基于智能電網通信工程中關鍵性技術的研究

李 磊，李 毅

（國網江蘇省電力有限公司 徐州供電分公司，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

電力通信網是電力行業的骨干，其作為智能電網建設的重要環節，在網絡傳輸和網絡運營等方面發揮著重要作用，從而滿足電力系統特定領域的通信需求。

1 通信性能指標

1.1 信息溝通有效性的關鍵指標

在通信系統中，標準的有效性和可靠性被用來表示系統的質量。通常，信號的帶寬越低，信道效率越高，同樣廣播頻道越多，可以使用的頻道越多，效率就越高。對于一套數字通信系統而言，衡量該系統通信效率的主要指標即信號傳輸速率，主要包括傳碼率和傳信率[1]。

1.1.1 傳碼率

傳碼率（RB）指單位時間內發送的最大碼元數，單位為波特。其表示為：

式中，TB為單個碼元的傳輸時間，單位為s。

對于任意進制碼元RBM轉化為二進制碼元RB2的情況下，其關系為：

1.1.2 傳信率

傳信率（Rb）指單位時間傳輸的信息量，單位為b/s。傳信率Rb與傳碼率RB之間的關系為：

系統可靠性是衡量系統質量的另一個通信指標。模擬通信系統的可靠性用信噪比表示，其值為信號功率與噪聲功率的比值。數字通信系統的可靠性則用誤碼率來表示，其值為接收到的誤碼數與信號碼數之比，即數字信號在傳輸過程中出錯的概率[2]。

1.2 電力系統通信技術

電力通信網絡中常用的傳輸方式有光纖通信、電力線通信以及無線通信[3]。圖1為電力信息的主要通信方法示意圖。

圖1 電力信息的主要通信方法

1.2.1 電力線載波通信技術

電力線通信（Power Line Communication，PLC）是一種通信方法，使用專為通信而設計的電力線，用于電力系統。電力線通信利用電力線傳輸信號，將信號發送到到電力線上，從而沿電力線實現信息傳輸[4]。

電力線載波通信可分為傳輸線通信、配電線通信以及低壓配電線通信3類。其廣泛應用的主要原因是連接方式依賴于現有的供電網絡，無需改造通信網絡即可實現信息傳輸。電力線通信的主要優點如下：（1）電力線網絡基礎建設充分，無需另設通信線路，電力通信的應用領域也很廣，此法經濟、快速、安全且可靠；（2）電力線通信技術發展多年，應用非常廣泛，具備全套相應的技術標準和管理程序；（3）電力線數據傳輸技術的發展也促進了這一領域研發企業的發展，如深圳力合、青島東軟等，設備的發展和升級反過來又使能源技術的使用更加普遍；（4）電力線連接受高壓電保護，信息不易被盜[5]。

在實踐中發現，電力通信技術有如下缺陷：（1）電力線通信帶寬受供電系統的限制，信息傳輸速率較低；（2）信道中的時變衰減很大，信號隨時間發生顯著變化，影響信號傳輸；（3）強噪聲干擾。主要干擾發生在電力系統中所有負荷通過電力線傳輸數據的過程中，各種電氣設備（電阻、電感以及電容等）和電氣設備的頻繁開斷、短路，對電力線路造成嚴重干擾[6]。

1.2.2 無線通信技術

電網的無線通信主要有微波通信和移動通信兩種。在智能電網通信中，微波通信主要由數字中繼器來進行，通過傳輸數字微波信號實現各個站點之間的信息傳輸，在無線電空間中可以傳輸多個不同信道的信息[7]。數字微波中繼模式如圖2所示。

圖2 數字微波中繼模式

移動通信即借助移動通信網絡進行的信息通信。對于智能電網的信息傳輸來說，通過終端設備連接移動通信網，實現電力信息系統的通信。移動通信之所以得到如此廣泛的應用，離不開其以下諸多優點[8]。

