第四讲-三网合一与电力物联网

西安交通大学2012年03月16张保会未来的电力系统—第四讲电力‘三网合一’与电力设备智联网主要内容1.电话、电脑及电力网的“三网合一”的概念2.电话、电脑及电力信息网对信道速率的要求3.配电线电力载波的发展及宽带通信的未来4.“三网合一”的关键技术及问题5.应用——电力设备智（自）联网6.初步的实验研究1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.1人们对信息的多种需求：随着21世纪信息社会的到来，经济发展、教育普及、环境保护等都对通信提出了新的、更高的要求。而且随着社会信息化程度的提高，人们对信息的需求已从单一的信息形式向交互式多媒体信息发展。因而人们迫切希望获得大容量和高速率的数据、视频、图像、语音等高质量的服务，但这是传统的接入方式所无法实现的。所以,使用新一代的接入网技术和建立新的接入网是当前通信领域面临的新课题。1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.2多种信息融合后的经济与方便性：人们安装电话、携带手机和BP机，需要语音信息；为了娱乐，要有电视、电影需要视频信息；还要有计算机连接国际互连网，需要数据信息。信息为社会服务的实质是流通（共享），然而，由于历史的原因，人们将信息按它的某种表现形式的不同，分为语音，数据和图象，并为之设计了三套不同的接收和传送终端，形成了不同的行业，造成了资源的浪费,并且我们需要向几家不同的公司缴纳费用。这显然对信息的流通和共享造成了阻碍。1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.2多种信息融合后的经济与方便性：数字通信技术的发展使得语音、数据和图像等业务信息都可以采用统一的数码(0/1)传输、交换和分配。在未来的网络传送平台上，业务信息的种类不再重要，网络将“一视同仁”。基于柔性连结技术的宽带IP，必然要成为通信的主流网和基础网。而只在终端将数字信息还原（生成）信息的不同表现形式（语音、数字或视图）。1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.3用电力网实现“三网合一”的合理性能量和信息是人类社会生活必不可少的，在以上三种网络中，只有电力网既可以承载能量，又可以承载信息。电力网络是世界上已有最广的有线网络，电力网络比任何其他的有线通信网络更加坚固和现成。如果充分利用现成的电力网络承载电话、电脑和电视网络的任务，无疑是最为方便和简洁的。1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.4利用电力网承载各种信息接入网的可能性：1997年以来，电力线通信（PLT—PowerLineTelecommunication，一种可让高速数据流在低压配电网的导线和基础设施上传递的技术）发展迅速，速率也越来越高。目前2-3Mbps速率的芯片已经成熟，而10-200Mbps的芯片已经推出，已经制定了多个电力线载波通信的标准。专家们预计，这种利用公共电网传送数据技术的开发成功，将会大范围的引入许多基于因特网的应用，如电子商务、远程操作、网络广播、娱乐业和IP电话。电力公司开展这方面业务所需投入的费用和其它宽带数据接入系统相比要低的多。不愿实施该项业务的电力公司还可出租资源，向准备采用其网络进行运营的公司收取费用。1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.4利用电力网承载各种信息接入网的可能性:在管理体制上，电信经营打破垄断、鼓励竞争，制订互联法规、规范市场行为已成为国际潮流。1997年有69个国家和地区在WTO全球电信贸易自由化协议上签字，同意分期分批地相互开放电信市场。这个协议事实上已成为WTO成员国在电信领域内应共同遵守的国际法规。中美签署的关于中国加入WTO的双边协议中就包含了中方要遵守的世界电信协议的基本条款。允许外资在所有电信服务业中占有49%的股权。93年12月国务院批准由原电子工业部、电力工业部和铁道部共同组建中国联合通信有限公司，被授予电信基本业务的经营权。