4G通信技术及其在电力系统的应用研究

郎 赫

(国网天津市电力公司信息通信公司 天津300210)

4G通信技术及其在电力系统的应用研究

郎 赫

(国网天津市电力公司信息通信公司 天津300210)

随着科学技术的发展与进步，智能电网的特性与优势逐步显现。4G通信技术在电力系统中的应用被广泛关注，结合 4G技术可以为电网智能化提供更加灵活、可靠的通信支撑。分析了 4G通信技术的优势和电网智能化发展的特点，讨论了4G通信技术在电力系统中的应用前景。

电网智能化 4G通信技术 电力系统

1 智能电网

智能电网即电网的智能化，其建立在高速双向集成的通信网络基础上，运用先进的传感技术、测量技术、控制方法和决策支持系统技术，旨在实现电网的经济高效、安全可靠、环境友好等目标。

1.1 先进性

智能电网主要包括智能调度系统、智能计量系统、智能技术系统等。高级智能系统的应用，使智能电网较传统电网有以下优势：①利用技术支撑体系，可更加有效地抵御各类外部干扰和攻击；通过智能调度系统，能够使电网大规模外接清洁能源和可再生能源，提升电网的稳定性和对清洁能源的使用效率。②信息传感器技术与电网设施的有机融合，可获取电网的全景信息，为事故的发现和预见提供帮助。通过自动控制技术，在电网发生故障时，可以快速隔离故障并进行自我恢复。③通信技术和信息系统的综合运用，可提高电网的综合管理水平，使电网设备的运行更加经济和高效。④通过高速率的信息传输技术，实现实时信息传递，全面完整地展示电网的运营状态图，为电网的管理提供决策支持信息和紧急情况应急预案。⑤建立电力企业和用户互动服务模式，使用户可以实时了解电网的供电能力和电价状况等信息，帮助用户合理安排电量使用，并且可以通过用户的用电信息进行数据挖掘，为其提供更多的增值服务。

1.2 主要特性

1.2.1 电网的自愈性

自愈是指智能电网在出现故障时，能将出问题的元件从电网系统隔离并在无需人为干预或只需少量干预的情况下迅速恢复正常运行状态，从而实现不间断的供电服务。自愈性提高了电网的可靠性和安全性，是智能电网最重要的特性。

1.2.2 用户参与性

用户参与电网管理是智能电网的另一重要特性。它既有助于平衡供求关系，减少用户在用电高峰期的需求，从而提高供电系统的稳定性；也有助于用户选择更经济的时段进行电力消费。建立电网和用户的双向实时通信系统是实现用户参与功能的基础。实时通信系统能及时向用户通知实时电价和电网的状况，使用户能根据所提供的信息设计自己的用电方案。

1.2.3 即插即用性

智能电网将支持不同类型、不同容量的发电和储能设备无缝接入网内，为各类设备提供更加标准化的接口，类似于“即插即用”。该特性使智能电网更易同时利用各种各样的分布式电源接入，减少对单一能源的依赖，提高供电稳定性和电能质量。

1.2.4 资产利用高效性

智能电网可以通过优化企业资产组合，调整电网资产管理，使网内各项资源得到最大限度的利用。电网通过高速网络通信获取设备的运行状态，对设备进行在线状态监测，保证设备运行保持在最佳状态。智能系统控制装置还可以根据用电情况调整为最低损耗状态，选择最小成本进行能源输送。

智能电网的特性帮助用户更加合理地利用电力资源，更好地监控电网设备，更科学地进行资源管理。而这些功能实现的关键在于将高速通讯网络和可视化技术、电力监视和控制器件集成在统一的系统内。

1.3 关键技术

1.3.1 通信技术

智能电网的数据获取、数据保护和数据控制都需要高速的实时通信系统的支持，因此，高速、双向的实时通信系统是实现智能电网诸多特性的基础，是电力企业迈向智能电网的第一步。除此之外，通信系统还要具有深入到千家万户的能力，这样才能将两个网络紧密地联系在一起，形成网络系统，以实现建设智能电网的目标。

对于通信技术而言，除需满足高速、双向、实时性外，还应具备以下两个特点：①开放的通信架构，它能为智能电网提供一个即插即用的环境，使电网不同元件间能够通信；②统一的通信标准，它能使电网系统的设备和系统之间实现无缝通信。