一是低成本，無線傳輸可以借助移動通信網絡來實現，無需架設專用通信網絡，簡便可行，價格低廉。二是施工時間短，產生無線連接只需幾天或幾周時間，因為內置在特殊無線傳輸模式下的數字傳輸單元不需要維修，因此只需將天線安裝在適當的高度連接即可工作，減少施工時間。三是適應性強，移動通信很少依賴于地理區域。四是良好的可擴展性，擴展無線連接非常方便。所要做的就是在這個地區創建無線基站，然后將新的通信設備連接到無線基站。

除了上述優點外，移動通信還有以下缺點。一是信號不能有遮擋，移動通信的兩個通信點之間有遮擋時會影響信號的強度，因此應清除線路之間的建筑和樹木等障礙物。二是通信距離有限，根據通信視距和現有民用地面無線通信系統的特點，無線通信距離較短，且受到氣象等條件的限制，有效通信距離經常發生波動。

1.2.3 光纖通信技術

光纖通信是指信號通過光纖傳輸的通信方法。信源側將電信號調制為光信號，從而發送到光纖中傳播。在光纖傳導信號的過程中，光信號會產生距離衰減，在超過一定的傳輸長度后信號強度不足，則導致誤碼。在此過程中，光纖中繼器接收尚未嚴重衰減的信號并進行增強，以增加信號的傳輸距離。到信宿端，光信號重新轉換成電信號，恢復原來的信號[9]。

1.3 智能電網中光纖通信的類別

1.3.1 SDH光纖主干網

SDH即同步數字光通信系統，具有統一的線路編碼、波特率以及接口標準，實現了光纖通信網絡的標準化，適用于各類不同光通信設備的互聯。此外具有單比特率，實現了多路復用和分支，為通用光纖接口制定了標準。

在數字傳輸系統中，有兩條數字傳輸鏈，其中一條稱為準同步數字體系（Parasynchronous Digital Hierarchy，PDH），另一條為同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）。由于SDH技術具有接口豐富、標準完善以及穩定性強等優點，因此廣泛應用于電力系統信息傳輸網的建設。

1.3.2 光以太網

光以太網即基于光纖通信的以太網，它在網絡層采用以太網協議，在傳輸層采用TCP/IP協議，數據傳輸速率可達10 Mb/s以上。

1.3.3 異步串行光纖環網

基于較小的額外成本，異步串行光收發器可以使用時分復用技術在同一光纖對上進行相對獨立的邏輯復用，并提供多達4條的可視指令。

1.3.4 無源光纖以太網

無源光纖基于EPON以太網，但沒有用于光傳輸和分配的源。EPON由線路側設備光樁頭、中間無源光分離器無源光分離器以及用戶側設備光網絡單元3部分組成。

光纖通信具有諸多優點，主要包括以下5個方面。一是可用帶寬非常寬，單波長光路的數據傳輸速率為10 Gb/s，波分復用和光時分復用大大提高了傳輸效率，DWDM帶寬可達2 640 Gb/s。二是低損耗，廣泛使用的石英光纖可以在200 km的信號傳輸范圍內提供無中繼通信，如果先將光信號放大，就可以在沒有中繼的情況下發送640 km。三是良好的隱私，由于光纖傳輸信號微弱，泄漏少或無泄漏，因此特殊的信道設備使光纖傳輸非常安全，保密性好。四是纖維鋪設的環境要求低，石英基電絕緣光纖可防止通信線路受到各種電磁干擾的影響，因此適用于高壓電力線附近的通信環境。此外，石英光纖電纜具有很強的耐腐蝕性，適用于露天環境下的高速通信需求。光纖復合架空線是由光纖和地線混合而成的電力傳輸系統架空線，目前廣泛應用于電力系統通信網絡中。五是體積小，重量輕。當芯數相同時，光纜的重量和尺寸遠小于同樣芯數的電纜。

