最大干擾源可能正是系統(tǒng)本身。
這種擁擠會(huì)給無線電和網(wǎng)絡(luò)要求帶來嚴(yán)重影響。例如，良好的空閑信道評(píng)估(CCA)和跳頻程序可以簡化空閑信道的查找。提高數(shù)據(jù)速率可以縮短各節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)長，但其代價(jià)是鏈路裕量減少。對(duì)于無線電，這種擁擠還意味著阻塞和鄰道抑制常常比接收靈敏度更緊要。
如上所述，計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施的主要挑戰(zhàn)在于表計(jì)的位置是固定的。它不像家用無線路由器，可以通過調(diào)整方向、高度或位置來解決干擾問題。此外，為了適合現(xiàn)有表計(jì)外殼，表計(jì)通常需要進(jìn)行改裝，因此幾乎或根本不存在為增強(qiáng)RF性能而改變封裝的靈活性。表計(jì)一般固定在離地僅一米左右的厚鋼筋混凝土墻上。簡單的視線模型難以有效地描述信道。
需要注意的干擾源因頻段和地區(qū)的不同而異。在美國，特許執(zhí)照頻段和ISM頻段系統(tǒng)均存在重大干擾源。常見干擾源包括電視白帶信號(hào)、蜂窩載波和工作在同一頻段的其它設(shè)備，這些設(shè)備可能是、也可能不是同一系統(tǒng)的一部分。就數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)、調(diào)制方案選擇和發(fā)射頻譜符合FCC原則的程度而言，工作在同一頻段的設(shè)備可能不是按照“和平共處”方針進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
對(duì)于已經(jīng)部署的80%到90%的表計(jì)來說，通信相對(duì)較為容易。其余的10%到20%表計(jì)因?yàn)榈乩砦恢谩⑽锢韺?duì)象、嚴(yán)重的局部干擾或附近噪聲源等因素，面臨著嚴(yán)峻的RF挑戰(zhàn)。由于無法移動(dòng)存在問題的表計(jì)，系統(tǒng)層面的解決方案只有增加數(shù)據(jù)采集器或中繼器，增加PLC或蜂窩等輔助替代通信設(shè)備，或者增強(qiáng)無線電性能。廣泛存在的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施最終必須極其魯棒，提供100%的覆蓋率。聯(lián)系實(shí)際來說，大規(guī)模部署的電表數(shù)量可能是500萬只，如果覆蓋率只有99%，那么將有5萬只電表無法讀取。
智能電網(wǎng)在技術(shù)、市場(chǎng)和社會(huì)方面帶來了許多挑戰(zhàn)。RF設(shè)計(jì)人員必須提出新的優(yōu)化措施，滿足工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的需求，使其能在日益擁擠的頻譜環(huán)境中數(shù)十年如一日地工作，由此我們將獲得能夠靈活適應(yīng)電力需求和供應(yīng)發(fā)展的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。
