短距離低速移動(dòng)通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

潘開(kāi)國(guó)

短距離低速移動(dòng)通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

潘開(kāi)國(guó)

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)州電力分公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

將最新的數(shù)字通信技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)集成到現(xiàn)有的電網(wǎng)中，智能電網(wǎng)有望以一種復(fù)雜的方式滿足新時(shí)代的社會(huì)發(fā)展需求。通過(guò)對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了歸納和概括。在短距離低速率通信要求下，結(jié)合Internet協(xié)議（IP）支持、電源使用情況、數(shù)據(jù)速率等網(wǎng)絡(luò)屬性，對(duì)ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi、6LoWPAN和Z-Wave幾種通信技術(shù)進(jìn)行了比較，并簡(jiǎn)要概括了各個(gè)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

移動(dòng)通信；智能電網(wǎng)；短距離；低速率

1 引言

智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組件是智能儀表、傳感器、監(jiān)視系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它們控制著各個(gè)利益相關(guān)者之間的信息流，使其成為雙向通信網(wǎng)絡(luò)，也稱為高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）。其他智能電網(wǎng)應(yīng)用包括能源管理系統(tǒng)（EMS）、分布式發(fā)電（DPG）及其與系統(tǒng)的可靠集成、設(shè)備的診斷、控制等。家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）需要短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)，用戶和公用事業(yè)之間的通信需要鄰域網(wǎng)，也可能需要廣域網(wǎng)。因此，本文的目標(biāo)是探索可應(yīng)用于關(guān)鍵智能電網(wǎng)應(yīng)用的各種短距離和遠(yuǎn)距離通信技術(shù)。IEEE和許多其他地區(qū)及國(guó)際機(jī)構(gòu)已經(jīng)確定了智能電網(wǎng)應(yīng)用中的許多有線以及無(wú)線通信技術(shù)（WCT）。然而，在許多智能電網(wǎng)應(yīng)用中，通信鏈路的數(shù)量巨大，從經(jīng)濟(jì)或物理層面來(lái)說(shuō)不適合使用有線解決方案；另一方面，無(wú)線技術(shù)帶來(lái)的好處包括設(shè)備和安裝成本降低、部署迅速、訪問(wèn)廣泛以及靈活性更高等。

2 智能電網(wǎng)中的通信技術(shù)

本部分研究了不同的短距離無(wú)線通信協(xié)議對(duì)智能電網(wǎng)實(shí)施的適用性，討論了ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi、6LoWPAN和Z-Wave五種技術(shù)。IEEE為前三種技術(shù)設(shè)置了不同的標(biāo)準(zhǔn)，其中僅定義了物理（PHY）和媒體訪問(wèn)控制（MAC）層：藍(lán)牙（802.15.1a）、ZigBee（802.15.4b）和Wi-Fi（802.11g）?；ヂ?lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）引入了6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)支持IPv6的低功耗通信。出于比較的目的，也考慮使用專有解決方案Z-Wave。

2.1 ZigBee

ZigBee協(xié)議用在很多的家庭組網(wǎng)，包括智能電網(wǎng)中的家庭區(qū)域網(wǎng)。ZigBee是建立在IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.15.4之上的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，是一種非常有效且具有成本效益的解決方案，是特別為無(wú)線設(shè)備的低功耗和長(zhǎng)期通信要求而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。但是，它為個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）提供了低數(shù)據(jù)速率。該技術(shù)可廣泛用于設(shè)備控制、可靠的消息傳遞、家庭和樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子、遠(yuǎn)程監(jiān)控、醫(yī)療保健以及許多其他領(lǐng)域。如果所有設(shè)備都通過(guò)具有直接序列擴(kuò)頻（DSSS）的IEEE 802.15.4鏈路互連，則這是一個(gè)低功率網(wǎng)絡(luò)。在未經(jīng)許可的2.4 GHz頻帶中，估計(jì)的數(shù)據(jù)速率為每個(gè)通道250 kbps，在915 MHz頻帶中為每個(gè)通道40 kbps，在868 MHz頻帶中為每個(gè)通道20 kbps。ZigBee支持10～75 m的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，尤其是室內(nèi)30 m，無(wú)限制距離的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)多個(gè)鏈接到達(dá)，并且可以動(dòng)態(tài)更新和優(yōu)化連接。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是去中心化的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在不斷變化的條件下管理自己。這些使得系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，再加上低功耗和低部署成本，ZigBee對(duì)于短距離低速率場(chǎng)景下的智能電網(wǎng)應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）和Wi-Fi

