智能电网通信网络研究
摘要
先进的通信网络技术应用于智能电网，使电力网更加智能化。反应速度更快的通信设备和先进的技术减少了电网中断电、电压骤降等现象。促进电网智能化、建立新的通信基础设施是智能电网的两个主要研究方向。近几年，智能电网工程一直处于理论阶段，只有少数前瞻性的需求提出，研究工作仍处于初级阶段，对智能电网通信网并没有一个系统性全面的审查。本文对智能电网的通信网技术进行了全面的整理、审查，其中包含通信网构建、不同的通信网技术、QoS技术、优化资产利用率、控制和管理等。
1、 引言
电网在我们的日常生活和工业中有着举足轻重的作用。然而，电网出现了很多问题。首先，相比40年前，电压骤降、断电、过载等现象发生频率增高。大多数断电、限电由设备反应迟钝导致。其次，随着人口的增加，现有的设备老化，为新增用户添加设备加大了电力系统的不稳定性。再次，大量碳排放量违背了环保理念。在美国，电力网的碳排放量占碳总排放量的40%。
同时考虑经济效益和环境利益，必须对现有不稳定、低效率的系统做出改进。改进后的系统必须是可靠的、可扩展的、可管理的、可扩展的、可互操作的、安全的并且符合成本效益。这样的电力基础设施被称为“智能电网”。智能电网能够利用最低的消耗有最大的产出量。智能电网通信不仅能够实现实时性、可靠性、可扩展性、可管理性，并且是可互操作的、安全的、面向未来的、具有经济效益的。
与其他电网相比，美国电网更加分散。整个美国电网由多家不同的生产商和经销商组成，而且消费者也可能成为生产商。当消耗者反馈电能时，如何给予消费者合理的经济效益是智能电网面临的一个重要挑战。为了满足以上需求，急需建设实用的基础设施。
因此，实现智能电网设备、应用程序、消费者和电网运营商之间的信息沟通很大程度上依赖智能电网专用信息网的设计、开发和部署。通信网是实现智能电网自动化和互操作性的关键。然而，还没有一个标准化的通信网应用于智能电网的建设。大多数组织、企业和研究人员提出了相关的如何把传统通信技术应用于智能电网的基本策略。有关智能电网通信网络化的研究非常多。
智能电网能够实现能源回馈，传回用户实时费用信息、耗电情况、实时需求，降低峰值需求策略，控制电器限电，实现储能机制，提高了能源的利用水平。
本文对智能电网通信网技术进行系统全面的分类和认知。文章提到的每个方面都可能会应用于智能电网。
本文剩余内容安排如下。第二部分介绍智能电网技术背景；第三部分列出了智能电网中应用的通信网技术并进行分类。第四部分对QoS技术以及优化问题进行阐述，并介绍了智能电网如何控制全网的消息和数据。第五部分提出智能电网面临的挑战和发展方向。第六部分得出结论。
2.电网和智能电网
2.1 基本电网系统
电网系统有四部分组成：发电厂、变电站、配电站、终端用户。最近电网系统工作如下：首先，是发电部分，利用风能、核能等产生电能；当电能到达用户，为满足用户，电压会进一步降低。最后，家用电器从计量器中得到电能。见图.1
2.2 什么是智能电网
什么是智能电网？不同的人或组织有不同的看法。但是众所周知，智能电网十分依赖于通信基础设施的构建。
DOE of USA 对智能电网的定义如图.2所示。最底层的物理能源基础设施分配能源。在整个供应链中，通信基础设施定义在物理能源基础设施的上层。计算机/信息技术定义在第二层，用于实时决策。智能电网应用定义在最上层，创造电力系统价值。安全定义在另一个纬度，并覆盖所有的层。
以下段落将系统对智能电网进行定义。
通常，智能电网是一个通信数据网，在传输电力过程中收集并分析实时的输电、配电和耗电信息。根据这些数据，智能电网给公共建设、供应商以及用户提供预测信息和合理建议，以便实现更好的电能管理。从另一个方面来讲，智能电网是一个复杂的系统，为此NIST已经提供了概念性的基础构架，这个概念性的体系结构参考模型提供了一种分析使用实例的方法，并提供实现互操作的标准化接口，促进网络安全的发展。
尽管智能电网由传统电网发展而来，但是智能电网有更多的需求和新的特点，主要要求如下：
（1） AMI（先进的计量器）：AMI帮助用户了解实时电价并提供优化的电能使用方案，此外，消费者成为知情的参与者，根据自身和电力网的需求采用不同的采购模式，这样可以确保电力系统个可靠性。
（2） 广域态势感知。用于监测和管理电力系统的所有组件，例如，它们的性能和行为可以被预测或修改，可以避免或者解决潜在的紧急事件。
