新型電力系統下通信系統遠程接入網研究

馬 群，于 佳

（1.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；2.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 210000；3.國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

踐行碳達峰碳中和，能源是主戰場，電力是主力軍。國家發改委、工信部、能源局、住建部等部門密集出臺風光政策、儲能、清潔能源消納等相關文件，從政策上支持新型電力系統的發展［1-4］。

國家電網有限公司將發揮龍頭作用，推動構建以新能源為主體的新型電力系統。一是打造堅強智能電網，圍繞清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好，推動電網向能源互聯網升級。二是推進源網荷儲協同互動，統籌好電源側、電網側、用戶側功能與需求，推動合理安排新能源發展規模、布局和時序，切實提高電力系統整體運行效率。三是統籌發展與安全，堅持鞏固和發展好電網統一規劃、統一調度、統一管理的體制優勢，深化電力市場化改革，構建統一開放、競爭有序的全國統一電力市場。

新能源單機容量小、數量多、布點分散、發電不穩定等特性將對電力系統的控制基礎產生較大影響［5-10］，現有通信系統已無法滿足相應控制和信息采集要求，因此通信系統須具有更強的覆蓋能力、更實時的傳輸能力以及更大的容量。因此，對新型電力系統下電力通信系統遠程接入網，從技術性能、安全可靠性和經濟性進行比較分析，并對新型電力系統下的遠程接入網技術方案進行研究，最終得出新型電力系統下遠程接入網最佳選擇。

1 遠程接入網技術體制分析

目前，遠程接入網通信技術包括光纖專網、無線專網、無線公網、電力線載波等［11］。

1.1 光纖專網

光纖專網主要包括無源光網絡（Passive Optical Network，PON）、工業以太網、時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）等。

1）PON。

PON 是一種基于以太網的點到多點的光纖接入技術，該系統包括以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）和千兆無源光網絡（Gigabit Passive Optical Network，GPON），各個光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）與光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）設備之間通過無源分光器采用并聯方式組網，任何一個ONU 或多個ONU故障或停電，不影響OLT 和其他ONU 的穩定運行［12］。傳輸信號為光信號，傳輸安全性高。無源光網絡PON 最大傳輸距離為20 km，其中，EPON 可提供上下行對稱的1.25 Gbit/s 傳輸速率，上行傳輸時延小于1.5 ms，下行傳輸時延小于1 ms；千兆無源光網絡（Gigabit Capable PON，GPON）可提供下行2.5 Gbit/s，上行1.25 Gbit/s 傳輸速率，上行傳輸時延小于1.2 ms，下行傳輸時延小于1 ms。PON 采用雙PON 口“手拉手”組網，可靠性高，可組成星型、樹型、總線型和環型結構，與配電網線路結構吻合。

2）工業以太網。

工業以太網技術與商業以太網兼容，能夠滿足工業控制現場的需要，通信可靠性高，工業以太網光信號是在封閉介質內傳輸，輻射性較小，泄露及偵聽難度大，因此安全性較高。工業以太網最大傳輸距離為20 km，單個端口帶寬接近1 000 M。環網組網時，環上各個節點共享1 000 M 帶寬。單臺交換機的時延小于0.5 ms，采用環網組網時，以環網20 臺交換機計算，總時延小于10 ms。

3）TSN 網絡。

TSN 時間敏感網絡，是基于以太網框架，在確定性網絡發展方向上的演進，可提供精準的流量調度、確定性時延傳輸、精確時間同步、帶寬預留等服務。TSN 采用IEEE802.1AS《IEEE1588 協議在以太網上的實現》協議，為所有以太網幀添加精確時戳；采用IEEE802.1Qbv 協議，基于時分復用技術（Timedivision Multiplexing，TDM）原理，在精準時間同步的基礎上，通過設定固定的傳輸時隙，獨占通信資源，保證高優先級業務。提高時延和抖動性能；采用IEEE802.1Qbv 協議，基于搶占機制，通過設置搶占幀和可被搶占幀的方式，保證一般優先級業務傳輸時通信帶寬的高利用率。