WLAN/Wi-Fi更適合數(shù)據(jù)速率要求相對(duì)較低且干擾環(huán)境較低的應(yīng)用。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建議用于基于以太網(wǎng)通信的可互操作的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)?；贗EC61850的WLAN可以通過(guò)使用帶有無(wú)線接口的傳感器和智能控制器進(jìn)行智能監(jiān)視和控制，來(lái)增強(qiáng)配電變電站的保護(hù)。WLAN/Wi-Fi也可在智能變電站中應(yīng)用，例如通過(guò)使用無(wú)線有載分接開(kāi)關(guān)傳感器來(lái)增強(qiáng)變壓器差動(dòng)保護(hù)，通過(guò)使用光纖旁的冗余無(wú)線鏈路，可以使變電站的監(jiān)控通信更加可靠。具有智能感應(yīng)和控制設(shè)備的WLAN（Wi-Fi）也可用于差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用中。通過(guò)將WLAN與Wireless Mesh概念相結(jié)合，可以開(kāi)發(fā)出動(dòng)態(tài)的自組織、自愈網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線網(wǎng)使用多跳路由，以較低的傳輸功率實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋距離。具有Wi-Fi模塊的智能電表可用于信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，添加轉(zhuǎn)發(fā)器可增加覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量。WLAN可以為分布式能源（DER）和分布式變電站提供上述服務(wù)。

Wi-Fi是目前接受度最高的無(wú)線室內(nèi)通信協(xié)議，能支持IPv6格式地址，在家庭用戶中極為普及[1]。但處理WLAN時(shí)也面臨各種挑戰(zhàn)，例如電磁干擾，因?yàn)楦邏弘姎庠O(shè)備會(huì)減慢通訊速度，甚至可能完全消失信號(hào)，來(lái)自其他無(wú)線設(shè)備的干擾將對(duì)通信產(chǎn)生不利影響，并且工業(yè)環(huán)境的無(wú)線設(shè)備尚不可用。然而，確認(rèn)協(xié)議，用于糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)緩沖的算法的優(yōu)化已經(jīng)提高了無(wú)線通信的可靠性。智能天線和波導(dǎo)等技術(shù)的發(fā)展使對(duì)抗射頻和電磁干擾成為可能，從而生產(chǎn)出更好的WLAN設(shè)備。

2.3 藍(lán)牙

藍(lán)牙是用于在短距離上交換數(shù)據(jù)的另一種常見(jiàn)的無(wú)線通信系統(tǒng)。它采用了工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)頻帶（2 400～ 2 480 MHz）中的短波無(wú)線電傳輸。它的主要特點(diǎn)是低功耗和快速數(shù)據(jù)交換以及廣泛的可用性。藍(lán)牙技術(shù)由愛(ài)立信的工程師在1994年開(kāi)發(fā)，藍(lán)牙的IEEE標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.15.1。

藍(lán)牙可用于智能家電、EMS和智能電表之間的通信[2]。它的最大數(shù)據(jù)速率為1 Mbps，標(biāo)稱范圍為10 m，具有79個(gè)RF通道，1 MHz通道帶寬和最多8個(gè)節(jié)點(diǎn)。

藍(lán)牙具有三個(gè)等級(jí)，即等級(jí)1、等級(jí)2和等級(jí)3，每個(gè)等級(jí)具有不同的范圍。藍(lán)牙協(xié)議支持IP尋址，因此可以用于家庭區(qū)域網(wǎng)的通信。但藍(lán)牙的使用范圍很短，它支持?jǐn)?shù)量有限的節(jié)點(diǎn)，這在智能電網(wǎng)的應(yīng)用中可能是一個(gè)嚴(yán)重的約束。像許多其他技術(shù)一樣，藍(lán)牙是在低功率下運(yùn)行的，所以強(qiáng)烈的噪聲可能導(dǎo)致信號(hào)丟失或損壞。此外，它在2.4 GHz上工作，并且在相同系統(tǒng)頻率下與其他無(wú)線技術(shù)（例如Wi-Fi、ZigBee等）一樣存在干擾問(wèn)題。藍(lán)牙也會(huì)有一些固有的安全性問(wèn)題；另一方面，最新版的藍(lán)牙v4.0引入了低能耗技術(shù)，研究人員正在研究這種低能耗技術(shù)，以尋求IP支持。

2.4 6LoWPAN

6LoWPAN是一種基于IPv6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。它使IEEE802.15.4（低速率WPAN的IEEE小組委員會(huì)）與IPv6協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)小型設(shè)備（包括傳感器、控制器等）的IP低功耗網(wǎng)絡(luò)。IETF RFC 4944描述了結(jié)合IP和WPAN技術(shù)的機(jī)制。各種技術(shù)供應(yīng)商都在嘗試采用基于6LoWPAN的協(xié)議以實(shí)現(xiàn)IP功能。例如，ZigBee聯(lián)盟開(kāi)發(fā)了一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)范ZigBee IP，該規(guī)范基于包括6LoWPAN在內(nèi)的IETF協(xié)議[3]。

