基于認(rèn)知無線電技術(shù)的智能電網(wǎng)應(yīng)用

董源

【摘要】當(dāng)前電網(wǎng)無線通信復(fù)雜的環(huán)境、以及干擾衰落等問題制約著智能電網(wǎng)領(lǐng)域的無線通信技術(shù)發(fā)展。而近些年認(rèn)知無線電技術(shù)作為一種具有前景的，可以解決下一代電網(wǎng)通信問題的技術(shù)被廣泛研究。本文針對(duì)智能電網(wǎng)的特點(diǎn)，討論了智能電網(wǎng)的認(rèn)知無線傳感網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，并分析其所面臨的主要挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；認(rèn)知無線電；動(dòng)態(tài)頻譜管理；頻譜感知

隨著世界人口的迅猛增長(zhǎng)和電網(wǎng)負(fù)荷需求的快速增多，各類電力設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也在逐年猛增，海量數(shù)據(jù)的收集傳輸及存儲(chǔ)，給傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)絡(luò)帶來著巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電網(wǎng)急需轉(zhuǎn)變?yōu)楦悄?、可靠、自?dòng)、安全的智能電網(wǎng)。

目前智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)面臨著傳輸環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾、通信容量受限等多方面問題的困擾。在固定頻譜分配政策的嚴(yán)格制約下，新型無線通信應(yīng)用對(duì)未授權(quán)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段過度使用，而部分授權(quán)頻譜的利用率卻極低，造成了頻譜資源的極大浪費(fèi)。具有動(dòng)態(tài)頻譜管理功能的認(rèn)知無線電技術(shù)憑借其感知、通信及計(jì)算能力可以為智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的諸多應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1、基于認(rèn)知無線電技術(shù)的智能電網(wǎng)應(yīng)用

1.1先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施

先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施是一個(gè)測(cè)量、收集、存儲(chǔ)和分析用戶用電信息的網(wǎng)絡(luò)信息處理系統(tǒng)，大多在室內(nèi)安裝，以智能電表為例它可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量、用戶賬單、付費(fèi)調(diào)節(jié)、合同更換等諸多功能，指導(dǎo)用戶調(diào)節(jié)高峰、低峰時(shí)的用電量來使電網(wǎng)更加均衡。而當(dāng)前大多數(shù)計(jì)量表與接入點(diǎn)間龐大的數(shù)據(jù)傳輸是利用工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段進(jìn)行的，受周圍頻譜環(huán)境的干擾與噪聲影響，安全性降低、延時(shí)、丟包等情況大量發(fā)生。認(rèn)知無線電技術(shù)可以通過動(dòng)態(tài)頻譜管理功能機(jī)會(huì)接入頻譜，利用空閑的授權(quán)頻段進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)傳輸，降低計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施的部署成本。

1.2分布式發(fā)電及儲(chǔ)蓄電能

分布式發(fā)電是指布置在用戶附近進(jìn)行的風(fēng)力、太陽能、生物質(zhì)能等小規(guī)模發(fā)電，通過提供清潔可再生、高效、可靠的電力能源來滿足就近用戶的電力需求，減輕電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)降低電力輸送過程的損耗；電能儲(chǔ)蓄設(shè)備可以調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)緩解電力峰值負(fù)荷壓力。認(rèn)知無線電技術(shù)的動(dòng)態(tài)頻譜管理功能可以克服分布式發(fā)電以及儲(chǔ)蓄電能的過程中，對(duì)電能質(zhì)量、電壓、頻率穩(wěn)定性等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)傳輸時(shí)的電磁干擾、網(wǎng)絡(luò)沖突、噪聲、障礙物阻擋等問題。

1.3架空輸電線路監(jiān)測(cè)

架空輸電線路時(shí)常面臨著雷擊、冰凍、山體滑坡、鳥害、過熱等隱患，危及著輸電線路的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。需要安裝傳感器監(jiān)測(cè)架空輸電線路的運(yùn)行參數(shù)，由于輸電線路自身分布式的特點(diǎn)，給傳感器的數(shù)據(jù)傳輸帶來了電磁干擾、衰落等問題。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)可以憑借其兼容不同的頻譜協(xié)議的特性來動(dòng)態(tài)管理頻譜，改善架空輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的帶寬及穩(wěn)定性。

