双向通信网络在智能电网的整个发、输、变、配、用电过程中占有极其重要的地位,作为智能电网的大脑和神经网络,灵活可控的双向通信网络将成为智能电网相较于传统电力网络更为智能化和现代化的主要体现。在智能电网的双向通信网络架构中,骨干网主要由光纤网络构建,光纤在传输速率、带宽等方面的特性决定了其能够支撑智能电网中海量数据的高速、有效、可靠传输,但是光纤线路存在部署成本高、走线不灵活、可扩展性差等问题,无法深入部署于智能电网所需覆盖的广域通信范围。无线通信技术以其快速部署、低开销、强可扩展性等优势成为智能电网通信网中必不可少的一环,作为光纤骨干网的延伸,无线通信网络可以便捷地实现通信无盲区覆盖,同时满足大量用户的接入和通信网络的灵活扩展,被视为是智能电网环境中实现监视和控制功能的关键技术。然而现有无线通信技术在智能电网中的应用会遇到众多挑战,这主要是电力网络的独有属性决定的:智能电网的通信环境复杂;智能电网中不同应用场景和不同种类的通信数据对服务质量(quality-of-service,QoS)的需求差异化明显;智能电网通信需要覆盖的范围极广且分布不均匀等,这些问题的存在导致现有无线通信技术无法直接应用于智能电网各类应用场景。现有无线通信技术需要针对不同问题作出相应调整,以更好地适配智能电网环境。本文将对现有无线通信技术应用于智能电网存在问题做深入分析,并有针对性地提出相应的解决方案。以无线通信技术中的无线传感网络结构为主要依托,将研究重点集中于智能电网环境中无线通信网络架构研究、基于软件定义的新型传感网络架构设计和无线传感网络性能研究、智能电网专属业务分级模型设计、智能电网排队模型设计、智能电网信道资源分配模型设计以及节能高效的智能电网路由传输机制研究几个方面。下面分别对各部分内容进行简要介绍:1、智能电网无线通信网络架构研究在智能电网的通信网络架构中,核心网的构建必须依托于光纤通信,只有光纤通信的带宽才能支撑智能电网中海量数据的汇聚后的统一处理和交互,但是当通信需要深入到发电站、变电站、输电线路、用户域等具体场景时,光纤通信等有线通信技术的灵活性和可扩展性远远无法满足实际需求,光纤部署的成本和耗时也不允许其连接到每个电力设备和用户。多种无线通信技术在不同应用场景中作为神经末梢的部署将更适合智能电网环境,但多种无线通信技术的网络架构以及对不同应用场景的适配均是需要解决的问题。本部分的主要工作如下:首先研究智能电网通信网的整体架构,进而分析智能电网不同应用场景中无线通信技术的可用范畴。依托于无线传感网络结构特性,为全网设计可行整体网络架构的同时针对不同应用场景设计相匹配的无线传感网络架构,以确保在智能电网的不同应用场景均能够得到最适合的无线通信服务,并实现各无线通信子网无缝接入光纤骨干网。2、基于软件定义的新型传感网络设计及传感网基础研究作为最适合智能电网中监视和控制系统的无线通信网络结构,无线传感网络结构的合理应用将让各类无线通信技术在智能电网环境中的应用更适应需求。无线传感网中现有的分布式控制和路由算法存在如下问题:路由发现、拓扑维护及节点休眠协商等环节存在大量计算和信息交互,加速传感节点能量的消耗,缩短了各节点以及整个网络的寿命;分布式架构将造成大量冗余信息在网络中传播,占用大量资源,造成拥塞和资源浪费;网络中传感数据以多跳传输的方式上传到数据中心,当网络中某些节点负载过重或链路断开时,节点不能够快速做出反应,转发规则无法及时自适应调整,将导致整个网络变得不稳定甚至失效。本部分的主要工作如下:将软件定义思想融入无线传感网,采用集中控制的思想,设计一种基于软件定义的新型无线传感网络,解决现有无线传感网络应用于智能电网时可能出现的各种问题。