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第9章 智能电网通信
网络技术：最近的发展和未来的挑战
Faisal Tariq amp; Laurence S. Dooley
摘要 智能电网表面上是下一代电网，通过利用普适计算等信息通信技术，在控制和决策过程中有效地执行电能的分配和管理。智能电网的特点是具有如下功能：能够适应负载和需求变化，智能管理双向数据流，并极大地提高系统的可靠性，安全性和可持续性。通信网络在促进这些功能方面发挥着至关重要的作用，并且是任何智能电网管理系统中不可或缺的组成部分。在本章中，将描述通信网络在智能电网运营中的作用及其主要功能。特别是，分析现有和未来无线和移动网络融入智能电网所面临的挑战和机遇，并在本章最后确定未来智能电网技术的研究方向。
9.1 引言
在过去的几十年里，电子和电气技术随着大量商品的发展而经历了巨大的进步，使我们的日常生活更加方便和舒适。例如，从智能手机，流行手机消费电子产品到智能温度和湿度控制系统，以及日常家用电器，如炊具，洗碗机和冰箱等。 不可避免的是，这导致电力消费量不断增加，化石燃料，煤炭，天然气和核能是大多数发达国家电能的主要来源。这些相对便宜的来源往往与对环境和全球气候的相应不利影响有关。社会也越来越意识到气候变化的后果，因为新的清洁可再生能源正在寻求作为未来电能[1, 2]供应的便利解决方案，这些新的能源来源中风能，波浪能和太阳能是最具代表性的例子。这种能源多样化的必然结果是，配电系统将从目前拥有相对较少数量的大型发电厂系统的情况转变为更为异质的框架，具有新兴的太阳能，波浪和风力微电网，分布在地理区域内。因此，能源分配和网络信息流将不可避免地从目前的单向模式转变为更灵活的双向模式，管理要求在现有基础设施中不可避免地变得更加复杂。随着现有策略对于管理新兴的异构电网越来越过时，寻求处理未来需求和响应增长的新方法将变得至关重要，这与新系统的可靠，稳健，可持续，安全和安全。智能电网[3,4]是下一代配电网络，其总体目标是将当前的集中式能源生产者控制网格转变为更分散的用户交互式电力系统。美国能源部将智能电网设想为应用技术，工具和技术为电网带来智能[5]。它的主要特点之一是可靠，价格合理且安全，以及有能力纳入包括可再生能源的异构能源供应，同时努力将碳足迹减少到最小。
为了实现这一愿景并实现智能电网的潜力，复杂的通信网络将不可避免地在任何智能电网管理系统中发挥关键作用[6]。正因为如此，对设计和实施有效的智能电网通信和网络系统的要求和挑战进行调查至关重要。
本章的其余部分组织如下：首先将描述所谓传统电网的通信网络基础设施，并回顾其对未来电网适用性的一些限制。 然后将在联网前提出未来智能电网的通信和网络要求概要，并讨论与拓扑相关的问题以及该领域的关键安全影响和标准化举措。 最后，本章最后提出了一些关于智能电网技术的未来研究方向。
9.2 传统电网的通信和联网
传统电网通常由几个非常大的发电站组成，这些发电站通过巨大的变压器和电缆网络向整个地区甚至国家供电，而这种分布本质上是单向的。电网具有严格的等级结构，发电厂位于系统的顶部，而客户场地的负载处于最低点[7]。
通常根据高峰时间要求对能源需求进行建模。因此，发电量必须大于此峰值需求量，因为大量储存电能在经济上不可行[8]。由于平均能源需求通常远低于高峰期，发电系统的容量在相当长一段时间内仍然严重不足。在现有的集中配电和静态电网管理系统下，能够在这些非高峰期分配一些超额峰值负载的灵活性很小。为了实现这种更高效的模式，需要最终用户进行更大的交互性和信息共享。但是，现有的通信和管理系统从未设计过这个值得赞扬的目标。
通信和网络系统在传统电网中的三个主要功能是：（1）来自位于电网不同分布点的传感器的数据采集；（2）将命令和控制信号传输到传感器和致动器；（3）发电系统和配电网络中的故障检测。 监控和控制这些工业通信过程的系统最广泛的是被称为监控和数据采集（SCADA）系统的软件包[9]。
9.2.1 SCADA系统
SCADA利用可编程逻辑控制器（PLC）作为控制管理的接口，能够在现场处理范围从几百到一百万或更多I / O（输入/输出）设备的任何地方[10]。软件 有两层。 第一个是用于操作员接口的客户层，第二个是管理系统控制流程的数据服务器层。 SCADA基于位于不同服务器上的实时数据库系统以多任务方式运行。