近日，由重庆电力局、重庆广电局等11个单位组建的重庆信息港宽带网络有限公司宣告成立。1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.5“三网合一”的概念电力系统在经营和服务内容上实现“三网合一”，在主营电能的同时兼营电信。电力系统可以利用现有的电力信息设备、通道和杆塔、缆沟等资源，也可以改建和再建自己经营或合作经营的信息主干网络。电力信息主干网除满足电力行业自身需要的电话、电脑、视频信息交换外，富裕的信息资源应该向社会公众提供服务。1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.5“三网合一”的概念在配电网络中，“三网合一”是指三种服务功能的网络由现有的配电网络物理体系担任。在配电网络传输能量流的同时，传输数字语音和数据流，从而实现高速因特网的接入网即计算机的局域网、电话网的接入网及模块局。而因特网的主干网和电话交换主网仍由原来的主干网络担任或由电力信息主干网担任。1.电话、电脑及电力“三网合一”的概念1.6“三网合一”的框架2.“三网合一”对信道速率的要求2.1电话的发展及对信道的要求语音电话终端至模块局使用电路交换机制（CircuitSwitching），而数据使用分组交换机制（PacketSwitching）。分组交换机制在公共网络上传输话音已经成为现实。理论和实验都已证明，使用音频压缩技术的IP电话，16kbps的速率已经能实现非常好的音频质量。IP技术允许多个用户共用同一带宽资源，改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式，节省了用户使用单独信道的费用。2.“三网合一”对信道速率的要求2.2Internet网业务对速率的要求因特网业务量的增长已构成数据业务的主要增长因素，2000年用户数将已经达到3亿～5亿左右。1990年到2000年这10年间，用户数增长了大约2个量级。2011年中国的用户数超5亿，全球可分配的IPv4地址剩余量已不足10%，正在发展IPv6地址机制。IPv4地址长度32位、总量2的32次方。IPv6地址长度4倍于IPv4长度128位、总量2的39次方.2.“三网合一”对信道速率的要求2.2Internet网业务对速率的要求中国国际出口带宽：2010年底达到1,098,956.82Mbps.用户出口带宽：业务带宽(传输速率)也呈现了指数式增长态势。例如在1990年左右，主要业务是E-mail，带宽仅1kbps左右；到了1995年，主要业务成为Web浏览，所用的带宽已增长到大约50kbps；到2000年左右，活动图像将成为重要业务，所占用的带宽可达5Mbps。10年间，业务带宽的增长可达4个量级。个人用户带宽10Mbps.2.“三网合一”对信道速率的要求2.2Internet网业务对速率的要求网络业务主要包括：1).大量低延时数据业务应用需要高带宽。——诸如Web浏览的典型带宽可从数十kbps到数百Kbps，而LAN的典型带宽可从10Mbps到100Mbps。2).本身带宽窄，但通信量极大的业务应用（如电话、Email）也需要很高的网络带宽，例如IP电话业务在继续增长，E-mail的规模正变得越来越大。3).视频点播等宽带应用更需要高带宽。2.“三网合一”对信道速率的要求2.3有线电视网的速率需求多媒体技术的出现与发展，使视频图象的网络传输成为可能。数字视频:将模拟视频信号转化为数字信号。例如：标准PAL制电视信号进行采样后的4:2:2格式总码流率可达：165.888Mbps.经过压缩、打包处理后的数字信号的传输，如果使用MPEG1（国际标准11172）可产生1.2Mbps的视频录象质量输出(NTSC352*240)。2.“三网合一”对信道速率的要求2.3有线电视网的速率需求网络上传输视频，近年来发展迅速，现有的视频标准有MPEG1、MPEG2和MPEG4，目前正在使用MPEG7标准。这些国际标准为传输通讯、压缩制定了标准和协议。例如：使用MPEG1可将非压缩视频472Mbps的信号压缩为1.2Mbps的视频。