1.2 無線專網

無線專網包括230 MHz 無線專網和1 800 MHz無線專網等。

1）230 MHz 無線專網。

230 MHz 無線專網是用于電力業務的專用通信系統，采用載波聚合、頻譜感知等相關抗干擾技術，具備時頻隔離能力，安全性及可靠性較高，但標準化及產業鏈方面相對欠缺，設備成本較高［13］。230 MHz無線專網的工作頻段為223.025～235.000 MHz，可根據電網實際需要進行上下行帶寬配比，滿足高上行比例要求，上行峰值速率可達14.4 Mbit/s，下行峰值速率為7 Mbit/s，傳輸時延（無線終端至核心網）約為100～300 ms，實際速率為500～1 000 kbit/s。市區內約3～5 km，農村地區覆蓋半徑約15～20 km。

2）1 800 MHz 專網。

長期演進（Long Term Evolution，LTE）、1 800 MHz 4G 無線專網標準繼承公網4G 承載絕大部分能源互聯網業務。在引入電力系統時，針對電力安全需求進行安全加固［14］。1 800 MHz 無線專網工作頻率為1 785～1 805 MHz，上行峰值速率為14.76 Mbit/s，下行峰值速率為23.04 Mbit/s，實際速率約為5～10 Mbit/s，傳輸時延約為30～100 ms，單站的終端連接數約為1 000 個，1 800 MHz 專網市區內覆蓋半徑約1～3 km，農村地區覆蓋半徑約5～10 km。

3）5G 專網。

根據5G 專網的組網情況，5G 專網一般分為三種：邏輯專網、獨立專網和混合專網。

邏輯專網在運營商網絡中采用切片技術實現。將采用的無線切片、承載網絡切片、核心網切片組成一個邏輯上獨立的網絡，稱為虛擬專網，其特點是部署快、成本低、安全性差。虛擬專網一般由運營商進行運維。

獨立專網是由企業獨立建設的5G 網絡，包括獨立的無線、承載、核心網，專網與運營商的網絡是完全隔離的。這種專網的特點是部署慢、成本高、安全性好、運維要求高。獨立專網由企業自行運維或者由運營商代理運維。

混合專網專網是上述兩種專網的折中，其部分網絡功能實現采用運營商設備，另一部分網絡功能專屬于企業，如：專網的控制面網絡功能使用運營商的設備，而專網的用戶面是企業專用的。承載網可以是部分由運營商建設，部分由企業來建設。通過用戶面部署到企業端，可以保證用戶數據的安全性，數據不出企業園區。這種混合專網的特點是部署速度適中，成本相對低，數據面安全性高，控制面安全性較低。混合專網運維一般為運營商與企業分別運維各自設備。

1.3 無線公網

移動通信無線公網主要由中國移動、中國電信和中國聯通三家公司運營，采用的網絡制式主要為2G 技術GSM/CDMA、3G 技術WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA、4G 技術TD/FDD-LTE、NB-IoT 和5G 技術［15］。電力系統通過租用公網運營商無線網絡通道，完成數據傳輸。

4G 公網峰值下行速率為100 Mbit/s、上行速率為50 Mbit/s。端到端的傳輸時延為100～200 ms。5G 技術作為新一代信息通信技術，定義了增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠與低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）和大規模機器類通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）三大典型應用場景［16］，可以提供20 Gbit/s 的超高帶寬、1 ms 的超低空口時延以及100 萬/km2的超大規模連接的用戶體驗，支持從接入網、核心網到承載網的端到端網絡切片，為行業用戶打造定制化的“專網”服務。

1.4 中壓電力線載波

在架空電力線和地埋電力電纜條件下，中壓窄帶電力線載波通信點對點單跳傳輸距離分別小于10 km 和小于2 km。中壓寬帶電力線載波通信點對點單跳傳輸距離小于2 km，通過中繼組網可以實現整個變電區域覆蓋。中壓窄帶載波通信傳輸速率為10～100 kbit/s，單跳傳輸時延為0.3～3.0 s。中壓寬帶載波通信傳輸速率可達1 Mbit/s，單跳傳輸時延為30～300 ms，系統容量較小。

1.5 北斗短報文

北斗短報文通信最大傳輸距離支持視距，且支持不受遮擋的區域全覆蓋。北斗三號區域既能傳輸文字，又可傳輸語音和圖片，通信能力可達14 000 bit/s，并支持560 bit/s 的全球通信能力，單程通道時延一般為0.27 s，雙程通道時延約為0.54 s。由于目前全國北斗通道資源只用了不到10%，正常系統排隊時延約1～2 s，預計最大排隊時延20～30 s。