SCADA是一项大规模的运营，需要不断的监控，监督和保障，因为故障的后果可能会对整个供电系统造成破坏。 对过去十年中某些西方国家主要停电事件的研究表明，系统反应速度太慢，或者在其他情况下无法控制或修复造成的损害[11]。
许多运营商采用SCADA软件的开源版本来实现财务权益，尽管这些版本被认为存在漏洞[12]，这会带来潜在的严重安全风险。
9.2.2 智能电网的通信和联网
由于新兴的智能电网将在用户设备级部署大量的传感器和执行器，以收集使用数据并提供命令和控制信息，但当前的传统通信系统无法监督这种苛刻的情况。因此，需要开发新的通信系统架构和工具[13]。
未来的智能电网既具有智能性又能适应场景的变化，因此需要系统中不同实体的数据即时采集和传输。这意味着接近实时的安全通信是传达智能电网中不同实体之间命令和控制信息的关键设计要求。智能电网的组成部分可以大致分为三类：（1）发电和供电组件；（2）输电和配电组件；（3）消费设备 。其中通信技术的基本要求实际上不同于每个实体[14,15]。例如，家用电器在运行时可能偶尔需要数据传输，而相反，核电站需要持续监控其数据通信。
通信系统最重要的要求是，它应该在任何时间任何地方都可靠和可用。为了确保时间关键信息的可靠传输，无论涉及的情况和距离如何，所有实体都必须是可联系的。该系统还必须能够自动管理冗余并适应网络拓扑结构和周围环境的变化。通信系统传输的信息包括消费者使用、计费、生成和加载，这些都包含必须保护的关键和敏感数据。这意味着系统必须足够强大和安全，才能保持必要的隐私水平。今天典型的家庭只有一个或两个设备连接到互联网，但随着智能电网，将有更多的连接，通过网络传输的数据量相应增加。通信系统因此能够支持相当高的带宽。
通信系统的另一个令人满意的特性是它具有自组织能力，可以通过最少的手动和中央干预确保潜在故障或网络问题的恢复。具有潜在的自组织功能的好处是它还会显着降低系统的维护成本[16]。
图9.1 新兴智能电网中的通信网络示意图
9.2.3 网络拓扑
从网络拓扑的角度来看，智能电网通信实体可以分为三种网络架构，即家庭局域网（HAN），邻域网（NAN）和广域网（WAN）。图9.1显示了智能电网的通信网络示意图，每个模块现在分别描述。
9.2.3.1 家庭区域网络
这是智能电网联网系统的基本核心元素[17]。图9.2显示了一个HAN的框图，其中耗能家用电器和电能表是主要组成节点。理想情况下，所有家用电器都将连接至智能电表，该智能电表将首先将测量数据传输至家庭中心，然后传输至中央管理实体。
有几种可用的技术可以促进设备之间的通信，只要传感器已安装或嵌入设备之间进行设备间通信即可。 无线通信[18]是这方面最突出的技术，而对于设备间通信，机器对机器（M2M）技术[19,20]可被利用，其中M2M目前在LTE版本10和更高版本中被标准化[21]。
要求实体将智能电表收集的数据传输到本地数据集中器。无线局域网（WLAN）和新兴的毫微微蜂窝基站技术[22]作为家庭通信集线器是可行的选择，前者使用基于IP的以太网，后者将有线回传和蜂窝网络组合用于数据回传给分销商。
图9.2 HAN的框图
HAN通常由家庭能源管理系统（HEMS）管理，该系统使能源管理过程更具交互性和动态性[23]。这将有助于优化能源使用，确保为消费者提供最低费用。例如，某些任务需要较高的能源量，但不需要立即执行，因此可以在能源价格较低时（即夜间）自动安排。另一个例子是新兴的插电式混合动力电动汽车（PHEV），其中汽车可以在夜间当电力现货价格下降到可以由用户预设的某个值时进行充电。
9.2.3.2 邻近区域网络
这些由几个HAN组成，这些HAN依次连接到本地数据集中器（LDC）。NAN的主要作用是可靠地从HAN收集能源消耗信息并将其存储在最不发达国家。公司有责任在一天中的不同时间积累各种仪表读数数据。 它还在管理需求响应方面发挥重要作用，因为它使中央实体能够通过解释使用模式来利用数据，从而可以制定适当的计费策略，以便在规定的时间段内分配需求。
NAN的覆盖范围可能包括城市中的几栋建筑物，每栋建筑物由几个单位或公寓组成。 在农村地区，NAN将包括几个地理位置相同的房屋。 NAN覆盖的实际区域取决于场景。 在[24]中的分析表明，NAN覆盖范围应该包括分别距离城乡最不发达国家最远500和700米的建筑物。 在城市地区，WLAN可以用于NAN实体之间的通信，而毫微微蜂窝网络是一种有吸引力的选择，而在农村地区，蜂窝系统可以用于NAN实体之间的通信。
9.2.3.3 广域网
