智能配電網(wǎng)通信技術(shù)研究

摘" 要：配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，電網(wǎng)的信息化、智能化是電網(wǎng)安全運行的重要保障。基于第五代移動通信技術(shù)（5G）可滿足未來通信系統(tǒng)大帶寬、低時延和廣連接的發(fā)展需求，該文將從智能配電網(wǎng)現(xiàn)狀、5G通信技術(shù)特點和智能配電網(wǎng)5G通信技術(shù)應用方案3方面論述。5G通信技術(shù)將成為支撐電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，將提高整個電力行業(yè)的自動化、信息化和智能化水平，為用戶提供多功能、人性化及高效的服務。

關(guān)鍵詞：智能配電網(wǎng)；5G通信技術(shù)；技術(shù)應用；eMBB；mMTC；uRLLC

中圖分類號：TM64" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0189-04

Abstract： Distribution network is an important part of the power grid， and the informationization and intelligence of the power grid is an important guarantee for the safe operation of the power grid. The fifth generation mobile communication technology （5G） can meet the development needs of large bandwidth， low delay and wide connection in the future communication system. This paper will discuss from three aspects： the present situation of smart distribution network， the characteristics of 5G communication technology and the application scheme of 5G communication technology in smart distribution network. 5G communication technology will become the key technology to support the power Internet of Things. It will improve the automation， information and intelligence level of the whole power industry， and provide users with multi-functional， humanized and efficient service requirements.

Keywords： smart distribution network; 5G communication technology; technical application; Enhanced Mobile Broadband; Massive Machine Type Communication; Ultra-Reliable Low-Latency Communications

近年來，國家電網(wǎng)公司提出建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，以提升國家電網(wǎng)安全水平為目標，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”的戰(zhàn)略手段，全面實現(xiàn)國家電網(wǎng)信息化、自動化、數(shù)字化和互動化的技術(shù)特征。利用現(xiàn)代通信信息技術(shù)、控制技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放及友好互動，為社會經(jīng)濟發(fā)展提供可靠的電力保障。隨著配電自動化、用電信息采集、用戶雙向互動、電動汽車服務和分布式能源接入等業(yè)務蓬勃發(fā)展，各類用電客戶、電力終端和電網(wǎng)設(shè)備的通信需求激增式增長，需要適用于國家電網(wǎng)應用特點的可靠、穩(wěn)定、實時且高效的通信技術(shù)作為支撐，實現(xiàn)用電客戶、電力終端、電網(wǎng)設(shè)備的信息收集和狀態(tài)監(jiān)測。5G無線通信網(wǎng)絡高帶寬、低時延及大規(guī)模連接的優(yōu)勢可以改變現(xiàn)有智能配電網(wǎng)的通信方式，大幅提升現(xiàn)有智能配電網(wǎng)的運行效率和智能決策水平。

1" 智能配電網(wǎng)現(xiàn)狀

隨著近年來電力市場開放和各種用電需求的出現(xiàn)，儲能電站、電動汽車充換電站、分布式能源及微電網(wǎng)裝置等設(shè)施大量接入電網(wǎng)，要求配電網(wǎng)具備更高的安全性、可靠性和適應性。需要利用計算機技術(shù)和現(xiàn)代傳感實現(xiàn)對各個裝置的全面感知，借助通信技術(shù)將電網(wǎng)系統(tǒng)中的各部分連接起來，通過分析電網(wǎng)運行狀態(tài)，作出最優(yōu)決策，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)運行的安全性、可靠性和適應性，有效消納可再生能源發(fā)電，提高能源利用率。

智能配電網(wǎng)是以電網(wǎng)運行狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)及環(huán)境條件變化感知為基礎(chǔ)，以標準統(tǒng)一的公共信息模型為支撐，以混合組網(wǎng)通信與信息安全為保障，通過智能配電網(wǎng)自動化技術(shù)，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的主動優(yōu)化控制，靈活高效運維，適應多元化負荷快速發(fā)展，滿足客戶多樣化需求。

1.1" 配電自動化系統(tǒng)

配電自動化系統(tǒng)是一項集現(xiàn)代化設(shè)備、控制技術(shù)、計算機技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸管理于一體的綜合信息管理系統(tǒng)。配電自動化系統(tǒng)的通信系統(tǒng)主要負責傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務，包括配電終端上傳主站端的遙信、遙測等業(yè)務采集信息及主站端下發(fā)給配電終端的線路故障定位隔離、常規(guī)總召及恢復時的遙控命令信息，數(shù)據(jù)業(yè)務的主要特點為上行流量大、下行流量小，主站端在地市集中部署。