1.3.2 量测技术

量测设备和技术主要用于智能电网进行设备的状况评估、电网完整性检查、电费计算和用户数据统计等。先进的参数量测技术可以为电力企业提供更详细的设备信息和用户使用信息，企业可通过数据处理技术为电力系统维护、决策制定和服务创新等提供支持。

1.3.4 控制技术

控制技术是智能电网中通过预测、分析和诊断设备状态来确定设备问题并采取适当措施进行故障预防和故障修复的装备和算法，旨在实现智能电网消除或减轻供电中断，提高供电稳定性的目标。智能电网控制技术可提供对输、配电和用户供电的控制方法并实现对整个电网有功和无功管理。

先进的控制技术和高速通信系统的结合是智能电网实现其自愈特性的基础和保障，可极大地提高电网运行的可靠性。先进的控制技术还能够支持分布式智能软件、分析工具等，为企业提供市场分析数据和资产管理数据。

2 4G通信技术综述

4G通信是第四代移动通信的总的称呼，是国际电信联盟(ITU)将移动通信系统同其他系统(无线局域网等)结合制定的系统标准，具有比 3G通信更高的数据率和频谱利用率，其网络速率的下行峰值速率可达 100,Mbps，通信质量明显高于3G通信。4G技术可实现无线网络、局域网、蓝牙、卫星通信等的无缝衔接，还具有很高的系统兼容性、安全性、智能性和灵活性。4G通信技术如今已经被广泛应用于网络视频直播和视频通话等服务中。

2.1 4G通信技术的特点

①高速率。采用 4G通信技术的信息传输速率可达到10,Mbit/s。②灵活性强。4G技术可自适应地进行资源分配，对信道条件不同的环境采用智能信号处理技术，使信号的正常收发不受环境影响。③用户共存性高。4G技术能根据各种用户设备进行自适应处理，使高、低速用户能够并存，从而满足多类型用户的需求。④兼容性好。4G标准的制定可以解决CDMA、TDMA和GSM三大移动通信标准分支的兼容性问题。⑤完全自治的网络结构。4G网络拥有一个完全自治的网络结构，可根据情况自动管理、动态改变自身的结构，以满足通信系统的变化和发展。

2.2 4G网络结构特点

4G网络结构为3层网络，即物理网络层、中间环境层、应用网络层。3层网络之间的接口是开放的，为开发商提供了便利的开发和服务平台。4G网络可提供无缝高数据率的无线服务，能运行于多个频带，自适应于多个无线标准和多模终端，并能跨越多个服务运营商，提供更大的服务范围。

4G网络具有如下特点：①4G网络具有更加开放、灵活的结构，是一个可重构、自组织、自适应的网络。②它与 Internet集成统一，将移动通信网作为一个无线接入网，具有支持系统通用接入的基础结构和接入技术同网络技术可以各自独立发展的特点。③4G网络拥有智能化的环境，可将不同系统连接为一个整体进行无缝切换，以满足用户的各种需求。

2.3 主要技术

2.3.1 OFDM调制技术

OFDM 调制技术是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想是在频域范围内将给定信道分成多个正交子信道，并对每个子信道上的子载波进行调制，同时并行传输各子载波，这样就能在信号传输过程中不受信道的频率响应曲线非平坦这一因素的影响，保证每个子信道的相对平坦。该技术采用子信道窄带传输，其信号带宽小于信道带宽，有利于消除信号间的干扰，对抗频率选择性衰落，提高频谱利用率。该技术可以满足无线多媒体业务对数据传输速率和传输质量的高要求。

2.3.2 软件无线电技术

软件无线电是利用软件加载方式，将模块化的硬件功能单元通过某种公共平台，实现多种无线电系统相互通信的一种开放式结构的技术。针对不同的无线电系统，通过相应软件程序，使其能在硬件平台上利用单一终端漫游。其主要思想是在靠近天线的地方尽量使用宽带模数转换和数模变换器，从而能更多地利用软件来实现无线功能。其软件系统包括无线信令处理软件、调制解调算法软件、信源编码软件、信号流变换软件、信道纠错软件、数字信号处理软件等；硬件系统主要涉及数字信号处理硬件、现场可编程器件等。