WAN由几个HAN和NAN组成，还包括其他实体，如LDC和中央控制器。广域网遍布广泛的地理区域，并保持所有其他实体（如发电和配电单元）之间的通信。 WAN实际上是智能电网通信系统的通信骨干，基于以太网的IP网络，蜂窝网络，全球微波接入互操作性（WiMAX）以及长距离微波传输都可能构成未来智能电网中广域网的一部分框架。
由于不同类型的无线和有线网络可能是WAN的一部分，因此互操作性非常重要，因此传感器和执行器的数据可以在整个网络中无缝流动。此外，路线需要在多个传输选项的存在下进行优化。在大多数情况下，智能电网将与其他应用共享网络，因此可能会遇到潜在的延迟和/或导致网络拥塞。智能电网数据还可能包含时间关键信息，因此必须有专用网络或者一些优先级较高的信道机制，以确保及时交付所有时间关键数据。
9.2.4 智能电网通信技术
各种各样的通信技术可用于在智能电网内执行不同的任务，从使用数据收集和传输到监视生成和分配。 现在将审查一些最有前途的技术。
9.2.4.1 ZigBee（无线通信）
这是一套旨在通过单一网络控制连接各种设备的规范。它旨在为低成本，低功耗的无线传感器网络提供服务，最新版本的ZigBee能够在单个网络中容纳64,000多台设备。它被广泛应用于各种应用，包括楼宇自动化，远程监控和传感以及抄表[25]。
最近开发了一个名为ZigBee Smart Energy的独立能源应用版本。其众多功能包括动态定价增强，预付选项，其他协议的隧道和无线更新[26]。 ZigBee在未经许可的868MHz，915MHz和2.4GHz频带上运行，并且通常可以支持从20到250Kbps的数据速率，覆盖范围可达100米。它使用直接序列扩频（DSSS）调制并支持各种网络拓扑，包括树，星和网格。 ZigBee的安全规定使用128位高级加密系统（AES）进行维护。尽管具有许多优点，但该技术存在一些妨碍其广泛采用的缺陷。其中主要原因是有限的电池寿命是由于其体积小，ZigBee可能不适用于许多需要持续监测和强大处理能力的智能能源应用。另外，如果数据速率要求太高，那么ZigBee设备可能不是最佳选择。
9.2.4.2 WLAN(无线局域网)
相比之下，IEEE 802.11是为WLAN定义的一组标准，支持点对点和点对多点通信。该标准的最早版本于1997年发布，并提出了后续修订，目前有多种WLAN版本可供使用[27]。出于多种原因，WLAN对于智能电网数据通信可能是特别有利的解决方案。首先，该设备在世界各地被广泛接受并用于互联网接入，许多家庭已经安装了一台。其次，WLAN相对便宜，所以即使需要新安装，也不会太昂贵;第三，WLAN卡是即插即用设备，安装起来非常简单。
此标准的早期版本同时使用DSSS和跳频扩频（FHSS）调制，但后者的变体采用正交频分复用（OFDM），因为其固有的频谱效率和支持数Mbps的数据速率。作为最新标准化技术的IEEE 802.ad也使用OFDM和多输入多输出（MIMO），并在60 GHz频带上运行，承诺最高数据速率可达7 Gbps [28] 。
WLAN通常在与其他一些标准共享的2.4或3.5 GHz频段上工作，因此在密集部署区域可能会出现严重干扰。如果有其他相邻设备在同一频段上运行，则其性能可能会显着降低，因此可靠性受到损害。这无疑是面向智能电网系统采用基于WLAN的通信所面临的主要挑战[29]。
9.2.4.3 WiMAX(全球微波接入互操作性)
这是IEEE802.16系列标准的一部分，提供固定和移动宽带服务。 WiMAX通常工作在2.5或3.5 GHz信道上，尽管标准支持2至11 GHz和10至66 GHz传输，可扩展带宽范围为1.25至20 MHz，峰值数据速率为70 Mbps，覆盖范围可达50公里。然而，由于严重的干扰，小区边缘的数据速率要低得多。最近的一些WiMAX标准为固定用户提供了大约1 Gbps的峰值数据速率[30]。WiMAX是智能电网数据通信的一种有前途的技术。固定WiMAX支持高数据速率，如果有线网络由于高流量负载而不可用或拥塞，则可用于数据回传。移动WiMAX可用于从HAN收集仪表读数数据，也可用于将实时定价信息从中央控制器传送到HEMS。 WiMAX网络的另一个重要方面是系统中各个实体的停电检测。它也可以用于优化偏差电压等级达到预定义阈值[31]。
虽然WiMAX在提供智能电网的功能方面颇具吸引力，但同时也存在一些缺点。 WiMAX网络主要部署为家庭和移动用户提供宽带互联网服务。这意味着网络拓扑结构不一定是最
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