2 技術體制對比

2.1 技術性能比較

傳輸速率方面。5G 技術可提供100 Mbit/s 用戶體驗速率，相比其他無線技術具有明顯優勢，與光纖（EPON、工業以太網、TSN）能力相當；4G 公網與4G專網（1 800 MHz）相比，頻譜帶寬雖大，但由于共享特性，兩者體驗速率相當，均為8 Mbit/s 左右；4G 專網（230 MHz 專網）由于頻點離散、頻譜較窄，僅能提供1 Mbit/s 左右體驗速率；NB-IoT 提供20 kbit/s速率［17］。

網絡時延優勢方面。5G 空口時延為1 ms，端到端時延為10 ms 左右，滿足保護控制類業務需求；4G 公網時延為100～200 ms，4G 專網時延為20～100 ms，NB-IoT 和北斗短報文時延為秒級，延遲較大［18］。

覆蓋范圍方面。4G 專網目前主要是局域覆蓋，由上文可知，230 MHz 專網工作頻段低，單站覆蓋范圍略大于1 800 MHz 專網；4G 公網單站覆蓋范圍雖與1 800 MHz 4G 專網接近，但基站密度大，廣域覆蓋好；NB-IoT 通過功率譜密度提升和重傳機制提升覆蓋能力，但基站數量少于4G，窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）農村未覆蓋；5G 工作頻段較高，城區覆蓋半徑為0.5～0.8 km，農村覆蓋半徑為1～2 km，覆蓋范圍較小，目前網絡處于建設階段，主要覆蓋直轄市、省會城市及重點城市；北斗雖屬于全域覆蓋，但遮擋影響大，僅適用于室外。

連接數量方面。NB-IoT 支持50 000/km2連接數，未來作為可選技術演進至5G mMTC 場景后，可支持100 萬/km2連接數；4G 公網提供10 000/km2連接數，230 MHz 4G 專網和1 800 MHz 4G 專網均提供不超過1 000/km2連接數。

綜上，在技術性能方面，光纖通信較無線技術具有明顯優勢，5G 技術性能明顯優于其他無線技術，4G公網、1 800 MHz 4G 專網性能較好，230 MHz 4G 專網次之，NB-IoT 和北斗短報文適合針對特定業務應用。

2.2 安全可靠性比較

安全可靠性方面。光纖安全可靠性最高，4G 專網、5G 獨立專網端到端網絡專用、資源獨享，安全可靠性次之［19］；5G 混合專網部分資源獨享，5G 邏輯專網依托網絡切片等技術，安全可靠性高于4G 公網；NB-IoT 依托現有4G 基站，面向行業用戶，安全可靠性略高于傳統4G 公網業務。

自主可控方面。光纖及廣域無線設備在我國基本實現自主研發制造，其中5G 技術、NB-IoT 技術我國自主研發占比高，4G 技術我國自主研發占比略低，北斗技術我國擁有自主知識產權。

綜上，在安全可靠性方面，光纖作為有線通信具有明顯優勢，4G 專網和5G 獨立專網、5G 混合專網安全可靠性較高，5G 邏輯專網、NB-IoT 和4G 公網可靠性一般。

2.3 經濟性比較

成本方面。NB-IoT 使用的4G 基站，終端成本及通道租用費用均較低［20］；4G 公網隨著運營商網絡規模化部署，租用成本較低且不斷下降；1 800 MHz 4G 專網基站、終端產品成熟，建設運維成本較低；230 MHz 4G 專網基站、終端產品價格相對較高，建設運維成本較高；5G 網絡尚在試點應用階段，采用獨立專網模式時，建設運維成本較高。

產業鏈方面。光纖及4G 公網技術成熟，標準完善，國內產業鏈成熟完備；1 800 MHz 4G 專網依托4G 公網，產業鏈相對完善；NB-IoT 在我國產業鏈完善，芯片成熟；5G 的R15 產業鏈已成熟，R16 尚處于原型研制階段；230 MHz 4G 專網僅華為、普天兩家企業支撐，產業鏈相對較弱。

各種遠程通信技術在技術性能、安全可靠性對比如表1 所示。

表1 遠程通信技術對比Table 1 Comparison of telecommunication technologies

3 新型電力系統下的遠程接入網技術方案

根據技術體制對比，考慮電網業務需求，遠程通信接入網建設的總體原則是統籌建設、統籌運維。一是持續推進光纜與一次線路同步建設，持續打造基礎通信資源；二是探索采用5G 切片技術實現一張5G 通信網絡的跨區多業務統一承載；三是對控制類業務需采用專網承載，優先考慮光纖專網，技術體制上可沿用EPON、工業以太網，并嘗試探索TSN 技術構建確定性網絡；四是對無光纖覆蓋區域，作為過渡，可嘗試LTE 無線自組網技術，適配電網一次網架結構，構建控制專網。對于海量終端的運維需求，可通過專業網管接口標準化，開發遠程接入網統一管控系統，實現遠程數字化運維。