智能配電自動化系統(tǒng)對通信系統(tǒng)的關(guān)鍵要求：高隔離，低時延。配電自動化業(yè)主分屬于國家電網(wǎng) I、II生產(chǎn)大區(qū)業(yè)務，必須和III/IV管理大區(qū)業(yè)務完全隔離。配電自動化通信系統(tǒng)的主要特點有通信站點多、覆蓋面廣、分布零散、通信可靠、安全性要求高和實時性要求高等。

1.2" 分布式能源

儲能電站、電動汽車充換電站、風力發(fā)電及光伏發(fā)電等新型分布式電源是一種建在用戶端的能源供應方式。

分布式電源對通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵需求：大量接入；同時有I/II/III區(qū)的業(yè)務，安全I區(qū)包括分布式電源SCADA監(jiān)控信號和配網(wǎng)繼電保護信號，是生產(chǎn)控制信號，安全II區(qū)包括電源站計量業(yè)務、保護信息管理和故障錄播業(yè)務，安全III區(qū)包括電源站運行管理業(yè)務、發(fā)電負荷預測和視頻監(jiān)控業(yè)務。

1.3" 智能配電網(wǎng)通信現(xiàn)狀

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，智能配電網(wǎng)需要為儲能電站、電動汽車充換電站、分布式能源、微電網(wǎng)裝置等新業(yè)務提供高質(zhì)量、高水平的服務手段。智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分之一，其實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件之一就是智能配電通信網(wǎng)。智能配電通信網(wǎng)的建設(shè)原則是利用安全可靠、先進成熟和經(jīng)濟合理的通信技術(shù)，滿足智能配電網(wǎng)現(xiàn)階段及未來對配電通信網(wǎng)的需求。

智能配電通信網(wǎng)主要的通信技術(shù)采用同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）光纖傳輸技術(shù)和以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）傳輸技術(shù)。

SDH光端機容量較大，一般是16E1到4032E1。E1（2M）通道指建立在光纖傳輸系統(tǒng)上的、為傳輸繼電保護和穩(wěn)控裝置信號提供復用的電信號通道；保護裝置和穩(wěn)控裝置發(fā)出信號需要經(jīng)過規(guī)定的接口傳送給復用設(shè)備（通常是MSTP設(shè)備），然后經(jīng)復用設(shè)備傳輸至對端站點。SDH光纖傳輸技術(shù)主要作為配電網(wǎng)中110 kV變電站、35 kV變電站之間的通信方案，為站端之間的繼電保護和穩(wěn)控裝置信號提供可靠的通信通道，但是SDH光纖傳輸系統(tǒng)涉及設(shè)備較多，設(shè)備及站端之間的光纜投資較大，運維壓力較大。SDH光纖傳輸系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

EPON技術(shù)采用點到多點結(jié)構(gòu)、無源光纖網(wǎng)絡傳輸，通過以太網(wǎng)提供多業(yè)務傳輸。其在物理層采用無源光網(wǎng)絡技術(shù)，在鏈路層采用以太網(wǎng)協(xié)議，利用無源光網(wǎng)絡的拓撲實現(xiàn)了以太網(wǎng)業(yè)務接入。EPON技術(shù)綜合了以太網(wǎng)技術(shù)和無源光網(wǎng)絡技術(shù)的優(yōu)點：擴展性強、靈活快速的服務重組、高帶寬、與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性、方便管理及低成本等。

配電網(wǎng)EPON綜合接入系統(tǒng)可能承載的業(yè)務類型包括RS232/RS485串口業(yè)務和IP業(yè)務，配電網(wǎng)EPON綜合接入系統(tǒng)應具備承載RS232/RS485串口業(yè)務和IP業(yè)務的能力，支持IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、DNP、ModBus和CDT等電力通信規(guī)約；可支持數(shù)據(jù)業(yè)務（視頻監(jiān)控業(yè)務、語音業(yè)務）、TDM（時分復用技術(shù)）業(yè)務等。

EPON技術(shù)主要作為10 kV配電終端之間、10 kV配電終端與35 kV變電站之間的通信方案，為配電終端的自動化信息提供通信通道。EPON光纖傳輸系統(tǒng)主要依賴于站端之間的光纜，光纜運維壓力較大。

