新型電力系統終端通信網優化方案研究

王浩成，宋厚營，于 佳

（1.國網江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222000；2.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。2021 年3 月，習近平總書記中央財經委員會第九次會議指出，要構建清潔低碳、安全高效的能源體系，構建以新能源為主體的新型電力系統，大力提升新能源消納和存儲能力［1-3］。

新型電力系統的建設目標是新能源為主體的電源結構［4-5］。新能源單機容量小、數量多、布點分散、發電不穩定的特性將對電力系統控制產生影響，現有通信系統已無法滿足相應的控制和信息采集要求［6-8］。隨著新型電力系統的深入推進，采集控制逐步向配用側延伸和下沉，海量數據需要實時匯聚和高效處理，通信系統需要具有更強的覆蓋能力、更實時的傳輸能力以及更大的容量［9-11］。

重點圍繞新型電力系統的新業務需求，針對終端通信網的覆蓋范圍、業務承載能力、靈活便捷性、技術安全性等方面提出優化方案，滿足源網荷儲各環節精準感知和控制需求，提升電網可觀測、可描述、可控制能力，為新型電力系統數字技術支撐體系落地打下基礎。

1 終端通信網現狀問題分析

1.1 通信網現狀

終端通信網是從電力業務終端（如數據傳輸設備（data terminal unit，DTU）、電能表、攝像頭等）到骨干通信網之間的所有通信設備組成的網絡，覆蓋輸電、變電、配電、用電和用戶側等電網各環節，傳輸距離一般為幾百米到幾千米，具有業務應用場景復雜、技術體制多樣、覆蓋范圍廣等特征，包含遠程通信網和本地通信網［12］，終端通信的架構如圖1所示。

圖1 終端通信網架構Fig.1 Architecture of the terminal communication network

1.2 業務現狀

終端通信網承載的業務類型可歸納為控制類、非控制類兩大類業務，其中非控制類業務包含窄帶采集業務、寬帶采集業務兩類［13］。

1）控制類業務。可靠性、實時性、安全性要求高，時延為毫秒/秒級，帶寬需求不低于2.4 kbit/s，業務頻次為實時。遠程通信以光纖為主。典型業務包括源網荷互動、配電自動化“三遙”、10 kV 分布式電源調控等。

2）窄帶采集業務。終端數量多、分布廣，帶寬需求1～200 kbit/s，業務頻次小時級/天級。遠程通信以無線公網為主，本地通信技術以RS485、電力線載波為主。典型業務包括用電信息采集、輸電架空線路/電纜監測等。

3）寬帶采集業務。帶寬需求不低于2 Mbit/s，流量持續穩定，時延秒級。遠程通信主要有無線公網和光纖通信兩種方式，本地通信以光纖通信、WiFi 為主。典型業務包括輸電線路巡檢、變電站視頻監控等。

1.3 面臨的問題

隨著新型電力系統的深入推進，海量數據需要實時匯聚和高效處理，對終端通信網的網絡覆蓋、業務承載、便捷接入、安全可控、規范管理等都提出了更高的要求［13-14］。

在網絡覆蓋方面，光纖專網建設難度大、投資成本高，導致分布式能源調控、配電自動化等業務光纖專網覆蓋不足，無法支撐控制類業務向末端進一步延伸。同時，部分偏遠地區仍存在無公網覆蓋的情況。

在業務承載方面，各類新興采集業務增長迅速，用電信息采集等傳統業務的采集頻度及精度大幅提升，同時，新能源集中式、分布式并重模式和“雙高”（高比例清潔能源、高比例電力電子裝置）特性快速發展，源網荷儲協調控制、輸配微網多級協同下對通信的實時性和可靠性提出更高要求，本地通信網無法滿足高頻次、高精度和實時響應要求，存在承載力不足等問題。

在便捷接入方面，部分通信技術與業務過度綁定，導致部分場景的網絡接入擴展性較差，無法實現“即插即用”，難以支撐分布式能源、可控負荷等業務靈活高效接入。

在安全可控方面，中壓配網涉控業務的遠程通信網采用無線公網方式，其通信技術路線及安全防護政策不統一；部分業務本地通信網采用WiFi 和LoRa 技術，存在安全、自主可控等風險［15］。

