廣域通信技術在電力物聯網應用研究

姚海燕，向新宇，於志淵,3，周炳華，陳益芳

(1. 杭州市電力設計院有限公司余杭分公司，浙江 杭州 310000；2. 國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州310000；3. 北京博思匯眾科技有限公司，北京 10000)

0 引言

近年來電力行業發展迅速，電網結構更加復雜。產業的生級帶來了能源互聯的極大需求，而泛在電力物聯網是實現能源互聯的重要途徑[1-4]。電力物聯網運用信息處理、大數據、云計算等技術，通過在電氣設備間部署感知裝置和信息采集處理裝置，利用通信網絡，將數據匯聚至統一的管控平臺，并通過該平臺實現信息融合處理，展示電力設備和電網系統的運轉狀態，為電力業務人員的決策部署提供數據支撐與操作平臺。

新型廣域通信技術能夠提升電力物聯網的連接質量，伴隨著5G技術發展，以5G技術為代表的通信技術對電力物聯網的影響得到了廣泛研究[5-7]。本文在上述研究的基礎上，按照電力物聯網的系統架構特點，分析提煉電力物聯網系統建設的通信需求，同時結合新型廣域通信技術，探討5G網絡切片、非正交接入衛星通信、低功率廣域網等技術在電力物聯網中的作用場景，分析不同通信技術的系統效益，仿真驗證新技術在電力物聯網通信容量以及連接數量等性能的提升，為電力物聯網技術發展和工業生產提供借鑒思路。

1 電力物聯網架構

從電流走向來看，電力網主要包括五大環節：發電、輸電、變電、配電及用電。電力物聯網主要實現電力業務環境的信息連接，促進電網運營的智慧決策，提升電網資源的優化配置。電力物聯網的整體框架如圖1所示[8]，共包括4層，其中感知層實現電力終端設備信息的感知，依托射頻識別RFID等技術實現終端狀態信息的匯聚，實現輸電環節的線路監控、視頻監控，變電環節的設備巡檢、視頻監控，配電環節的配電自動化、設備監控和用電環節的遠程抄表、客戶關系等各個環節的信息采集；在網絡層，綜合運用有線通信、無線通信、衛星通信、運營商專線、5G等技術構建電力專用通信系統，形成了電力物聯網的廣域連接；在平臺層，通過電力通信系統將各個環節的信息數據傳送給管理平臺，實現信息的整合、分析、處理；在應用層，通過對不同行業電力服務的差異化決策，面向不同行業提供智能化專業用電服務，實現電力配力、電力調度的的高效化和智能化。

圖1 電力物聯網系統架構

2 通信需求分析

網絡層由各種有線及無線節點、固定與移動網關 組成的通信網絡與互聯網的融合體，其作用是把感知層的數據接入網絡以供上層使用，并負責所有數據和指令傳輸,是上下行數據交互的通路。網絡層可以依托互聯網、4G、5G無線專網、光纖有線專網等技術手段進行實現，是電力物聯網當中最基礎最關鍵的信息傳輸紐帶。網絡層的性能代表了電力物聯網的通信需求，電力物聯網的通信需求主要集中在以下幾個方面：

一是可靠聯接。電力物聯網中所傳輸信息直接影響電力系統控制和電力業務運營決策，因此對通信的可靠性提出了很高的要求，需要具備連接上的可靠性，保證通信過程的穩定性，同時能夠提供安全傳輸，實現關鍵信息的數據加密及信息的完整性驗證，防止通信故障、信息劫持等不良因素導致的連接中斷。

二是海量連接。電力網發電、輸電、變電、配電及用電各個環節集中了大量的電力設備和電力系統，尤其是發電環節以及面向用戶的配電環節，需要構建大量的網絡連接支撐海量終端的網絡接入，同時支撐海量連接的自組網和專網的劃分，例如，基于電力業務模式和運營區域實現海量連接的網絡隔離。

