隨著中國經(jīng)濟的快速發(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)，風電和光電等清潔能源的并網(wǎng)，這對網(wǎng)絡的擴展性提出了很高要求，要求通信設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。在用電側(cè)，用電設備的智能聯(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)的基礎上進一步擴展，建立起智能電網(wǎng)廣泛互聯(lián)的堅強通信網(wǎng)架構。 

　　全球正在開展大量活動來升級電網(wǎng)，使電力能以更有效、更可靠、更環(huán)保也更經(jīng)濟的方式傳輸。其中包括升級電網(wǎng)發(fā)電、輸配電和計量部分所用的各種設備和技術。這些升級活動的一個重要方面是在各種監(jiān)控和計量設備中加入通信能力。目前有多種無線和有線通信技術在世界各地進行評估和部署。RF通信已成為許多地區(qū)和應用的首選技術，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)絡中的發(fā)電點、輸配電點和用電點之間提供雙向通信。為使電網(wǎng)更高效地運作，這種通信鏈路是至關重要的工具。然而，RF技術最初采用時并不是出于此目的，其初衷是讓電表、水表和煤氣表的抄表工作自動化，從而不需要通過人工來記錄消費數(shù)據(jù)。 

　　這種自動抄表(AMR)系統(tǒng)旨在支持從電力公司到消費者的單向電力流。AMR系統(tǒng)還向電力公司提供單向信息流用以計費,并在一定的時間內(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下，一種與上世紀所開發(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，以及人們減少對化石燃料依賴的強烈愿望，新一代能源將越來越多地來自可再生能源，如風能和太陽能等。美國能源部預測，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，風能和太陽能發(fā)電更加難以預測，因而其管理系統(tǒng)也更加復雜。此外，來自電動汽車的電力需求預計會大幅提高，這會導致需求量不均衡。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量、通信、控制和保護功能的“智能電網(wǎng)”。“智能電網(wǎng)”的功能遠不止是抄表，它還可以運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;支持對最終用戶的負荷量進行控制;實現(xiàn)按天計費制;兼容多種能源，包括再生能源;支持遠程連接/斷開;向消費者實時反饋其需求曲線。 

　　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，支持電動汽車和再生能源的更廣泛使用。 

　　驅(qū)動智能電網(wǎng)發(fā)展的要求和挑戰(zhàn) 

　　智能電網(wǎng)計劃已經(jīng)啟動，并且設定了一系列宏大目標。許多情況下，為了實現(xiàn)這些目標，在我們尚未充分了解相關問題及其解決方案之前，需要構建一個基礎設施來解決現(xiàn)有的問題并迎接將來的挑戰(zhàn)?！懊绹茉椽毩⒑桶踩ò?2007)”針對智能電網(wǎng)列出了10多個關鍵政策目標，其中既有籠統(tǒng)性的目標，例如“利用數(shù)字技術提高電網(wǎng)的可靠性、安全性和效率”，也有更為具體的目標，例如“采用自動化計量、電網(wǎng)運作和狀態(tài)管理以及分布式電網(wǎng)管理”。根據(jù)這些目標，期望中的電網(wǎng)應能整合分布式可再生資源，落實需求響應資源，支持電力儲存，支持插電式電動汽車，集成“智能”電器和其它設備以向消費者提供及時用電信息并允許其加以控制。 

　　除了這些挑戰(zhàn)以外，并存的風險要求我們制定網(wǎng)絡安全和互通標準。這些標準將使得電力公司初期部署的網(wǎng)絡基礎設施有能力兼容將來由許多公司開發(fā)的數(shù)以百萬計的互連設備。但這數(shù)以百萬計能夠輕松互連的節(jié)點，其中一些還能關閉或接通家庭和變電站的電源，或者向電網(wǎng)增加難以控的負荷，無疑會令人們擔憂心懷不軌者可能通過惡意攻擊而使嚴重依賴電力的國家癱瘓。除了這種廣泛的風險之外，還存在對個人隱私的擔憂。有人認為，對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。 

