电力通信技术在智能电网中的应用

张国豪，韩 方

（1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210000；2.国网江苏省电力有限公司南京市江北新区供电分公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着电力系统朝着数字化、智能化发展，电力通信技术在电网中的应用变得越来越重要。电力通信技术不仅能支持电网的基本运行，而且在远程监控、故障检测和处理、智能电表读取等方面发挥着关键作用。尽管电力通信技术在电网中的应用具有显著优势，但如何选择和设计适合特定应用场景的电力通信技术仍然是一个挑战。

1 智能电网与电力通信技术概述

1.1 智能电网

智能电网是一种集信息技术、数据通信技术以及先进的自动化控制技术于一体的现代电力网络系统，实现电力设施与用户之间的双向通信与控制。其核心特征包括智能化、互动性、环保性以及高效性。智能电网内置众多的传感器和智能电子设备，能实时地监控、分析及处理电网的运行状态，从而实现自我诊断和自我修复。互动性使用户能积极参与电力生产、消费、节能等环节，满足个性化的电力需求。此外，智能电网的环保性体现在广泛接纳和支持清洁能源，如太阳能、风能，有助于减少碳排放并优化能源结构[1]。智能电网的高效性是通过先进的自动化设备和管理方式来提高电力系统的运行效率，降低电力损耗，确保电力供应的可靠性。

1.2 电力通信技术

电力通信技术指在电力系统中，采用各种通信技术（如光纤通信、无线通信、电力线通信等）进行信息传输和数据交换的一种技术。它主要包括电力远程通信、电力自动化通信以及电力数据通信等类型。电力远程通信主要用于电力系统内部的通信业务，如调度通信、管理通信等。电力自动化通信主要用于配电自动化、变电自动化、电厂自动化等业务，实现电力设备的远程控制和数据采集。电力数据通信则主要用于采集、传输及处理电力系统的各种运行数据，如电压、电流、功率等参数和报警信息等。它是电力系统监控和管理的重要手段，可确保电力系统的稳定和安全运行。

2 电力通信技术在智能电网中的关键应用

2.1 智能电表与远程抄表系统

2.1.1 智能电表的原理与功能

智能电表是电力系统的关键设备，可以实时、精确地测量和记录电能消耗。通过内置的通信模块，实现远程抄表、远程控制、数据分析等功能，为电网运营商提供重要的数据支持，为用户提供便利的电能管理服务。

智能电表工作原理如图1 所示。

图1 智能电表工作原理

智能电表通过采样电路获取电网的电压和电流信号，然后经过模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）将模拟信号转换为数字信号。经过微处理器处理和计算数字信号，得到有功电能、无功电能、功率因数等电力参数。

在功能上，智能电表具有多项优越特性。首先，智能电表具备电能测量功能，可以实时、精确地测量电能消耗，支持正向有功电能、反向有功电能、无功电能、高峰电能、低谷电能、尖峰电能以及平段电能的分时段测量，还支持多用户共表测量。其次，智能电表具备远程抄表功能，通过内置的通信模块将电表数据远程传输到抄表中心，大大提高抄表工作的效率[2]。最后，智能电表还具备预付费、远程控制、故障检测与报警等功能，可满足电力系统运行和用户电能管理的多样化需求。

2.1.2 远程抄表系统的结构

远程抄表系统是智能电表系统的重要组成部分，主要负责对分布在各地的智能电表进行数据读取和命令下发。其结构通常包括抄表中心、通信网络以及智能电表等，如图2 所示。

图2 远程抄表系统的结构

抄表中心是远程抄表系统的核心，负责管理和控制整个系统的运行。通过数据采集服务器接收和处理从智能电表传送过来的各种数据，如电能消耗数据、电表状态数据等，同时向智能电表下发各种控制命令。抄表中心还能进行数据存储和分析，生成各种报表，为电力运营商的决策提供支持。

