基于電力物聯網的終端通信接入技術研究

張兆翔，曹秦峰

（中國移動通信集團終端有限公司，北京 100053）

0 引 言

國家電網針對國家提出的減碳目標，提出建設新型電力系統策略。策略以智能電網為中心樞紐，將電力系統的各個存儲環節有機相連，實現能源流的安全有效控制[1-4]。電力系統通信建設需要與時俱進，與策略同步開展。終端通信接入網是物理電網控制與連接的關鍵性基礎設施，必須具備高安全性特點[5-8]。本研究主要探討當前電力系統終端通信接入網依靠的各種本地通信技術與廣域通信技術并進行總結，主要包含光纖專網技術、低壓/中壓電力線載波技術、RS-485總線技術、無線專網技術、無線公網技術、微功率無線技術和5G 技術等，旨在提升建設電力系統通信網的水平[9,10]。

1 光纖專網技術

光纖通信具有大帶寬優勢，可以高效匯聚并傳輸相關業務，因此常負責10 kV 接入網相關控制業務的廣域通信操作。此外，光纖具有抗網絡攻擊和電磁干擾的特點。當需要傳輸對安全性有要求的電力業務如精準負荷控制時，光纖技術是第一選擇。但是，光纖通信鋪設難度較大，組網結構靈活性低。目前，光纖通信技術主要以工業以太網和以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）技術2 種形式應用于電網。

2 電力線載波技術

電力線載波通信是基于電力線載波技術進行業務信號的通信，屬于有線通信方式，主要用于光纖鋪設難度和成本較高、可靠性和安全性沒有高要求的地方。

2.1 低壓電力線載波技術

低壓電力線載波技術選用低壓配電線路進行信號傳輸。傳統的低壓載波技術，采用窄帶載波策略，信號頻段被調制到小于500 kHz 的低頻，如圖1 所示。但是，因為靠近工頻頻段，所以易受到低頻干擾，易出現傳輸不穩定的問題。隨著時代的發展，有研究者提出了寬帶電力線載波（High Speed Power Line Carrier，HPLC）技術。它基于正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術將信號調制到2 ～30 MHz 的頻段，且多個頻點可以同時進行信息傳輸，具有高傳輸速率和大帶寬特點。但是終端的發射總功率受到限制，再將發射功率分散到多個頻點，導致通信距離有限。

圖1 窄帶電力線載波與寬帶電力線載波的使用頻段比較

2.2 中壓電力線載波技術

基于10 kV 電力線執行傳輸操作的通信技術稱為中壓電力線載波技術，具有覆蓋率高的特點，不需要重新布置線路，網架走線成熟，但信號傳輸衰減較大，易受到諧波干擾，可以作為備用通信技術。

3 RS-485 總線技術

RS-485 屬于一種串行異步收發協議。基于此協議的RS-485 總線技術為一種異步收發技術，已經具有較為成熟的理論體系，常應用于電網的現場控制系統，但是傳輸速率有限，無法超過115 200 b/s，具體應用于電網的數據采集過程如采集動環監控數據量。圖2 展示了此技術的組網方式。網絡采用直線型拓撲結構，把終端匹配電阻分別安裝在網絡2 個端點處。這一設計目的是提高信號傳輸的質量、減少信號的反射和保證總線阻抗連續。

圖2 RS-485 總線組網方式

4 無線專網技術

在電力系統中，如果自己搭建無線通信網絡，那么網絡被稱為無線專網。它在變電站等地方配置無線基站，在通信核心機房配置相關的無線設備，搭建電網終端與系統主站之間的通信渠道，從而連接電網終端通過核心網等通信節點和主站，架構如圖3 所示。無線專網主要基于1.8 GHz、230 MHz 頻率進行組網。目前，無線專網建設主要集中在湖南省、江蘇省等，傳輸效率低，無法滿足大帶寬業務的傳輸要求如傳輸長視頻。在同一大區內，處理不同業務時應該基于虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）和網絡接入技術（Access Point Name，APN）的映射方式進行邏輯隔離。

圖3 無線專網組網結構

5 無線公網技術

通過向移動運營租用碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）等無線網絡，讓無線公網擁有了進行電力業務通信的能力。公網的無線通信模塊功能是將電力業務終端接入無線公網，接入相應的安全接入平臺與安全接入區，這一過程稱為電力業務無線公網通信，組網方式如圖4 所示。當前電網全部用電信息的匯集都是基于無線公網接入技術。

圖4 無線公網組網方式

6 微功率無線技術

ZigBee、藍牙技術及LoRa 技術等為微功率無線通信，安裝方便且雙向通信，常被用于范圍較小的電力系統數據采集操作。

6.1 ZigBee 技術

作為一種成熟的多跳組網技術，ZigBee 技術近幾年被廣泛應用于各行各業。它的優點是功耗低、組網簡單等。ZigBee 技術基于專用協議，借助大量小型傳感器進行通信。數據在各個采集節點之間邊跳躍邊傳輸，具有較高的通信效率。

6.2 藍牙技術

藍牙是一種近距離無線技術，常用于補充網絡連接，通信傳遞速率不超過1 Mb/s，一般在10 ～100 m的距離內進行傳輸，傳輸的時間延遲不超過10 s。藍牙是使用最廣泛的近距離通信技術，但是網絡傳輸安全性低，應用場景較少。

6.3 LoRa 技術

LoRa 技術是一種采用擴頻技術的低功耗窄帶遠距離通信技術，帶寬窄但可覆蓋度大，常用于小顆粒采集業務的接入。LoRa 技術當前主要被美國Semtech公司掌握，存在技術自主性方面的風險，設備也容易產生不兼容問題。該技術可以提供高達37.5 kb/s 的傳輸速率，傳遞范圍在8 ～15 km，常用于長距離通信。

7 5G 技術

5G 技術隨著科技的需求孕育而生。頻率越高，可以使用的頻率資源數目越多，達到的傳輸速率越高。5G 技術主要為24 GHz 與6 GHz 這2 個頻率的使用，分別是高頻與中低頻。5G 可以實現超過10 Gb/s 的傳輸速率和時間延遲低于1 ms 的需求，因此可以廣泛應用于物聯網。

8 接入網分析比較

對上述幾種接入網技術進行對比分析，如表1所示。光纖通信技術成熟、安全性高，但是建設和運維成本高、難度大，可以當作一種輔助通信手段或者應用于安全性需求較高但難以覆蓋的一些業務領域。4G 無線專網技術成熟，可以承載控制類業務通信。如果控制類業務的通信要求不高，那么可以同時進行非控制類的業務傳輸，而5G 技術受一些因素的約束，目前仍應用受限。5G 無線公網覆蓋廣、安全性高，但是需要進行進一步的理論和實驗研究，暫時無法承載電力控制業務。4G 及以下無線公網抗干擾能力弱、安全性低，無法實現物理隔離，但是覆蓋區域廣、成本低，可以進行對非控制類業務的階段性承載，但是面臨著退網風險，可能被5G 所代替。本地通信技術繁雜，標準難以統一，應該加強統一規范化管理，進行標準化研究，在滿足安全性的條件下執行控制類業務的傳輸操作。終端通信接入網應該更多考慮安全性要求，采用數據加密等技術，保證業務數據傳輸安全。

表1 接入網技術分析比較

9 結 論

研究主要對光纖專網技術等多個通信技術進行分析討論，并對這些技術基于各自的指標如帶寬、安全性等和應用場景進行分析，旨在進一步提高電力系統通信網的規劃建設水平。