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網絡通信驅動智能電網發展的要求和挑戰

瀏覽:556 發表時間:2020-04-28 09:56:08

   盡人皆知,中國的智能電網則體現特高壓、超長距、清潔能源並網、配電自動化、用戶雙向互動等。毫無疑問,要建設經濟、高效、可靠的智能電網,離不開現代先進的通信技術,比如內蒙、西北的風電,青海西藏的太陽能以及其他的西電東送,均離不開全國性的調度通信網的實時監控與調度,以減少並網波動。 

  隨著中國經濟的快速發展,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湧現,風電和光電等清潔能源的並網,這對網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。智能電網能夠實現雙向互動。在用電側,用電設備的智能聯網是智能電網的核心內容之一。 

  目前,電力係統的數據通信網絡主要包括電力調度數據網和電力綜合數據網。未來的電力通信網將在這兩張網的基礎上進一步擴展,建立起智能電網廣泛互聯的堅強通信網架構。 

  全球正在開展大量活動來升級電網,使電力能以更有效、更可靠、更環保也更經濟的方式傳輸。其中包括升級電網發電、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麵是在各種監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和應用的首選技術,但也麵臨著自己的挑戰。 

  在電網中加入通信能力的一般原則是在網絡中的發電點、輸配電點和用電點之間提供雙向通信。為使電網更高效地運作,這種通信鏈路是至關重要的工具。然而,RF技術最初采用時並不是出於此目的,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據。 

  這種自動抄表(AMR)係統旨在支持從電力公司到消費者的單向電力流。AMR係統還向電力公司提供單向信息流用以計費,並在一定的時間內傳輸用電信息。數據速率很低,傳輸的總數據量也很少,每月通常不到1kb。目前大約有1.5億隻在用的電表、水表和煤氣表具有通信能力,其中大部分具有這種低數據速率、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的電網截然不同的新型電網已浮出水麵。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願望,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電來源。 

  與傳統的化石燃料發電廠相比,風能和太陽能發電更加難以預測,因而其管理係統也更加複雜。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。最後,為了減慢電力需求的增長速度,企業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、控製和保護功能的“智能電網”。“智能電網”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。在智能電網的支持下,許多功能將得以實現,包括:平衡集中式發電廠的發電量;優化電力配送;改善電力質量監控和停電響應;支持對最終用戶的負荷量進行控製;實現按天計費製;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。 

  驅動智能電網發展的要求和挑戰 

  智能電網計劃已經啟動,並且設定了一係列宏大目標。許多情況下,為了實現這些目標,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有的問題並迎接將來的挑戰。“美國能源獨立和安全法案(2007)”針對智能電網列出了10多個關鍵政策目標,其中既有籠統性的目標,例如“利用數字技術提高電網的可靠性、安全性和效率”,也有更為具體的目標,例如“采用自動化計量、電網運作和狀態管理以及分布式電網管理”。根據這些目標,期望中的電網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並允許其加以控製。 

  除了這些挑戰以外,並存的風險要求我們製定網絡安全和互通標準。這些標準將使得電力公司初期部署的網絡基礎設施有能力兼容將來由許多公司開發的數以百萬計的互連設備。但這數以百萬計能夠輕鬆互連的節點,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字窗戶。 

  所有這些目標和風險加在一起,代表了一個複雜的閉環係統問題。如果隻比較智能電網與互聯網或蜂窩網絡各自所需的數據速率,現有通信技術似乎綽綽有餘,但真正的挑戰在於壽命、可靠性成本和未來需求之間的平衡。智能電網對於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20年甚至更長的時間。這些通信係統要求能夠適應未來的發展,設計留有足夠的餘量,應考慮到10年後可能出現的問題。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。 

  智能電網通信:多個互連網絡 

  由於智能電網將不同發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製、測量、數據記錄、保護和優化程度的係統。主要的係統可以分為以下組別:1)輸配電現場和廣域網絡;2)連接到數據采集器或網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(見圖2)。 

以智能計量為中心的通信係統吸引了最多的目光,成為不同技術的必爭之地。美國的潛在表計更換量超過1.4億隻,全球超過10億隻,因此智能表計代表了智能電網通信係統中的絕大部分節點,大部分成本都集中於此。 

  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。由於免執照高功率ISM頻段中存在可用的頻譜,並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通信技術使用現狀 

  進一步分析目前用來連接表計與電力公司的RF係統,我們會發現另一層次的競爭技術:網格係統和星型係統。這兩種係統試圖通過不同方式應對智能計量的RF挑戰。 

  將數百萬隻表計連接到電力公司是一個巨大的挑戰。僅就美國而言,連接現有表計意味著需要創建超過1億個預定位置的RF鏈路。其中許多位置處在對RF通信不利的環境中,例如地下室和混凝土牆後麵。還有許多位置是在RF幹擾源眾多且不斷變化的城市區域。 

  網格係統通過相鄰表計為單隻表計創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的網關。目前有多家供應商提供網格係統,其數據速率通常為100-150kbps,采用FSK或擴頻調製方案,一般工作在以915MHz為中心的ISM頻段,信道帶寬為50-200kHz。 

  星型係統主要使用特許執照頻段中的窄帶信號來連接相距較遠但數量較少的中心采集器。中心采集器所需的數量較少,位於山頂或高樓樓頂等視線清晰的位置,但其發射功率較高。星型係統通常采用FSK調製,其數據速率低於帶寬較寬的網格係統。除了所需中心采集器的數量較少外,星型係統的擁護者還提出它具有帶內頻譜無幹擾和網絡協議更簡單的優勢。 

  在美國,ISM頻段和特許執照頻段均已變得非常擁擠。對於網格係統和星型係統,這都意味著幹擾是必須攻克的中心挑戰。大規模計量網絡的部署會顯著提高頻譜擁擠程度,因為係統的最大幹擾源可能正是係統本身。 

  這種擁擠會給無線電和網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。提高數據速率可以縮短各節點的傳輸時長,但其代價是鏈路裕量減少。對於無線電,這種擁擠還意味著阻塞和鄰道抑製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在於表計的位置是固定的。它不像家用無線路由器,可以通過調整方向、高度或位置來解決幹擾問題。此外,為了適合現有表計外殼,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牆上。簡單的視線模型難以有效地描述信道。 

  需要注意的幹擾源因頻段和地區的不同而異。在美國,特許執照頻段和ISM頻段係統均存在重大幹擾源。常見幹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、也可能不是同一係統的一部分。就數據包結構、調製方案選擇和發射頻譜符合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。 

  對於已經部署的80%到90%的表計來說,通信相對較為容易。其餘的10%到20%表計因為地理位置、物理對象、嚴重的局部幹擾或附近噪聲源等因素,麵臨著嚴峻的RF挑戰。由於無法移動存在問題的表計,係統層麵的解決方案隻有增加數據采集器或中繼器,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。聯係實際來說,大規模部署的電表數量可能是500萬隻,如果覆蓋率隻有99%,那麽將有5萬隻電表無法讀取。 

  智能電網在技術、市場和社會方麵帶來了許多挑戰。RF設計人員必須提出新的優化措施,滿足工業級產品的需求,使其能在日益擁擠的頻譜環境中數十年如一日地工作,由此我們將獲得能夠靈活適應電力需求和供應發展的電網基礎設施。


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