通信网络是抄表中心和智能电表之间的连接通道。根据实际需求和环境条件，通信网络可采用各种通信技术，如有线通信技术、无线通信技术以及电力线载波通信技术等。

智能电表是远程抄表系统的末端设备，主要负责电能测量和信息采集。每个智能电表都有一个或多个通信接口，通过这些接口与通信网络连接，实现数据上传和命令接收。

良好的通信技术可保证数据传输的可靠性和实时性，提高抄表的准确性和效率。同时，要考虑通信技术的选择对通信网络建设和运行成本的影响，及其对电网运行环境的适应性[3]。例如，对于分布范围广、地理环境复杂的电网，可考虑采用无线通信技术；对于密集城市区域，可考虑采用有线通信技术或电力线载波通信技术。

2.2 智能配电网通信技术

2.2.1 智能配电通信设备与通信协议

智能电表、配电自动化设备（如远程终端单元、智能开关等）、分布式能源系统、电能质量监测设备等智能配电设施是构成智能电网的核心部分。这些设备可以实时监测、远程控制、快速定位以及处理故障，提高电网的运行效率和安全性。

设备间的通信主要依赖IEC 61850 标准、Modbus协议、分布式网络协议3（Distributed Network Protocol 3，DNP3）以及ZigBee 协议。IEC 61850 标准专为电力系统自动化设立，定义电力系统设备的数据模型、服务和设备间的通信协议，可提升设备互操作性，减少对设备供应商的依赖，降低系统集成复杂性。Modbus 协议主要用于智能电表、远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）等设备的通信，是工业自动化控制系统中的重要通信协议。DNP3 是开放协议，主要用于电力系统自动化，支持事件驱动和实时数据传输，保证设备间的可靠通信[4]。ZigBee 是一种低功耗的无线通信技术，主要用于家庭能源管理系统和电力负荷控制，适合短距离、低数据量的通信。

2.2.2 数据采集与监控

智能配电网中，数据采集与监控主要依赖于数据采集与监视控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系统和各类智能传感器设备。实际应用中，为有效采集数据，需要确定合适的采样间隔Δt，一般根据采样定理来计算。采样定理的表达式为

式中：Fs为采样频率，Fmax为被采样信号的最大频率。

Δt一般为Fs的倒数，即

结合采样公式，根据电力系统的状态变化和采样精度要求，确定合适的采样间隔[5]。为去除采集数据中的噪声和误差，需要对采集的数据进行滤波处理。常用的滤波算法包括移动平均滤波、中值滤波等。通过一系列处理，可有效采集和实时监控智能配电网中的数据，保证电力系统的安全稳定运行。

2.2.3 应用实例

以某城市的智能配电网为例，采用数据采集与监控技术对各个配电站点进行数据采集和监控，包括电流、电压、功率因数等数据。其中，电流和电压的监控尤其重要，可以及时发现和处理电网异常，避免严重的供电问题。某日该城市A、B、C 配电站点的电网检测数据如表1 所示。

表1 某日智能配电网监控数据

由表1 可知，对于配电站点A 和B，全天的电流、电压及功率因数都处于正常范围内；对于配电站点C，尽管大部分时间其电流、电压及功率因数都处于正常范围，但在12:00，电流升高至390 A，同时功率因数降低到0.90，超出正常的运行范围，因此系统将其标记为异常状态。

该异常可能是由于该时间段内配电站点C 的负载突然增加，或者配电设备出现故障等。当监控系统检测到此类异常情况时，及时向运维人员发出警报，以便采取必要的故障排除措施，确保电力系统的稳定运行。通过实时监测电网运行参数，及时发现并处理电网运行异常，可以避免故障范围扩大，提高电网运行的安全性和可靠性。

3 结 论

随着科技的进步和电力行业的快速发展，智能电网已成为电力系统的重要组成部分。电力通信技术在智能电网中起着至关重要的作用。无论是智能电表的应用，还是智能配电网的建设，都离不开电力通信技术的支持。通过深入分析智能电表与远程抄表系统、智能配电网通信技术，探讨电力通信技术在智能电网中的关键应用，研究结果表明，电力通信技术可以有效提高电力系统的运行效率和稳定性，同时为电力系统的安全运行提供有力保障。未来，电力通信技术将在智能电网中发挥更大的作用，对智能电网的发展起到推动作用。