2.3.3 智能天线技术

智能天线技术是在基站端使用天线阵进行射频信号的收发，利用基带数字信号处理器合并各天线链路上接收到的信号，实现上行波束赋形，是移动通信领域的关键技术，具有抗干扰、自动跟踪及波束调节等功能。

智能天线主要有全自适应和多波束切换波束两种工作方式。全自适应方式是理论上的最优解决方案，但受制于硬件条件和技术限制，在干扰较多的信道条件下，可能出现错误收敛等问题，难以对用户进行实时跟踪。多波束切换波束方式是用波束将全空域分割覆盖，拥有不同的权值和不同的主瓣指向，接收信号时根据权值挑选工作模式，其技术相比自适应方式更容易实现。

2.3.4 多输入多输出技术

多输入多输出技术是指在基站和移动终端都配置多个天线，为通讯系统提供空间复用和分集增益。空间复用是利用信号传播中的多径分量，使用同一频带上的多个子信道发射信号。空间分集分为发射分集和接收分集两类，空间分集技术与信道编码技术的结合可获得高空时编码增益和分集增益。多输入多输出技术具有高频谱利用率的优点，可显著提高无线系统的容量及覆盖范围。

除以上主要技术外，4G通信技术还包含交互干扰抑制和多用户识别技术、可重构性自愈网络技术、嵌入式无线电接收技术和无线接入网技术等。这些技术的应用使得4G通信拥有传播速度快、信号传输质量高和传播方便等特点，在各个领域得到了广泛的应用，特别是其与电力系统智能电网的融合，将为智能电网的远程监控以及实地监测提供良好的网络条件。

3 4G通信技术在智能电网中的应用和意义

3.1 通信技术在电网发展中的应用

通信技术在我国电网系统中的初期应用，以电力载波通信和微波通信最为普遍。这两种通信方式的规模范围都相对偏小，其实际应用所需的专业技术相对比较简单，提供的功能也相对单一。随着各项新科技在人们日常生活中的应用，人们对用电量的需求和电力企业的配套服务有了更高的要求。这使得电网规模不断扩大、复杂程度不断提高，给电网的管理和维护带来了更高的要求，导致传统的主要通过电话指挥的通信运营方式已不能满足高速发展的电网需求。

随着智能电网概念的出现和快速发展，电力通信技术伴随其发展过程也历经了从电缆传输到光纤传输的升级和转变。高速的通信技术、计算机技术和网络技术的结合形成了智能电网的“神经系统”，是智能电网正常运行的重要基础，对电力系统有着至关重要的作用。

3.2 4G通信技术在智能电网中的应用

3.2.1 在配电网自动化领域中的应用

配电网自动化是对配电网通过综合计算机、自动化、通信等技术手段，进行智能化监控管理，保证配电网的运行状态和环境安全与可靠。配电网自动化有点多、面广和变动频繁等特点，这对通信提出了很高的要求。目前配电网自动化采用的主要通信方式是电力线载波通信和光线通信。电力线载波通信具有成本低廉、建设方便等优点，但其信号不稳定且易受环境干扰。光纤通信的信号传输质量和稳定性都很高，但光纤网络的建设和维护较困难，频繁调整的网络对其稳定运行影响很大。4G通信技术的灵活、高速和稳定等特点都很好地避免了上述两种通信手段的缺点，其具有的维护方便，可灵活调整网络的特性，以及传输的高速度、高质量等优点，决定了其将成为配网自动化领域的主要通信载体。

3.2.2 在风电场中的应用

风能是世界范围内广泛使用的主要清洁能源之一，是智能电网清洁能源的重要供给。但是，由于风力发电设备往往处于层峦起伏的山顶，其与智能电网系统间的通信一直是个难以解决的问题。传统的载波通信在山区中的通信质量会受到严重影响，而光纤通信也会面临因山高林密带来的施工和维护等方面的困难，并且建设成本极高。反观 4G通信，采用OFDM调制技术，具有很高的抗干扰和抗衰减能力，能有效克服风力发电场的诸多不利因素，将成为风电通信的主要选择。