3.1 遠程接入網網絡架構

對于配電自動化、用電信息采集等傳統電力業務，具備光纖的鏈路采用光纖專網技術，基于EPON、工業以太網構建多業務承載網絡，不具備光纖條件的鏈路采用無線專網、無線公網及電力線載波等多種通信技術補充。遠程接入網現狀及技術突破點如圖1 所示。

圖1 遠程接入網現狀及技術突破點Fig.1 Current situation and technical breakthrough points of remote access network

由圖1 可知，針對新型電力系統分布式控制業務場景，基于TSN 構建確定性承載網絡；針對無光纖覆蓋的電網控制類業務，作為過渡，采用LTE 無線自組網構建控制專網承載。

在綜合考慮業務性能和安全需求的基礎上，電力5G 網絡切片總體考慮空口頻率、基站、承載網、核心網以及切片管理等端到端的資源分配、組網方式，以及管控需求、經濟因素，總體劃分為3 個切片如表2 所示。

表2 電力5G網絡切片總體架構Table 2 Overall architecture of power 5G network slicing

表2 中，電力生產控制大區5G 切片空口采用物理資源模塊（Physical Resource Block，PRB）資源預留，承載網采用靈活以太網技術接口隔離與虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）隔離相結合，核心網用戶面功能（User Plane Function，UPF）、接入移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）獨享專用；電力管理信息大區5G 切片空口采用5G QoS 標識符（5G QoS Identifier，5QI）優先級調度，承載網采用VPN 隔離，核心網UPF 獨享專用；電力互聯網大區5G 切片承載網采用VPN隔離，核心網共用ToB 模式。

3.2 網絡管理

加強運維數字化水平，針對光纖專網、無線專網、無線公網、電力線載波、衛星通信等不同技術體制、不同廠商、不同型號，細化網絡和設備管理規則，制定統一的專業網管標準，開發遠程接入網統一管控系統，通過遠程升級、遠程配置等方式，降低現場側通信終端維護工作量，實現各類遠程接入網設備的統一管控，并納入電力通信管理系統統一管理。遠程接入網統一管控系統架構如圖2 所示。

圖2 遠程接入網統一管控系統架構Fig.2 Unified management and control system architecture of the remote access network

3.3 安全防護

生產控制大區遵循國能安全〔2015〕36 號《電力監控系統安全防護總體方案》和《電力監控系統安全防護規定》相關要求。

變電業務采用自主可控的通信協議，且通信協議支持身份認證功能；采用無線傳輸的通信協議應支持身份認證和數據加密功能。

配電自動化業務系統與終端的縱向聯接使用無線通信網、電力企業其他數據網或外部公用數據網的虛擬專網網絡方式等進行通信的，應當設立安全接入區。調度數據網未覆蓋到電力監控系統（如配電自動化、負荷控制管理、分布式能源接入等）的數據通信優先采用電力專用通信網絡，不具備條件的也可采用公用通信網絡（不包括因特網）、無線網絡等通信方式，使用上述通信方式時，應當設立安全接入區，并采用安全隔離、訪問控制、認證及加密等安全措施。新建“三遙”配電網終端原則上須采用光纖通信，嚴禁采用無線公網通信方式，如采用無線專網、電力線載波通信方式須通過相關信息安全評估。

管理信息大區/互聯網大區遵循國家電網有限公司智慧物聯體系安全防護方案，滿足國家電網互聯〔2021〕24 號《國家能源局綜合司關于切實做好2021 年電力行業防汛抗旱工作的通知》要求。

在控制業務中，無線接入管理信息大區：接入管理信息大區前，要采取網絡隔離措施，在接入邊界上阻斷網絡層連接直接穿透；接入終端需要雙向身份認證和數據加密。有線接入管理信息大區：需要身份認證和數據加密措施，設備本體需要集成加密芯片，自身具備安全監測能力。接入互聯網大區：需要雙向身份認證和數據加密；設備本體需要集成加密芯片，自身具備安全監測能力。