　　所有這些目標和風險加在一起，代表了一個復雜的閉環(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)絡各自所需的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)有通信技術似乎綽綽有余，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)對于電力公司和政府來說將是一筆巨大的投資(Pike’sResearch估計到2015年全球累計支出將達到2000億美元)，而且電力公司對設備的投資還會持續(xù)20年甚至更長的時間。這些通信系統(tǒng)要求能夠適應未來的發(fā)展，設計留有足夠的余量，應考慮到10年后可能出現(xiàn)的問題。電力公司和設備供應商需要不斷比較和權衡當前的實施成本與未來相對模糊的需求。 

　　智能電網(wǎng)通信：多個互連網(wǎng)絡 

　　由于智能電網(wǎng)將不同發(fā)電形式之間的雙向通信擴展到電力消費者，因此它會涉及到多個具有不同控制、測量、數(shù)據(jù)記錄、保護和優(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)場和廣域網(wǎng)絡;2)連接到數(shù)據(jù)采集器或網(wǎng)絡接入點的智能表計;3)連接到家用電器或充電站的智能表計

    以智能計量為中心的通信系統(tǒng)吸引了最多的目光，成為不同技術的必爭之地。美國的潛在表計更換量超過1.4億只，全球超過10億只，因此智能表計代表了智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)中的絕大部分節(jié)點，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爭技術：RF和電力線載波(PLC)。北美市場以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，并且每個變壓器對應的表計相對較少，因此一般來說，RF解決方案在北美市場能以較低的成本進行部署。 

　　智能計量RF通信技術使用現(xiàn)狀 

　　進一步分析目前用來連接表計與電力公司的RF系統(tǒng)，我們會發(fā)現(xiàn)另一層次的競爭技術：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對智能計量的RF挑戰(zhàn)。 

　　將數(shù)百萬只表計連接到電力公司是一個巨大的挑戰(zhàn)。僅就美國而言，連接現(xiàn)有表計意味著需要創(chuàng)建超過1億個預定位置的RF鏈路。其中許多位置處在對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)通過相鄰表計為單只表計創(chuàng)建多條連接到一個中心采集器的較短路徑，中心表計充當電力公司廣域網(wǎng)的網(wǎng)關。目前有多家供應商提供網(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來連接相距較遠但數(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)的擁護者還提出它具有帶內(nèi)頻譜無干擾和網(wǎng)絡協(xié)議更簡單的優(yōu)勢。 

　　在美國，ISM頻段和特許執(zhí)照頻段均已變得非常擁擠。對于網(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)模計量網(wǎng)絡的部署會顯著提高頻譜擁擠程度，因為系統(tǒng)的最大干擾源可能正是系統(tǒng)本身。 

　　這種擁擠會給無線電和網(wǎng)絡要求帶來嚴重影響。例如，良好的空閑信道評估(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)點的傳輸時長，但其代價是鏈路裕量減少。對于無線電，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，計量基礎設施的主要挑戰(zhàn)在于表計的位置是固定的。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)有表計外殼，表計通常需要進行改裝，因此幾乎或根本不存在為增強RF性能而改變封裝的靈活性。表計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、蜂窩載波和工作在同一頻段的其它設備，這些設備可能是、也可能不是同一系統(tǒng)的一部分。就數(shù)據(jù)包結(jié)構、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備可能不是按照“和平共處”方針進行設計的。 

　　對于已經(jīng)部署的80%到90%的表計來說，通信相對較為容易。其余的10%到20%表計因為地理位置、物理對象、嚴重的局部干擾或附近噪聲源等因素，面臨著嚴峻的RF挑戰(zhàn)。由于無法移動存在問題的表計，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備，或者增強無線電性能。廣泛存在的計量基礎設施最終必須極其魯棒，提供100%的覆蓋率。聯(lián)系實際來說，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、市場和社會方面帶來了許多挑戰(zhàn)。RF設計人員必須提出新的優(yōu)化措施，滿足工業(yè)級產(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電力需求和供應發(fā)展的電網(wǎng)基礎設施。