除上述優點外，光纖通信還存在以下缺點。一是質地脆，機械強度差，容易折斷，因此需要特定的機械支撐和保護。二是分路限制嚴格，光纜不能分路太多，否則容易斷。

目前，光纖通信由于高質量的連接，在國內得到了廣泛的應用。2020年，全國新建電信網的光纖線路總計4.7億芯公里。目前，電力通信網主要采用全介質自承式光纜（All Dielectric Self-Supporting Optical Fiber Cable，ADSS）和光纖復合架空接地光纜（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wires，OPGW）兩種類型的光纜[10]。

ADSS不含任何金屬材料，其元件強度較大，能承受自身的質量，因此可利用電力線支架直接架設光纜，OPGW可作為電力地線或光數據傳輸電纜。因此，這兩種光纜在電力系統中得到了廣泛的應用。

近年來，國家能源通信中心表示，未來建設智能電網的目標將是協助通信網絡的發展，并加快電網在能源開發方面的擴張。在全國范圍內建設下一代骨干電網，采用光纖連接為主的連接方式。在能源信息傳輸領域，使用光纖通信系統不僅需要良好的傳輸介質，而且需要先進的信令規則。

2 基于智能電網通信工程中關鍵性技術的現狀

2.1 物聯網技術

在智能電網中，可根據用戶體驗的各種特點創建多功能應用程序，如分布式能源和智能配電等。通過創建這些應用程序及智能監控服務，不同功能的智能傳感器和終端廣泛分布在智能電網和工程通信網絡的各個領域，實現數據的傳輸和處理。光纖與無線網絡的結合使配電網自動化工程受益匪淺，使人們在技術上對物聯網產生了極大關注。在智能電網未來的發展過程中，智能傳感器將應用于智能輸變電、智能發電以及智能配電等各個領域，在收集、傳輸及合并數據時不僅需要注意數據的彈性，而且還需要注意數據點的隨機誤差和人員操作問題。

2.2 安全化技術

智能電網通信項目旨在收集整個網絡狀態的詳細信息，并能夠在一次設備和二次設備之間交換信息，實現智能處理和決策，解決網絡運行過程中出現的能效問題。在這一階段，電網公司在建立智能電網通信項目時，劃分了多個安全區域，建立了相應的防護，如線路編碼、水平隔離以及內外網安全等。根據智能電網在運行中的特點，安全要求包括預警控制、通信管理以及數據傳輸安全。該應用符合控制級、設備安全級、數據加密級與網絡接入級的要求。預警系統的管理和監控可以實時監控各通信設備的工作狀態，當設備或數據發生故障時可發出警報，并采取交換設備和搜索虛擬子網等措施，確保電網的穩定。

2.3 參數測量技術

對于智能電網的通信，參數測量技術可以快速地將電網狀態轉化為數據信息，為智能電網的運行提供數據和信息支持。測量技術主要利用物聯網傳感器技術對數據進行信息采集和處理。

2.4 云計算技術

電網系統結構復雜，其設計、建造以及維護非常困難，同時涉及有大量的信息和數據。因此，智能電網可借助云計算技術精確探索和計算大量數據，從而為電力調度和檢修等工作提供信息支持。

2.5 人工智能技術

在運行智能電網的同時，智能輸電非常重要。在分析和建設智能調度的同時，最重要的任務是建立一個優秀的調度智能網絡決策支持系統，提高決策水平，優化和合理配置能源系統資源。人工智能技術的不斷演進，給電網智能調度提供了新的有力工具，可引入智能電網并進一步開發。

3 結 論

一般來說，智能電網通信工程的主要技術有虛擬化技術、安全技術以及物聯網技術。所有這些技術都基于不同的視角，允許靈活定義項目通信資源。在智能電網通信工程不斷發展的過程中，應該建立并完善一套智能電網通信標準，從而規范和促進各類信息技術在智能電網中的應用，更好地促進智能電網的平穩高效運行。