EPON傳輸系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

目前，智能配電通信網(wǎng)主要存在以下問題。

1）智能配電通信網(wǎng)碎片化程度嚴重，成本高、利用率低。智能配電通信網(wǎng)需要與配電自動化系統(tǒng)同期配套建設(shè)，由于缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡規(guī)劃與協(xié)調(diào)，大多為各項目根據(jù)實際需求而單獨建設(shè)，電力通信基礎(chǔ)資源無法得到高效利用，這種現(xiàn)狀使得配電通信網(wǎng)碎片化程度高，成本高，利用率低。

2）智能配電通信網(wǎng)覆蓋率低，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對薄弱。現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)通信方式單一，網(wǎng)絡可擴展能力、覆蓋能力差。光纖網(wǎng)絡存在建設(shè)周期長、實施覆蓋難度大、建設(shè)費用高、靈活性差且無法滿足對業(yè)務終端的全部覆蓋等問題。缺乏混合組網(wǎng)應用，環(huán)境適應性不強。由于接入網(wǎng)絡規(guī)模大、范圍廣、設(shè)備多和環(huán)境復雜，單一的通信方式無法做到因地制宜，難以適應以后配電網(wǎng)絡建設(shè)需要。現(xiàn)有通信接入網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)及管理模式， 無法帶動“最后一公里”電網(wǎng)各類通信業(yè)務的綜合接入，無法引領(lǐng)和支撐智能配電網(wǎng)的發(fā)展。

3）現(xiàn)有無線公網(wǎng)存在安全隱患。現(xiàn)有公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)承載智能配用電網(wǎng)“最后一公里”業(yè)務，存在安全性、經(jīng)濟性等方面的問題。使用公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)會使得電力網(wǎng)絡信息出現(xiàn)安全隱患，同時因為網(wǎng)絡維護沒有主動權(quán)，網(wǎng)絡的可靠性較差。采用公網(wǎng)無線系統(tǒng)，因信道質(zhì)量等原因網(wǎng)絡能力受限，通信質(zhì)量不高，影響業(yè)務正常開展。公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)信道租賃費用高，長期來看缺乏經(jīng)濟性。

2" 未來智能配電業(yè)務發(fā)展

未來以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，以智能化為方向，以“大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)”等技術(shù)為基礎(chǔ)，推動現(xiàn)代信息通信技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和智能機器人技術(shù)等多種新技術(shù)與傳統(tǒng)運檢業(yè)務融合，適應電網(wǎng)快速發(fā)展運檢管理和技術(shù)變革。未來配電網(wǎng)的新業(yè)務包括：精準負荷控制、智能分布式配電自動化、智能巡檢儀、無人機巡檢、智能巡檢機器人、在線監(jiān)測終端及不停電檢測儀等。

未來智能配電業(yè)務對通信網(wǎng)的需求是安全可靠、超低時延、海量接入、友好互動、高頻次采集、視頻化數(shù)據(jù)和多樣化需求。

3" 5G通信技術(shù)

5G是第5代的蜂窩移動通信技術(shù)（5th generation mobile networks或5th generation wireless systems），5G通信技術(shù)的目標是更高速率，更低延遲，更大鏈接[1]。

國際標準組織3GPP定義了5G的3大應用場景：增強型移動寬帶（eMBB）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）、低時延高可靠通信（uRLLC），可有效滿足用戶對大連接、大流量及低時延的基本需求[2]。

此外，網(wǎng)絡切片技術(shù)作為5G通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于虛擬化網(wǎng)絡技術(shù)，將一張5G物理網(wǎng)絡在邏輯層切割為多個虛擬的端到端網(wǎng)絡。每個虛擬的網(wǎng)絡之間，包括各自網(wǎng)絡的核心網(wǎng)、承載網(wǎng)和無線網(wǎng)，都相互隔離，邏輯獨立，任何一個虛擬網(wǎng)絡發(fā)生故障時都不會影響到其他的虛擬網(wǎng)絡。

5G的網(wǎng)絡切片技術(shù)根據(jù)應用場景及需求進行網(wǎng)絡資源的管理切割、網(wǎng)絡功能的訂制，為客戶提供“量身訂制”的專屬網(wǎng)絡，可以滿足差異化的服務等級協(xié)議[3]（Service Level Agreement，SLA）服務的服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求，可以保證不同的垂直行業(yè)、不同用戶、不同應用場景及不同業(yè)務之間的安全隔離，實現(xiàn)網(wǎng)絡即服務（Network as a Service，NaaS）。