（3） IT网络集成。智能电网的范围（产电、输电、配电、耗电以及控制中心）以及它的子范围将会使用各种由IT网络发展来的通信网。
（4） 互通性。智能电网将会容纳两个或以上的网络、系统、设施、应用程序或者组件进行可靠的、有效的安全通信，而不会给用户带来任何不便。智能电网将会成为一个互通系统。也就是说，不同的系统可以交换有用的、可操作的消息。系统会共享具有相同意义的信息，相应的消息会得到预先定义的反应。智能电网信息传递的可靠性、保真性以及安全性必须达到一定的性能水平。
（5） 需求响应和消费效率。用户或消费者会降低在尖峰时间的用电量。会有相应的节电设备帮助用户实现这一功能。
综上所述，智能电网主要实现了有效性、可靠性、智能性等特点。智能电网通信存在很多挑战和问题。例如，如何使电力生产和消费更加灵活，实现动态定价、少量能量收集、可重复使用等。由此，需要更新电力通信和消费设施。与此同时，在电力专网中引入公共网络信息，产生信息的安全性和保密性等问题需要得到相应的重视。很明显，将会引入IT网络脆弱性等问题。例如，黑客可以在不触发计量器的情况下偷走用户电能，因此，NIST已经发布了一个解决智能电网网络安全和隐私问题的指导方针。
2.3 关键技术
为了实现智能电网的优势特点，NETL描述了五种关键技术。如下，并如图.3所示。
2.3.1 集成通信
高速率、完全集成、双向通信技术推动智能电网成为实现实时信息、电能动态交换的“大基础设施”。开放的体系结构会营造充分利用一个插件和播放的环境，实现网络各个组件之间的安全对话、互听和活动。
2.3.2传感与测量
传感和测量技术会加强电力系统的测量并实现数据的信息化，可以评估设备的性能、电网完整性，支持先进的继电保护，消除计量器评估，防止能源偷窃，实现需求响应并缓解拥塞。
2.3.3 高级组件 高级组件在电网的性能方面起到很大的作用。下一代电力系统设施将应用材料、超导、电力电子和微电子技术的最新成果。介时会电功率密度更高、系统更加可靠、电能质量更好，电功效率提高并能获得巨大的环境效益，实时诊断得到改进。
2.3.4 先进的控制方法
采用新方法监测重要组件。诊断更加快速，对任何事件能够做出实时正确的反应。支持市场定价，并提高资产管理和运营效率。
2.3.5 先进的接口和决策支持
在很多情况下，运行者需要在很短的时间内做出决定。现代电网，电网运营商和管理人员若更加迅速做出决定需要依赖更广泛的、无缝的、实时的应用程序和工具。先进接口的决策支持能够加强人工在电网各级的决策能力。
3.1智能电网构架
建立实用的智能电网基础设施面临的挑战有：不同的公用企业、用户之间的互通性和兼容性，以及如何合理地融合新技术（智能电表基础设施）。
从长远角度设计智能电网通信网并将其融合为一个通用的模型十分有必要。文献【177】的作者Sood等描述了当前的IEEE标准，标准禁止使用多个应用程序管理互联的分布式发电，这样是有利于电网的发展的。Sood等强调IEEE中St.929-2000已经Std.1547-2003指出低于250mVA（million VA=million Watt）的DR（分布式资源）单元不得使用监测和控制设施。这些标准应该修改为，无论规模大小，智能电网都是可监测的、可控的并且支持数据通信【177】。【176】的作者Chen等认为，为了优化电能应用应当建设用于处理信息的信息通信结构。他们强调，一个成功的智能电网能够通过信息通信结构支持产电（集中式的或分布式的）消费（瞬时的或预测的）、储能（或者电能变换），以及配电消息的传递。智能电网需要引进网格计算或者云计算来优化电能的应用。这样，智能电网会更坚强，安全问题将会成为一个主要问题。
在总览智能电网通信构架之前，需要重新认识一下智能电网的构架。智能电网构架的建议有三个主要来源：
（1）政府组织：设备的要求和智能电网的蓝图。
（2）工业：通信基础设施实现的建议。
（3）学术界：宏观集中定义通信架构和解决方案。
表 1
通信/网络列表
分类 文献 描述
电力线通信 Application of PLC in SG
consumption[181]
Packet-oriented communication
protocols for SG
Services over low-speed PLC[182]