在一般業務中，無線接入管理信息大區較控制業務中的區別為設備本體無須集成加密芯片，無須具備安全監測能力。有線接入管理信息大區：接入業務采用基于密碼算法的身份認證。接入互聯網大區：接入業務采用基于密碼算法的身份認證。

4 新型電力系統應用場景

4.1 配電網場景遠程接入方案

配電臺區遠程接入自主可控通信總體方案如圖3 所示。遠程接入網可以采用有線專網、無線專網或者虛擬無線專網方式，3 種方式安全性依次降低、成本依次降低。

圖3 配電臺區自主可控遠程接入通信解決方案架構Fig.3 Architecture of independent and controllable remote access communication solution for distribution station area

有線專網方式從變電站部署光纖專網，接入10 kV 出線沿線的臺區融合終端/站房監測終端，采用的遠程接入網技術體制包括TSN、PON、工業以太網等。有線專網是成本最高的遠程接入方式，同時也是隔離程度和安全性最高的方式。

無線專網方式在變電站部署基站，接入10 kV出線沿線的臺區融合終端/站房監測終端。無線專網可以采用的技術體制包4G/5G 行業授權專網、LTE 自組網等技術。

有線和無線專網均以變電站作為遠程接入網的終結點，需要考慮從變電站到省公司/市公司信通機房的骨干網回傳通道規劃。

虛擬無線專網方式在臺區融合終端/站房監測終端采用4G/5G 公網，以運營商虛擬無線專網的方式直接接到省公司/市公司信通機房。

4.2 輸電線路監測遠程接入方案

輸電線路在線監測是指通過各種先進的傳感器技術、廣域通信技術和信息處理技術實現的實時感知、監視預警、分析診斷和趨勢預測，是實現輸電線路狀態運行檢修管理、提升生產運行管理精益化水平的重要技術手段。輸電線路在線監測業務架構如圖4 所示。

圖4 輸電線路在線監測業務遠程接入網界定Fig.4 Definition of remote access network for transmission line online monitoring services

圖4 中，3 種接入方案詳細描述如下。

方式1：邊緣物聯代理遠程匯聚、遠程傳輸。其中，“遠程匯聚”對應匯聚節點與匯聚節點之間、匯聚節點與邊緣物聯代理之間的匯聚網絡，“遠程傳輸”對應邊緣物聯代理和物聯網管理平臺之間的遠程傳輸網絡。

方式2：邊緣物聯代理本地匯聚、遠程傳輸。其中，“本地匯聚”對應邊緣物聯代理直接匯聚其覆蓋范圍內桿塔及線路上采集終端數據（對應于感知層通信方案），“遠程傳輸”對應邊緣物聯代理和物聯網管理平臺之間的遠程傳輸網絡。

方式3：輸電線路在線監測視頻業務遠傳。根據信號覆蓋情況，其通信方式目前一般采用無線公網或無線專網方式。

輸電線路在線監測業務遠程接入網優先采用有線組網方案；若不具備條件，則選擇無線專網方案；若仍不具備條件，對于部署匯聚節點的塔間通信推薦采用微波接力通信與下行鏈路物聯網低功耗窄帶無線通信中繼相結合的方案，對于邊緣物聯代理可通過無線公網直接上傳物聯管理平臺或采用塔間通信方案中繼到變電站后經骨干網上傳物聯管理平臺。

5 結束語

隨著新型電力系統的深入推進，采集控制逐步向配用電側延伸和下沉，源網荷儲各環節銜接更緊密，海量數據需要實時匯聚和高效處理，對遠程通信網的網絡覆蓋、業務承載、便捷接入、安全可控、規范管理等方面都提出更高的要求與挑戰。本文針對遠程通信網的技術方案、安全方案、性能比較和典型應用場景進行分析。在新型電力系統環境下，考慮業務承載性能和安全隔離特性，具備建設條件的情況下，光纖專網仍是遠程接入網的最佳選項，并全面推進加密無線虛擬專網承載控制類業務的規模應用，試點北斗短報文、衛星通信、無線自組網等通信技術。在遠程通信網方面，強化加密無線虛擬專網應用，以北斗短報文作為補充，有條件的地區可采用無線專網，支撐分布式光伏等新業務在偏遠地區的應用。對遠程通信網在技術方案、安全方案和典型應用上進行初步分析，后續將會在對實際應用試點場景的數據進行詳細分析。