4" 智能配電網(wǎng)5G通信技術(shù)應用方案

配電網(wǎng)中傳統(tǒng)的3G/4G無線公網(wǎng)通信時延高、安全性差，光纖通信覆蓋范圍小，投資大，靈活性差，已無法滿足智能配電網(wǎng)激增的業(yè)務通道需求。而5G的3大應用場景及網(wǎng)絡切片技術(shù)可以很好地滿足智能配電網(wǎng)時延低、高可靠、海量接入及復雜業(yè)務場景的通信需求（表1）。

根據(jù)目前配電業(yè)務需求，面向未來智能配電業(yè)務，結(jié)合5G通信技術(shù)與光纖通信技術(shù)2種不同的通信技術(shù)承載方式，提出一種利用光纖通信技術(shù)結(jié)合5G通信技術(shù)的解決方案。

1）對于具備光纜敷設(shè)到站條件的110 kV變電站、35 kV變電站以SDH光纖傳輸技術(shù)與5G通信技術(shù)相結(jié)合的方式，針對不同應用場景采用相應的通信方式。對于控制、保護、調(diào)度業(yè)務采用SDH光纖傳輸技術(shù)為主用通信方式，5G的低時延高可靠通信（uRLLC）網(wǎng)絡切片為備用通信方式，以保證其對通信通道超低時延、超高可靠的要求。對于機器人/無人機數(shù)據(jù)回傳、VR/AR運檢/維修/培訓、整站安防/遠程診斷業(yè)務采用5G增強型移動寬帶（eMBB）網(wǎng)絡切片，以保證其對通信通道超高速率的要求。對于海量傳感器連接采用5G大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）網(wǎng)絡切片，以保證其對通信通道局部高密度連接的要求。

2）對于具備光纜敷設(shè)到站條件的10 kV配電終端以EPON技術(shù)與5G通信技術(shù)相結(jié)合的方式， 針對不同應用場景，采用相應的通信方式。對于配電自動化“三遙”采用EPON技術(shù)傳輸為主用通信方式，5G的低時延高可靠通信 （uRLLC）網(wǎng)絡作為備用通信方式，以保證其對通信通道超低時延、超高可靠的要求。對于配電運行監(jiān)控業(yè)務采用5G增強型移動寬帶（eMBB）網(wǎng)絡切片，保證其對通信通道超高速率的要求。對于配電自動化“二遙”采用5G大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）網(wǎng)絡切片，保證其對通信通道局部高密度連接的要求。

3）對于不具備光纜敷設(shè)到站條件的10 kV配電終端、分布式電源和電動汽車充電樁采用5G通信技術(shù)。10 kV配電終端、分布式電源和電動汽車充電樁的不同業(yè)務采用相應的5G網(wǎng)絡切片技術(shù)，既保證海量接入點對通信通道不同的要求，又保證不同傳輸通道之間的安全隔離。

5" 結(jié)束語

隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，安全可靠性高、超低時延、大規(guī)模及大帶寬的要求將會是未來智能配電業(yè)務對通信網(wǎng)承載能力提出的新挑戰(zhàn)，智能配電業(yè)務中的對網(wǎng)絡安全性、通信時延要求高的控制類和調(diào)度類業(yè)務使用光纖通信為主，5G的低時延高可靠通信 （uRLLC）網(wǎng)絡切片為輔的方式承載；對于終端數(shù)量大規(guī)模增加和移動性高的業(yè)務，宜采用5G大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）網(wǎng)絡切片方式承載；寬帶需求大的智能配用電業(yè)務，宜采用5G增強型移動寬帶（eMBB）網(wǎng)絡切片通信方式承載，保障業(yè)務帶寬需求。

終端通信接入網(wǎng)由小規(guī)模應用、公網(wǎng)支撐為主逐步向較大規(guī)模發(fā)展、專網(wǎng)與公網(wǎng)相結(jié)合演進，光纖通信技術(shù)與5G通信技術(shù)相結(jié)合，骨干通信網(wǎng)與終端通信接入網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，全面服務配電、用電環(huán)節(jié)智能化，滿足配電自動化、用電信息采集等多業(yè)務需求，增值服務能力顯著提升，最終形成一個“安全可靠、一網(wǎng)多能、優(yōu)質(zhì)高效”的終端通信接入網(wǎng)。全面滿足多種業(yè)務接入需求，促進國家電網(wǎng)公司綜合能源服務水平的提升，有效支撐電網(wǎng)智能化。

參考文獻：

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[3] 王毅，陳啟鑫，張寧，等.5G通信與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的融合：應用分析與研究展望[J].電網(wǎng)技術(shù)，2019，43（5）：1575-1585.