2.“三网合一”对信道速率的要求2.3有线电视网的速率需求目前，网上已经开通了部分广播，实时接收网络广播的速率为16kbps-20kbps时，收听的效果较好。卫视收看速率为200kbps以上有较好的效果.中央电视台-1收视速率为55kbps时，由于速率较低，效果不理想。从教育网内视频点播来看，如果有150kbps~220kbps的速率，就会有较好的收看效果。2.“三网合一”对信道速率的要求2.4电力系统本身对信息的需求越来越多随着智能化可通信的电气设备、电气主设备的预知维修、互联电力系统的实时控制和电力市场化运营的发展，都需要实时的、大量的电力信息传递。构建面向发、输、变、配电设备及千千万万电力用户的电力信息接入网摆在电力工程界的面前。是重铺信道、租用电话信道，还是利用电力线路、电力网络资源构建电力信息网络的接入网，在技术和经济上都是值得反复权衡的重大问题。2.“三网合一”对信道速率的要求2.5面临的问题及解决方案为维持功率流的安全、可靠和经济地流动和电能商品的有效交易，电力系统需要：大容量的实时信息信息源自整个电网及用户信息网与电网具有大致相同的结构2.“三网合一”对信道速率的要求2.5面临的问题及解决方案电力系统应该：充分利用电力网络资源，开发电力线载波新技术，构造电脑、电话和电力的“三网合一”网络，主营电力兼营电信。3.电力载波的发展3.1PLT的研究发展电力线载波不是新技术，于20世纪20年代就开始应用于电力系统。宽带高速电力线通信（PLT）技术的研究从1997年开始在全世界兴起，并形成高潮。在欧洲和日本，每年举行一次ISPLC(电力线通信及应用国际学术年会)，来探讨PLT技术的发展和应用，参加者都是一些大学的学者和从事PLT开发技术的著名公司。3.电力载波的发展3.1PLT的研究发展ISPLC(电力线通信及应用国际学术年会)会议召开情况时间地点主办大学11997.4.2~4德国EssenEssen大学21998.3.24~26日本东京Soka大学31999.3.30~4.1英国LancasterLancaster大学42000.4.5~7爱尔兰LimerickLimerick大学2012.4.2-6北京中国3.电力载波的发展3.1PLT的研究发展在第一届ISPLC会议上英国的Norweb公司和Lancaster大学对使用电力线高频的情况和跳频调制在电力线上的应用做了介绍。第二届ISPLC会议，讨论电力线传输特性、模型、通信系统、应用和测量几个方面的内容。3.电力载波的发展3.1PLT的研究发展在第三届ISPLC会议上，比利时的学者提出使用离散多音（DMT）调制技术，德国、英国和以色列的学者介绍了正交频分复用（OFDM）调制技术在电力线通信中的应用。第四届ISPLC会议上，OFDM技术占了主要的地位，码分多址（CDMA）技术已经占了次要位置。大部分讨论都与OFDM技术有关。3.电力载波的发展3.1PLT的研究发展1997年以来在欧洲成立了两个电力线通信论坛IPCF（英国）和PTF（德国），并于2000年4月合并为位于瑞士的PLCforum。目标是通过经营信息来发展电力线通信市场:数字品质的语音电话；速率高于1Mbps的互连网接入；家庭自动化中的智能服务。3.电力载波的发展3.1PLT的研究发展在北美，联合通信委员会(UTC)于1998年成立了电力线通信论坛(PLTF)来考察电力线通信的进展和使用。欧洲电信标准协会(ETSI)于1999年成立了PLT计划，准备制定新的PLT标准。3.电力载波的发展3.1PLT的研究发展2000年3月，包括3Com、CiscoSystems、Compaq、Intel、Intellon、Motorola、Panasonic和TexasInstruments等13家公司发起成立HomePlug联盟，成员已有46个。目标是快速发展和采用低成本的、可共同使用的家庭电力线网络及产品。该联盟在2000年6月5日宣布采用Intellon公司的10Mbps高速电力线网络技术为基线，来制定它的第一代电力线网络技术规范并希望在第四季度完成。3.电力载波的发展3.2研究PLT的主要公司和产品公司国家产品或技术名称及芯片速率