Broad band over power lines could
accelerate the
Transmission SG[183] PLC 在智能电力通信中的应用
根据IPv6/TCP利用PLC的低速率提出了一个协议栈
SG通信和分配的挑战
提出基于IP的宽带业务
基于IP的通信网络 Aproposed communications
infrastructure for the Smart Grid[2]
Internet protocol architecture for the
Smart Grid[6]
Why IPi s the right foundation for the 低延迟需用光学介质；提出基于IP的AMI分配网络；智能电网技术可以为公用事业企业、客户提供信息和建议优化电能使Smart Grid[184]
Smart Grid leveraging intelligent
communications to
Transform the power in
frastructure[180] 用；信息孤岛；智能电网通信问题和相应的互联网构架解决方案；问题分类及智能电网中针对产电、输电、配电已经用户的解决方案
无线网在SG中的应用 Wireless networks for the smart energy
grid:
Application aware networks[185]
Control-aware wireless sensor network
plat form for the Smart electric
grid[186]
The role of pervasive and cooperative
sensor networks In Smart Grids
communication[187]
Wireless sensor networks for domestic
energy
Management in Smart Grids[188]
Cooperative sensor networks for
voltage quality
Monitoringin Smart Grids[189]
Toward a real-time cognitive radio
network test bed: architecture,
hardware platform, and application to
Smart Grid[190]
Frequency agility in a ZigBee network
for Smart Grid application[191]
Applications of McWiLL broad band
multimedia trunk communication
technology inSmartGrid[192] 无线蜂窝网络构架
无线传感网络的变电站和代
ZigBee在智能电网中的应用
WSNs应用于减少家庭用电
WSNs用于监测智能电网的电压质量
认知无线电技术应用于只智能电网
ZigBee应用于智能电网面临的挑战
McWiLL干线通信在智能电网中的应用
QoS Smart Grid communications:QoS
stovepipes or QoS
nteroperability?[193]
QoS routing in SmartGrid[194]
New IP QoS algorithm applying for
communication
sub-networks in Smart Grid[195] QoS的互操作性、AMI插件、精简系统
Qos路由应用价格信号传输
智能电网中新的基于IP的Qos快速包传输算法
优化 Optimize sassetutilization and operates
efficiently[196]
Information aggregation and optimized
actuationin
Sensor networks:enabling smart
electrica lgrids[197]
Smart Grid communication network 优化智能电网的整体前景：八方面的问题和挑战
传感器和执行器网络（SANETs）应用于智能电网的优化
智能电网通信网了信息容量问题