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。
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(shè)備和技術(shù)。這些升級活動的一個重要方面是在各種監(jiān)控和計量設(shè)備中加入通信能力。目前有多種無線和有線通信技術(shù)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(yīng)用的首選技術(shù)，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(luò)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(guān)重要的工具。然而，RF技術(shù)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1 kb。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(yù)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(見圖1)。
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(yù)測，因而其管理系統(tǒng)也更加復(fù)雜。此外，來自電動汽車的電力需求預(yù)計會大幅提高，這會導(dǎo)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(yīng);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(shè)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(guān)問題及其解決方案之前，需要構(gòu)建一個基礎(chǔ)設(shè)施來解決現(xiàn)有的問題并迎接將來的挑戰(zhàn)。“美國能源獨立和安全法案(2007)”針對智能電網(wǎng)列出了10多個關(guān)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(shù)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(yīng)能整合分布式可再生資源，落實需求響應(yīng)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(shè)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(luò)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(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(shè)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(guān)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(fù)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(luò)各自所需的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)有通信技術(shù)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’s Research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(shè)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(yīng)未來的發(fā)展，設(shè)計留有足夠的余量，應(yīng)考慮到10年后可能出現(xiàn)的問題。電力公司和設(shè)備供應(yīng)商需要不斷比較和權(quán)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(luò)
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(luò);2) 連接到數(shù)據(jù)采集器或網(wǎng)絡(luò)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)。
智能計量通信：投資的主要部分
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(shù)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(shù)：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(yīng)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。