通过数控分离,简化传感器节点的功能,从而降低节点的硬件需求和能耗,由控制器承担复杂的计算和路由规划任务,集中完成拓扑发现、流表规则的生成和转发、网络维护等功能,进一步降低能耗、提高稳定性,大幅减少系统中的冗余信息,提升无线传感网络的整体性能。并基于软件定义传感网研究无线多跳网络中路由跳数和链路质量对网络连通性、路径可靠性、节点移动性的影响,并了解各项性能的相互关联,为无线传感网络结构在智能电网环境中的实用化提供技术支撑和理论分析基础。3、智能电网专属业务分级模型设计智能电网中的电力供给和可靠性保障并非完全平均,电力用户需要按其重要性分级,不同的级别对应不同的供电可靠性要求。电网在对电力资源进行调度时需严格按照预先定好的分组来进行供电,尤其是发电量不足的时候,需要优先保障高等级用户的电力供给。对这些不同电力供给分级的用户,其通信服务也应作出相应区分,为高等级用户提供更可靠的通信服务,而在智能电网不同应用场景中不同业务对通信性能的需求也各有侧重,需要设计灵活的业务分级模型以最大化资源利用率并保障各级用户的通信需求。本部分的主要工作如下:基于电力供应分级,结合行业指数、工程判断和通信需求设计灵活可调的智能电网专属业务分级模型。模型可实现通信优先级灵活多级划分,确保不同通信业务在不同应用场景下的优先级层次可根据需求灵活调整,并兼顾电力供给分级,实现通信业务分级完全匹配智能电网通信性能需求。4、智能电网排队模型设计智能电网中的无线通信技术将面临繁多业务产生的海量数据冲击,不同类型的数据对通信性能和服务质量有差异化需求。为了给智能电网各应用场景中产生的不同优先级业务提供差异化服务,以匹配其参数需求。需要设计数据排队模型以决定哪种类型的数据包可以优先得到通信服务,同时决定每种业务对应享用多少通信资源,得到何种等级的服务。传统排队机制灵活性差,无法根据应用场景调整队列数和排队规则,在智能电网中无法适配多变的应用场景。本部分的主要工作如下:研究现有无线通信排队模型,探讨现有模型在应用于智能电网通信时存在的缺陷,并针对已有问题提出相应的解决方案。基于上述解决方案为智能电网设计专属无线通信排队模型,保障高优先级数据优先得到最优服务的同时提升中等优先级的公平性,确保智能电网中不同优先级的无线通信数据可以获得最适配的服务性能。5、智能电网信道资源分配模型设计同样为了解决海量数据冲击和差异化服务质量需求问题,信道资源分配模型从无线通信信道资源的角度优化网络性能。通信网络需要将无线通信资源进行整合和合理划分,根据不同优先级数据的需求分配信道资源,使其适配不同通信场景。无线通信信道资源分配模型决定了不同优先级业务可以得到多少信道资源的服务,不同等级数据包的服务速率、通信质量均可由信道资源分配模型决定。本部分的主要工作如下:针对智能电网无线通信需求设计专属于智能电网的信道资源分配模型,在确保高优先级数据服务质量的前提下,灵活调整各优先级空闲信道资源,在最大化资源利用率的同时提升中、低优先级数据的公平性,实现无线通信性能优化。6、智能电网节能高效的路由传输机制设计智能电网作为一个节能绿色的电力网络,所搭载的无线通信技术也需要是节能高效的。如何在确保通信质量的前提下尽可能降低全网能量的损耗,提升网络寿命,做到通信性能和节点能耗之间的权衡是需要重点关注的问题。虽然智能电网中的无线通信技术是为电力系统服务,但电力线上传输的电能无法直接供给无线通信技术中的各种设备,而众多通信节点的能源更换困难且更换成本高,需要设计延长网络寿命的节能路由延长网络寿命。本部分的主要工作如下:基于软件定义传感网架构设计适应智能电网环境的节能路由机制,通过控制器灵活调整路由规划,确保全网各节点的能量损耗保持均衡,避免某些节点能量损耗过快而造成的网络断连失效,均衡网络能耗的同时提升网络的能量利用率和全网的使用寿命,实现整个无线通信网络的绿色节能。