在規范管理方面，終端通信網建設需求統籌不足，管理主體、流程、標準不統一。投資依賴于各專業配套資金，部分共用網絡建設無專項資金支持，專網建設整體性較差。

2 終端通信網優化總體思路

2.1 終端通信網優化的目標

以支撐新型電力系統建設為目的，以“管理+技術”雙優化為抓手，構建“網絡全域覆蓋、業務全面支撐、終端高效接入、技術安全可控”的終端通信網，全方位滿足各類電力業務的通信接入需求，提升網絡承載能力、業務支撐能力和資源利用率，提高終端通信網的安全可靠性、經濟適用性、管理科學性，為構建新型電力系統數字技術支撐體系提供重要基礎保障，服務能源互聯網建設［16］。

在網絡全覆蓋方面，綜合運用多種通信技術，優化電力通信網的“最后一公里”，實現終端通信網全域覆蓋，支撐各類終端廣泛接入。

在業務全面支撐方面，全面支撐源網荷儲各環節深度感知和互聯，提高業務承載能力，滿足各類業務終端接入需求，加強專業融合，提高網絡資源利用率。

在終端高效接入方面，提高本地通信的兼容性，規范本地通信網接入標準，支撐終端“即插即用”，支撐光伏、儲能、可控負荷等新業務終端快速接入。

在技術安全可靠方面，提升終端通信網的安全性，推動自主可控技術和產品應用，確保電力重要業務安全可靠運行。

2.2 終端通信網優化的總體思路

構建“空天地一體、有線無線互補、寬窄帶融合”的終端通信網絡，全面提升通信網的支撐服務能力。在遠程通信網方面，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；在本地通信網方面，開展基于雙模通信技術在低壓配網的應用，試點無線局域網鑒別和保密基礎結構（wireless lan authentication and privacy infrastructure，WAPI）、工作于免許可頻段的5G 空中接口（5G newradio in unlicensed spectru，5G NR-U）、下行物聯網技術（down link internet of things，DL-IoT）等通信技術［17］，終端通信網優化總體架構如圖2 所示。

圖2 終端通信網優化總體架構Fig.2 Overall architecture diagram of terminal communication network optimization

3 低壓配網終端通信網優化方案

3.1 低壓配網終端通信技術

低壓配網業務包括用電信息采集、站房監測等傳統業務以及低壓分布式光伏、電動汽車有序充電、需求側響應、智慧用能、低壓配電監測等新興業務。各類感知數據主要經本地通信網匯聚到用采集中器、融合終端等采集設備，通過遠程通信網回傳至主站系統。

本地通信網包括高效液相色譜法（highperformance liquid chromatography，HPLC）、推薦標準485（recommended standard 485，RS485）、小無線、遠距離（long range，LoRa）、藍牙、，紫蜂等技術，以HPLC 通信技術為主。遠程通信網包括2G/3G/4G/5G 等無線公網，以4G 通信技術為主［18］。其中低壓配網業務中遠程通信技術占比如圖3 所示，低壓配網業務本地通信技術占比如圖4 所示。

圖3 低壓配網業務通信技術占比（遠程通信）Fig.3 Proportion of low-voltage distribution network service communication technology（remote communication）

圖4 低壓配網業務通信技術占比（本地通信）Fig.4 Proportion of low-voltage distribution network service communication technology（local communication）

3.2 低壓配網優化方案

采用“一強化、兩完善”方式開展終端通信網優化。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。在本地通信網方面，完善低壓配網新業務采集規約，支持電動汽車充電樁、光伏控制器、低壓監測單元等業務感知設備接入和即插即用［19］。通信方式應與用采業務解耦，方便后續各類新業務的擴展，支撐多專業應用。完善HPLC 與本地無線技術等多模式的融合應用，提升本地通信網性能，提高臺區高頻采集感知設備接入容量。

遠程通信網，存量業務建議保持現狀；增量業務可按照以下方式應用：有2G/3G/4G/5G 等無線公網覆蓋的區域，采用加密無線虛擬專網方式，2G/3G 將逐漸向4G/5G 過渡，有條件的地區可采用無線專網。無線公網和無線專網未覆蓋區域采用北斗三號短報文方式。遠程通信網優化方案如圖5 所示。

