配電物聯網本地通信技術應用分析

孟祥亮，張 帥

（國網信息通信產業集團有限公司，北京 昌平102211）

配電物聯網是傳統工業技術與物聯網技術深度融合產生的一種新型電力網絡形態，通過配電網設備間的全面互聯、互通、互操作，實現配電網的全面感知、數據融合和智能應用，滿足配電網精益化管理需求，支撐能源互聯網快速發展，是新一代電力系統中的配電網[1]。在應用形式上，配電物聯網具有終端即插即用、設備廣泛互聯、狀態全面感知、應用模式升級、業務快速迭代、資源高效利用等特點[2]。

配電物聯網包含“云、管、邊、端”4層架構，其中“管”層作為配電物聯網“云、邊、端”的數據傳輸通道[3]，承載著配電物聯網各類業務，是配電物聯網建設中的重要內容。“管”層采用“遠程通信網+本地通信網”的技術架構，通過通信通道IP化、物聯網協議、物聯網信息模型，實現通信網絡自組網、設備自發現自注冊、資源自描述，支撐邊端設備的即插即用，滿足配電業務處理實時性和帶寬需求[4-6]，其中遠程通信接入網涵蓋的通信方式主要有光纖通信、無線公網（3G/4G/5G）、無線專網；本地通信接入網的通信方式主要有電力載波通信和微功率無線通信[7]。隨著配電物聯網建設的不斷推進，新型業務的不斷涌現，對業務數據傳輸的可靠性、安全性提出了更高的要求。由于當前配電網中業務復雜、設備種類多樣、各類通信組網技術在技術特點、承載業務及適用場景等方面都存在較大差異，對于采用何種通信組網技術承載特定業務，滿足配電物聯網業務靈活、高效、可靠、多樣的通信接入需求是配電物聯網“管”層建設面臨的難題。本文針對配電物聯網的發展特點，結合配電物聯網端邊通信的差異化需求，對現有本地通信技術的應用進行了詳細分析，研究各類通信組網技術的原理、特點及應用場景，給出了通信技術的適配原則及應用建議。

1 配電物聯網通信架構

配電物聯網通信架構包含兩部分：遠程通信接入網、本地通信接入網。遠程通信接入網指末端業務終端（如傳感器、表計、DTU、電動汽車充電樁等）或邊緣匯聚終端（如集中器、邊緣物聯代理裝置、輸電線路狀態監測代理等）直接與骨干通信網連接的通信接入網絡，主要采用光纖通信、無線公網通信、無線專網通信等，主要滿足配電云平臺與邊緣計算終端之間高可靠、低時延、差異化的通信需求；本地通信接入網指末端業務終端與邊緣匯聚終端連接的通信接入網絡，主要采用低壓電力線載波、微功率無線通信等，滿足邊緣計算終端與低壓智能設備之間的業務數據可靠傳輸通信需求，如圖1所示。

遠程通信網的通信方式主要包括光纖（EPON技術、工業以太網）、電力無線專網、無線公網4G/5G、北斗衛星通信等通信方式，為配電云平臺與邊緣計算終端的信息交互提供可靠的通信信道，通信方式應根據設備的實際應用環境進行適配。

本地通信網的通信方式主要包括高速載波通信（HPLC）、微功率無線（RF（470 MHz）[8]、Wi-SUN RF（920 MHz）[9]、Zigbee[10]、LoRa[11]等）、HPLC+RF雙模通信[12]等通信方式，通信方式應根據邊緣計算終端、出線開關、無功補償裝置、分支開關、進線總開關、分布式電源、充電樁、傳感類設備等設備之間的實際應用場景進行適配。

圖1 配電物聯網通信體系架構

2 本地通信需求分析

配電物聯網本地通信主要滿足邊緣計算終端與低壓智能設備之間的通信需求，臺區下所屬的感知層終端具有類型多、通信方式與通信協議多樣化等特點，本地通信技術的適配應結合設備的數據傳輸特性及臺區的業務需求進行。