2、智能電網(wǎng)的認(rèn)知無線傳感網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)的認(rèn)知無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)包括家域網(wǎng)、鄰域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。不同于傳統(tǒng)的智能電網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)，認(rèn)知無線電技術(shù)更能支持經(jīng)濟(jì)、靈活、高效、可靠地通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（1）家域網(wǎng)是智能電網(wǎng)的最基本子網(wǎng)，負(fù)責(zé)為各類家用電器、多媒體設(shè)備、電能管理系統(tǒng)以及電表之間提供一個(gè)雙向通信通道，并為需求響應(yīng)、家庭電能管理、負(fù)載管理、智能電表等智能電網(wǎng)的應(yīng)用搭造一個(gè)技術(shù)平臺(tái)。這其中每個(gè)應(yīng)用都有峰值需求抑制、降低成本、提高用戶滿意度、需求匹配等獨(dú)立操作目標(biāo)。（2）鄰域網(wǎng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)家域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的通信連接，在智能電網(wǎng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中，鄰域網(wǎng)收集多個(gè)家域網(wǎng)的監(jiān)測(cè)及服務(wù)信息，并通過廣域網(wǎng)將其傳輸?shù)娇刂浦行牡臄?shù)據(jù)采集裝置。將基于認(rèn)知無線電的鄰域網(wǎng)關(guān)整合為一個(gè)系統(tǒng)，能夠?qū)⒍鄠€(gè)家域網(wǎng)關(guān)連接起來，根據(jù)通信需求為其分配工作頻段，從而提高頻譜利用率、保證QoS需求、提鄰域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量。（3）廣域網(wǎng)由多個(gè)鄰域網(wǎng)、智能電網(wǎng)的變電站、分布式電網(wǎng)電力設(shè)施組成。借助基于認(rèn)知無線電的鄰域網(wǎng)關(guān)及認(rèn)知基站，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)鄰域網(wǎng)與廣域網(wǎng)控制中心的雙向通信，通過實(shí)時(shí)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，控制中心可以通過分析判決來為多個(gè)鄰域網(wǎng)分配可用頻譜，從而解決重疊區(qū)域的共存問題，提高頻譜的利用率。

3、智能電網(wǎng)環(huán)境下的認(rèn)知無線電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

認(rèn)知無線電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可靠、安全、高效的智能電網(wǎng)通信設(shè)施建設(shè)的前提基礎(chǔ)，能夠解決傳統(tǒng)智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)所面臨的頻譜資源受限、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差、傳輸速率低等問題，然在電網(wǎng)所處的特殊環(huán)境中其面臨著許多新的挑戰(zhàn)：

（1）頻譜感知是認(rèn)知用戶感知頻譜空穴的過程，其高能耗特性它給智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)的大規(guī)模部署帶來了困難，簡(jiǎn)化認(rèn)知設(shè)備的硬件配置、縮短感知時(shí)間、利用單射頻無線通信、可以降低感知復(fù)雜度從而減少耗能，使得頻譜感知技術(shù)得以在智能電網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用。（2）頻譜判決過程分為兩步：首先描述某個(gè)頻段的接收信號(hào)強(qiáng)度、干擾、傳輸功率、用戶個(gè)數(shù)、安全需求等特性；再根據(jù)獲得的頻譜特性進(jìn)行頻段選擇。智能電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式特性伴隨著無線電干擾、網(wǎng)絡(luò)密度及信道特性等變化多樣等問題，制約著頻段特性的獲取，增加頻譜判決的難度。（3）頻譜共享過程主要實(shí)現(xiàn)最佳信道的選擇、時(shí)間同步、功率控制等類似媒體接入控制協(xié)議的核心功能。功率控制方法能夠使大范圍部署的智能電網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備調(diào)整信息傳輸功率，減少感知節(jié)點(diǎn)多余的能量消耗并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，而對(duì)于要求準(zhǔn)確時(shí)間同步的智能電網(wǎng)應(yīng)用，由于缺少時(shí)鐘源很難保持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的時(shí)間同步。

4、結(jié)論

本文全面介紹了智能電網(wǎng)的特性以及基于認(rèn)知無線電的智能電網(wǎng)應(yīng)用，討論了智能電網(wǎng)的認(rèn)知無線傳感網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)。期望這本文能夠激發(fā)更多學(xué)者進(jìn)一步探索這個(gè)有前途的研究領(lǐng)域。

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