三是低時延連接。基于電網控制方面，電力物聯網需要采集終端負荷信息、母線信息、變電站信息、變壓器運行狀態、設備運行狀態等數據，對配電網實現廣域量測和精準的控制。尤其是在電網發生故障后對電網進行全方位調控，基于穩控技術的精準負荷控制系統可以將海量電力用戶可中斷負荷單元集中起來進行精準控制，對通信時延提出了很高要求。

四是廣域覆蓋連接。電力網在地理空間上覆蓋面廣，例如輸電網絡在郊野，公用通信覆蓋范圍和覆蓋質量不能保證，如何綜合運用各種通信技術搭建合電力物聯網相關的通信網絡，也是需要電力物聯網網絡層建設的重點內容。

3 新型廣域通信技術及應用

3.1 5G網絡切片應用分析

圖2 5G 網絡切片架構

5G移動通信由于自身的高速率、高容量、高可靠性、低時延和低功耗特點，在新能源并網、輸變電監視、配電網調控控等方面都具有廣泛應用[9-10]。5G提供了網絡切片功能，能夠為垂直行業實現自組網應用，圖2所示是網絡切片的組成圖，包括核心網、承載網和無線網側的網絡切片，核心網網絡切片實現用戶入網注冊和開展業務時的移動性管理器AMF、會話管理器SMF和用戶平面UPF的選擇,從而進行流量的疏導；無線側的網絡切片是指基站按照用戶切片選項將用戶端設備UE分配AMF。承載網網絡切片的支持分為兩類方案，一類是軟切片、一類是硬切片。軟切片主要指VPN技術，例如MPLS VPN，在轉發面需要共享資源和鏈路但切片之間路由隔離；硬切片主要通過資源的獨占來保障切片的服務質量和業務隔離，比如靈活以太網FlexE技術。電力業務的通信需求如表1所示。網絡切片主要功能是提供了差異化的服務質量保證以及業務網的隔離，電力網不同業務通信需求不同，適何利用網絡切片實現業務間的差異化傳輸。

本文考慮到電信運營商承載網Segment Routing(SR)的技術發展，電力物網關可基于SR實現網絡的軟件切片，針對不同業務制訂不同的段路由策略（SR Policy），為不同業務提供差異化通信服務。下圖是利用SR技術實現的電力網網絡切片示意圖，分成兩個獨立的網絡切片，針對配電網同步控制業務的低時延、高精度的要求，切成低時延網絡切片，使得控制指令在承載網中傳輸時，傳輸路徑盡可能簡化，并且在狀態穩定的鏈路上傳輸，保證控制指令安全有效；針對電力視頻監控等業務，將其切成大容量混合組網切片，保證其可靠性的同時，增加一些非保障鏈路上的節點與路徑作為流量負載分擔，滿足其大容量傳輸接入的的通信需求。

圖3 SR 技術實現網絡切片示意圖

3.2 衛星通信技術

衛星通信覆蓋區域廣泛[11-12]可以為電力物聯網提供多樣化選擇，在電力網多個業務場景中具有很強的應用性。最普遍的場景是在電力終端控制業務上進行應用。現行電力行業輸變電運維工作中，通過遠程控制無人機等機器設備的巡檢可以有效代替人力，但在偏遠效區甚至人煙罕至的山區，移動信號往往存在過多的覆蓋盲點，無人機通信與控制受到限制，運用衛星通信可以有效解決上述問題，實現精準的巡檢設備控制。

目前商用衛星網絡通信有三種常見的多址接入方式TDMACDMAFDMA，三種接入體制與5G相比，提供的連接數量有限，并且衛星通信中頻譜的非常寶貴，帶寬資源、轉發器數量、波束覆蓋范圍是建設衛星通信系統重要成本支出，考慮電力物聯網中電力終端的聯接數量巨大，在現行商業衛星接入體制下，所有終端設備直接進行衛星通信通信系統的可行性較低，因此，衛星通信目前主要完成提供網關級的傳輸服務，是光纖、5G等通信的重要補充。