2.1 配電業務需求

根據配電業務場景具體內容將業務數據分為：電氣量類、狀態量類、環境類及信息類，如圖2所示。

電氣量類：三相電壓/電流、三相有功/無功功率、頻率、總有功功率、總無功率功率、三相功率因數、總功率因數、無功補償投切容量、無日/月凍結歷史數據等（分鐘級傳輸）；開關位置、無功補償投切狀態、控制命令（秒級傳輸）、剩余電流動作保護器的分/合狀態、剩余電流值；三相電壓/電流不平衡度、電壓偏差、頻率偏差、電壓合格率統計、配變負載率（分鐘級傳輸）。

狀態量類：油浸式變壓器的油溫和瓦斯保護狀態、有載調壓/調容變壓器的檔位狀態、干式變壓器的繞組溫度、風機狀態等（變化告警秒級傳輸，非告警狀態分鐘級傳輸）。

環境類：溫度、濕度、水位、門禁、煙霧、氣體、凝露、視頻等（告警秒級傳輸、狀態分鐘級傳輸）。

信息類：故障告警信息、停電事件、異常事件等（秒級傳輸）；設備注冊信息、低壓拓撲信息、三相不平衡異常事件等（分鐘級傳輸）。

圖2 配電業務數據示意圖

通信時延：要支持故障事件告警、停電事件、三相不平衡異常事件等告警類數據的秒級的傳輸時延。

通信帶寬：須要支持實時數據（三相電壓/電流、有功/無功功率、功率因數）的數據刷新（1/5/15 min等）。

每臺區的配電設備數量按40只估算，除主動上報外，每個業務包含不同次數的通信交互。

配電業務數據統計、通信需求分別如表1、表2所示。

2.2 營銷業務需求

目前營銷的用電信息采集業務主要包括日凍結數據采集、費控下發、停電信息及時上報、全事件上報、電動汽車有序充電、戶變關系識別、臺區精細化線損、電能質量監測、多表合一等。業務與所對應的數據采集項如表3所示。

營銷業務通信需求總結如表4所示。

3 適配原則及技術要求

3.1 適配原則

配電物聯網本地通信應堅持“集成整合、無縫銜接、業務透明、監控統一、安全可靠、優質高效”的原則，統一規劃和建設“多手段、多功能、全業務、全覆蓋”的低壓側通信接入網，結合配電物聯網本地通信業務實際需求因地制宜選擇電力線載波、微功率無線、電力線載波+微功率無線雙模通信技術。

表1 配電業務數據統計表

由于HPLC 通信方式會受到線路停電的制約，故對于停電類告警事件業務，建議采用微功率無線的通信技術或HPLC+RF雙模通信技術。

由于主動上送類業務（如：異常事件、告警信息等）及控制類業務對實時性、可靠性要求高，建議采用HPLC+RF的通信技術。

對于高頻次實時數據的采集，建議采用HPLC的通信技術。

對于狀態監測、環境監測類業務的傳感器類設備的通信建議采用微功率無線的通信技術（RF、LoRa、Zigbee等）。

對于歷史數據、統計數據及文件傳輸等業務，傳輸頻次較低、數據量較大，建議采用HPLC 通信技術或HPLC+RF雙模通信技術。

3.2 技術要求

HPLC通信應滿足Q/GDW 11612.41《低壓電力線寬帶載波通信互聯互通技術規范第4-1 部分：物理層通信協議》和Q/GDW 11612.42《低壓電力線寬帶載波通信互聯互通技術規范第4-2 部分：鏈路層通信協議》中的相關技術要求。

微功率功率無線通信應滿足《DL/T 698.44 電能信息采集與管理系統第4-4 部分：微功率無線通信協議》中的相關技術要求。

HPLC+RF雙模通信應同時滿足上述技術要求。

4 結束語

在配電物聯網建設深入開展的背景下，針對配電物聯網本地通信建設面臨的難題，本文深入分析了配電物聯網業務的通信組網需求，研究了配電物聯網本地通信多種通信技術，圍繞技術特點、應用場景等內容進行了對比分析，給出了適配原則及應用建議，對統一配電物聯網的通信組網建設方式，推進配電物聯網的標準化工作，指導配電物聯網本地通信網組網設計，保證配電物聯網高效、可靠運行具有重要意義。

表2 配電業務通信需求列表

表4 營銷業務通信需求列表

表3 營銷業務數據統計表