3.2.3 在智能变电站站内通信的应用

目前我国智能变电站普遍采用光纤通信方式，通过光纤传输可以保证信号传输质量、同时避免相互干扰。但光纤通信需要铺设大量通信线路，而变电站空间有限，在站内狭小的场地里施工和维护的难度较高。4G通信是无线传输，同时还具有很高的抗干扰能力，可避免光纤通信带来的走线问题，因此4G 通信技术的应用势必能在智能变电站站内起到关键的作用。

3.2.4 在远程稽查领域中的应用

电网的安全管控工作通常由专人采用现场稽查的方式，其防控效果虽好，但由于通电网络体系庞杂、分布区域广泛，电力企业受人力、物力限制，很难做到稽查管控面面俱到。对于地处偏远的区域，管控难度大，各种窃电行为较为常见。利用4G通信技术提供的远程视屏功能，将现场配备视频采集系统和监控站通过4G网络连接，设置少量监控人员便可对大多数现场实行监管。24小时的视频采集对不法分子也有一定的警示作用，降低其违法犯罪的可能。

3.3 4G通信技术在智能电网建设过程中的重要意义

智能电网的优越性已被全世界所认可，世界各国都在加紧建设符合本国国情的智能电网。我国也制定了具体的建设方案，电网智能化的脚步已逐渐加快，进入了高速发展阶段。随着电网智能化的发展，各类新型技术已经开始应用其中并获得了良好的效果。现阶段，4G通信技术和智能电网的结合还处于初步的实践阶段，4G技术的应用仍主要停留在传统通信技术所提供的功能范畴，尚未完全发掘 4G技术的潜力，没有充分体现 4G技术的优越性。4G通信技术的不断完善和成熟使得其在电网智能化发展中的作用还将不断取得突破。

信息传输的高速度、高质量、实时和双向性等是 4G通信技术对智能电网建设的价值所在，智能电网在发展过程中若能更好地结合 4G通信技术，必然能带来自身的高速发展，同时智能电网也能够运用 4G通信技术而实现更高的智能化标准。甚至可以说，4G通信技术是智能电网的中枢神经。智能电网中应用4G通信技术之后，可以提供更加优化的网络来满足客户的需求，提供更为简单、灵活的电网接入方式，提供更加标准化的高质量服务。发展智能化电网是我国电力系统发展的战略目标，加紧 4G通信技术的研发是实现该目标的基本保障。

4 结 语

本文通过对智能化电网的特点和技术进行分析，说明了通信技术是更好地实现智能电网的关键。4G通信技术作为跨时代的技术产物，其各项技术指标对比 2G、3G技术都有了质的飞跃，并且拥有了许多新的特性。4G通信技术的应用，是当前电网智能化的最优选择，也是其发展的必然趋势。这归因于智能电网发展过程中面临的许多传统通信方式不能解决的问题，都能够通过 4G通信技术的应用得到有效的解决。当然，随着4G通信技术应用的深入，也不可避免会带来很多新的问题。因此，我国已加大对4G通信技术的研发力度，加强了4G技术在智能电网中的应用实践。随着研究的深入，有理由相信其将对我国电网的发展乃至社会的发展产生重要的影响，4G通信技术在电力系统中的应用必定会成为今后智能电网系统通信发展的重要方向。■

［1］ 谢景贤. 4G通信技术的创新与发展[J]. 信息通信，2012(4)：207-208.

［2］ 李佳航，李梓闻，张若阳. 智能电网通信技术的探究[J]. 电子制作，2013(6)：167.

［3］ 杨超，梅康，陈金鹰，等. 4G 通信技术及其应用前景[J]. 通信与信息技术，2011(3)：58-60.

4G Communication Technology and Their App lications in Electrical Power Systems

LANG He
(State Grid Tianjin Electric Power Company Information Communication Corp.，Tianjin 300210，China)

Follow ing the progress of science and technology，characteristics and advantages of an intelligent power grid are becoming more evident and the application of 4G communication technology in power systems has attracted w idespread interests as these technologies can offer more flexible and reliable communication support to the intelligent trend of power grids. Through analyzing advantages of 4G technology and features of the intelligent trend of power grids，this paper discusses the application prospect of 4G technology in electric power systems.

intelligent power grid；4G communication technology；electric power system

TN915.5

：A

：1006-8945(2015)03-0044-03

2015-02-09