6LoWPAN使用網(wǎng)狀拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)高可伸縮性?？缮炜s性還受路由協(xié)議選擇的影響。例如，分層路由是6LoWPAN中用于增加網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性的路由協(xié)議之一。網(wǎng)狀拓?fù)溥€為網(wǎng)絡(luò)提供了自我修復(fù)功能，因?yàn)樵阪溌窋嚅_(kāi)的情況下可以改變通信鏈路。 6LoWPAN具有很高的互操作性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)代技術(shù)都支持IP，例如基于6LoWPAN的Web應(yīng)用程序的互操作性的研究等。6LoWPAN的安全性是研究人員面臨的挑戰(zhàn)之一，IPSec與IP一起使用可以增強(qiáng)6LoWPAN安全性。在智慧城市的建設(shè)中，智能樓宇、自動(dòng)駕駛、城市應(yīng)災(zāi)等方面都有6LoWPAN協(xié)議的應(yīng)用。

2.5 Z-Wave

Z-Wave的專有標(biāo)準(zhǔn)專門用于住宅和商業(yè)區(qū)域的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用。它通常具有30 m的室內(nèi)范圍，可延伸到100 m的室外范圍。Z-Wave采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)來(lái)自簡(jiǎn)單的命令結(jié)構(gòu)，不受家庭干擾，低帶寬控制介質(zhì)和IP支持。Z-Wave提供9.6 kbps的低數(shù)據(jù)速率，但是后來(lái)擴(kuò)展到了40 kbps。Z-Wave400系列還支持2.4 GHz頻帶和200 kbps的數(shù)據(jù)速率。由于所有節(jié)點(diǎn)的路由功能，Z-Wave自動(dòng)將消息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)路由到另一節(jié)點(diǎn)?？刂破骱蛷膶僭O(shè)備是Z-Wave定義的兩種設(shè)備?？刂破骶S護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥恼疽部捎米髀酚善?，可用于監(jiān)視傳感器。

對(duì)ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙、6LoWPAN和Z-Wave的比較研究表明，Wi-Fi具有更大的覆蓋范圍和廣泛的可用性，藍(lán)牙易于訪問(wèn)并提供安全的短距離通信，6LoWPAN為WPAN增添了IP功能，并且ZigBee以低功耗和低成本容納了更多的節(jié)點(diǎn)。ZigBee可用于HAN以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的智能計(jì)量。它還可以提供對(duì)智能電表和其他設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。ZigBee具有可靠的安全性，并采用了強(qiáng)大的加密技術(shù)。與避免信道沖突的其他技術(shù)相比，它具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；另一方面，6LoWPAN適用于支持IP的低功耗設(shè)備，例如傳感器和控制器。Z-Wave的特點(diǎn)是可靠地將短消息從控制器傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 總結(jié)

為了人類的福祉，開(kāi)發(fā)智能電網(wǎng)的巨大潛力取決于先進(jìn)通信基礎(chǔ)設(shè)施的迅速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化。人們已經(jīng)對(duì)HAN的WCT做了一定的總結(jié)概括，與藍(lán)牙短距離（典型值10 m）安全通信相比，Wi-Fi提供高數(shù)據(jù)速率和更大范圍的通信（室內(nèi)100 m）；但是ZigBee具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，通信距離在合理的室內(nèi)范圍（10～75 m）。ZigBee的低數(shù)據(jù)速率（40～250 kbps）是實(shí)現(xiàn)低功耗技術(shù)的原因之一，盡管ZigBee數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)低于Wi-Fi（11～300 Mbps），但對(duì)于大多數(shù)常規(guī)HAN應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。此外，ZigBee支持大量節(jié)點(diǎn)（超過(guò)64 000個(gè)），這使得在新節(jié)點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)通信可擴(kuò)展。Z-Wave和6LoWPAN對(duì)于啟用IP的低功耗設(shè)備非常有利。

電力能源作為當(dāng)今社會(huì)中的基礎(chǔ)能源，在人類的生活中起著非常重要的作用，電力通信技術(shù)在智能電網(wǎng)發(fā)展的過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色。現(xiàn)階段電力通信技術(shù)在智能電網(wǎng)中已經(jīng)展現(xiàn)出非常顯著的成果，但是兩者之間還有大量的可挖掘空間。電力通信技術(shù)的完善與創(chuàng)新會(huì)直接影響到智能電網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)度，所以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并解決電力通信技術(shù)方面出現(xiàn)的問(wèn)題，才能夠?yàn)殡娋W(wǎng)智能化發(fā)展提供可靠的保障，促進(jìn)智能電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定發(fā)展。

［1］鐘少恒.M2M通信技術(shù)及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3（8）：38-40，45.

［2］熊德智，粟忠民.基于藍(lán)牙技術(shù)的低壓集抄系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)通信，2013（1）：50-54.

［3］苗慧宇.基于6lowpan的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議研究［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2018.

2095－6835（2019）22－0156－02

TN828.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.066

潘開(kāi)國(guó)（1979—），男，江蘇揚(yáng)州人，助理工程師，大專，負(fù)荷控制員。

〔編輯：張思楠〕