圖5 遠程通信網優化方案Fig.5 Optimization scheme of remote communication network

本地通信網優化方案：存量業務中采用電力線通信（power line communication，PLC）通信方式的，逐步升級為高速電力線載波（high speed power line carrier，HPLC）或HPLC 和高速無線通信（high speedradio frequency，HRF）雙模通信方式。增量業務可按照以下方式應用：升級相關的融合終端、集中器和低壓配網感知設備的通信規約，添加分布式光伏、充電樁、低壓監測單元等新興業務感知設備的采集控制字段和流程，支持低壓配網新業務采集控制應用；擴展HPLC 通信規約和模塊接口規約，支持臺區新興業務感知設備即插即用、入網即采。對于超過300 個感知設備的低壓配網臺區，采用HPLC+HRF 的雙模通信方案，提升低壓配網本地通信網高頻采集能力；低于300 個感知設備的低壓配網臺區，采用HPLC通信方案［20］，本地通信網優化方案如圖6 所示。

圖6 本地通信網優化方案Fig.6 Optimization scheme of local communication network

3.3 低壓配網安全方案

低壓配網生產大區業務，例如分布式光伏直采直控業務，需要根據國能安全〔2015〕36 號文件要求進行安全防護。在主站側設置安全接入區；在加密無線虛擬專網方面，4G 接入點名稱（access point name，APN）采用雙向鑒權、空口加密、信令面完整性保護、IPsec 傳輸加密、APN 隔離等措施，保障網絡傳輸安全；終端側采用雙向認證、機卡綁定、局域網地址（media access control addres，MAC）地址綁定等措施，保護業務接入安全；5G 軟切片在4G APN 基礎上，增加了數據面完整性保護、密碼位數增強、用戶隱私保護等措施，進一步增強了網絡安全性，低壓配網安全方案如圖7 所示。

圖7 低壓配網安全方案Fig.7 Security scheme of low-voltage distribution network

4 中壓配網終端通信網優化方案

4.1 中壓配網終端通信技術

在中壓配網終端通信網應用方面，綜合考慮通信帶寬、時延、可靠性（含網絡管理、資源保障、物理破壞風險）等通信性能，光纖專網、5G 硬切片、5G 軟切片滿足主要中壓配網業務（其中光纖專網可靠性最高），無線專網除配網差動保護外均適用，4G APN除毫秒級精準負荷控制、配網差動保護等低時延高可靠業務外均適用，中壓通信技術的占比情況如圖8所示。

圖8 中壓配網業務通信技術占比Fig.8 Proportion of medium-voltage distribution network service communication technology

4.2 中壓配網優化方案

電網一次線路新建/遷改時，宜同步建設光纖專網。存量業務建議保持現狀，增量業務可按照以下方式應用，具體如圖9 所示。

圖9 中壓配網優化方案Fig.9 Optimization scheme of medium-voltage distribution network

1）控制類業務：配電自動化“三遙”、配網差動保護、配網區域保護業務，重要用戶（特級、一級、二級重要用戶）和核心區（A+、A 類供電區）以光纖專網（或無線專網）為主，5G 硬切片為輔。一般用戶、非核心區域、配電自動化“三遙”以4G APN、5G 軟切片（或無線專網）為主、光纖專網為輔；配網差動保護、配網區域保護以5G 軟切片（或無線專網）為主，光纖專網為輔。毫秒級精準負荷控制業務，應采用光纖通信。分鐘級負荷控制、10 kV 分布式電源調控業務，以4G APN、5G 軟切片為主，光纖專網（或無線專網）為輔。

2）非控制類業務：以4G APN、5G 軟切片為主，光纖專網（或無線專網）為輔。

4.3 中壓配網安全方案

當前，光纖專網、無線專網可以安全承載控制類業務，并規模化應用。本方案重點分析加密無線虛擬專網承載控制業務的安全性，其中4G APN 采用雙向鑒權、空口加密、信令面完整性保護、IPsec 傳輸加密、APN 隔離等措施，保障網絡傳輸安全；終端側采用雙向認證、機卡綁定、MAC 地址綁定等措施，保護業務接入安全；5G 軟切片/硬切片在4G APN 基礎上，增加了數據面完整性保護、密碼位數增強、用戶隱私保護等措施，進一步增強了網絡安全性。在采用上述措施基礎上，主站側設置安全接入區，加密無線虛擬專網可承載涉控類業務，中壓配網安全方案如圖10 所示。