表1 電力業務網絡現狀與具體需求

圖4 基于NOMA 接入的衛星通信在電力物聯網示意

新技術的應用可以拓寬衛星通信在電力物聯網中的應用場景。非正交多址NOMA技術能夠有效提高無線通信網絡的容量，在衛星通信網絡中，利用NOMA技術可以解決衛星通信網絡正面臨多用戶、大容量、高效率的技術難題。采用NOMA技術能夠獲得更高的容量上界，提升系統頻帶利用率。文獻[13]、[14]詳細分析了PD-NOMA系統的容量邊界特性，文獻[15]以NOMA技術中的功率域NOMA（PD-NOMA）為研究重點，總結了衛星通信網絡中NOMA技術的研究現狀，分析了應用存在的技術難點，提出了未來研究的發展趨勢。基于NOMA多址接入的主要現實應用難點在于用戶的選取而實現串行干擾的消除，而在電力物聯網中，高壓線、變電站、充電樁等大量電力設備，可以為NOMA接入提供海量的用戶樣本，從而使得基于NOMA衛星通信更加適用于電力物聯網。圖4設計了衛星通信技術在電力物聯網典型的場景應用。任一用戶群作為非正交接入衛星網絡的用戶群組。本文以基本的雙用戶的下行鏈路為例闡述通信過程。衛星作為信號發射端在設置合適的功率配置因子1a，a2后，向其中的用戶1與用戶2發射時頻域疊加信號，信號表示為：

其中，1a=1-a2用戶在接收端接接收的信號為：

圖5 功率治配置因子 1a 對系統容量的影響

3.3 LPWAN網絡

5G、衛星通信提供了海量連接和高速數據傳輸，可以為電力行業大多種業務場景提供穩定連接。但是，電力行業尤其是配電網側存在大量溝井、地下室、屏蔽房等復雜環境，公共通信網絡難以有效覆蓋，是電力物聯網建設無法回避的技術難題。基于這種背景，低功耗廣域網絡(low power wide area net-work, LPWAN)技術具有廣闊應用前景。LPWAN專為低帶寬、超低功耗、超遠距離、海量連接的物聯網應用而設計，它具備低功耗傳輸特點，提供海量連接，傳輸效率高效，電池壽命超長，組網架構穩定，可形成一張廣覆蓋、低速率、低功耗和低成本的無線接入網絡，在電力物聯網的構建中發揮重要作用[16-17]。

LPWAN在電力物聯網應用場景廣泛。在供電方面，現行電力網主營被動式供電服務，用戶與電網之間缺乏雙向互動體驗，存在供電質量低的問題，嚴重影響用戶正常用電使用需求，同時由于智能電表數據未充分挖掘，LPWAN的應用可以為智能電表的充分利用提供信息通路。針對該問題，國家電網公司、水氣熱等公共設施服務公司與地方政府相配合，對“四表合一”的具體方法進行了研究和探索，最終使用能源電力物聯專網制定出更加靈活簡便的解決方案，詳情見圖5[18]。各種水熱電氣表可以通過以LPWAN技術為基礎的能源電力物聯專網，隨時隨地靈活接入，實現“四表合一”。在配電網狀態檢測方面，基于LPWAN的電力物聯網可有效地接入配電網中高度分散、廣泛分布電力設備、用電設備，助力電力物聯網建設。

4 結語

電力物聯網依賴于不同通信技術的綜合利用，達成通信水平的提高。本文結合電力物聯網的架構劃分，分析了電力物聯網的通信需求，梳理電力物聯網系統建設的4項需求特點，同時結合5G網絡切片、衛星通信、低功率廣域網等廣域通信技術現狀，探討新技術在電力物聯網中的應用，歸納不同通信技術適用的電力業務場景，旨在為電力物聯網行業研究和工業生產提供借鑒思路。

圖6 LPWAN 在智能抄表中的應用