圖10 中壓配網安全方案Fig.10 Security scheme of medium-voltage distribution network

5 變電站終端通信網優化方案

5.1 變電站終端通信技術

變電站側控制類業務包含保護、測控、穩控等，均通過光纖方式接入；非控制類業務包括一次設備在線監測、動環監測、消防監測、機器人巡檢、視頻監控等，主要通過以太網、RS485、LoRa、WiFi 等通信方式接入，終端業務通信技術占比如圖11 所示。“十四五”末，一次設備在線監測、動環監測、機器人巡檢等業務將有較大增長，對無線通信覆蓋有迫切需求，目前變電站應用的無線技術存在自主可控及安全問題。

圖11 變電站終端業務通信技術占比Fig.11 Proportion of substation terminal service communication technology

5.2 變電站終端優化方案

變電站控制類業務終端通信網仍采用光纖技術，非控制類業務采用“一統籌、兩提升”方式開展終端通信網優化，如圖12 所示。優化點1：統籌變電站終端通信網的規劃與建設，減少重復投資；通過應用安全性更高的WAPI、非授權頻譜上的LTE（LTEUnlicensed，LTE-U）、5G NR-U 寬帶無線技術來滿足巡檢機器人等移動業務需求，提升變電站寬帶無線通信網絡的安全性。優化點2：通過應用自主可控的DL-IoT 技術使難以布線的傳感器接入，提升變電站窄帶無線通信技術自主可控及網絡便捷接入水平。

圖12 變電站終端業務優化方案Fig.12 Optimization scheme of substation terminal service

存量業務：采用光纖、以太網、RS485 等有線通信方式承載的業務保持現狀，對采用LoRa 窄帶無線技術及WiFi 寬帶無線技術的存量業務依據相關規范加強防護。

增量業務：新建/改造變電站按照“一統籌、兩提升”方式，同步開展變電站終端通信網建設。

5.3 變電站終端安全方案

變電站二次系統宜采用自主可控的通信協議，通信協議宜支持身份認證功能；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，安全方案如圖13 所示。

圖13 變電站終端業務安全方案Fig.13 Security scheme of substation terminal service

6 輸電終端通信網優化方案

6.1 輸電終端通信技術

當前，輸電架空線路狀態監測、電纜狀態監測等窄帶采集業務通過本地通信網接入匯聚設備，并由無線公網回傳，或直接回傳至主站。輸電架空線路圖像及視頻監拍等寬帶采集業務通過無線公網回傳至主站，輸電終端的通信技術占比如圖14 所示。

圖14 輸電終端通信技術占比Fig.14 Proportion of transmission terminal communication technology

“十四五”末，輸電架空線路及電纜通道狀態監測業務將大幅增長，業務終端分布的范圍更廣，需要解決偏遠地區、電纜管廊、纜溝等環境下無線公網信號覆蓋弱等問題。

6.2 輸電終端業務優化方案

輸電線路場景：遠程通信網以加密無線虛擬專網為主，衛星/北斗短報文和光纖為輔。針對無線公網未覆蓋區域，窄帶采集業務選用北斗短報文方式；寬帶采集業務優先采用LTE 自組網方式接入無線公網或電力光纖網絡，可選用低軌寬帶通信衛星或者同步通信衛星方式作為補充，輸電終端業務優化方案如圖15 所示。

本地通信網：以自主可控本地無線為主，有線通信為輔。

輸電管廊和纜溝場景：遠程通信網以加密無線虛擬專網為主，在條件允許情況下，管廊可采用光纖通信。纜溝可采用NB-IoT 通信；本地通信網以有線為主，WAPI、自主可控本地無線為輔。

增量業務參照優化方案進行建設，存量業務保持現狀。

6.3 輸電終端業務安全方案

輸電側傳感器和節點裝置應具備固件完整性查詢功能；節點裝置應具備網絡阻斷與重置功能，防范裝置違規外聯等惡意行為；若傳感器采用光纖通信，須通過防火墻接入信息內網；采用無線通信的，接入節點需采用安全芯片，并通過安全接入平臺接入信息內網，輸電終端安全方案如圖16所示。

圖16 輸電終端業務安全方案Fig.16 Security scheme of transmission terminal service

7 結束語

新型電力系統給電力通信帶來更大的挑戰，分析新型電力系統下傳統業務提升對通信要求的提升和新業務對通信的新需求，調研當前電力通信網中終端通信網的現狀，查找當前通信網各層次從網絡架構、網絡技術、網絡管理、網絡安全等方面的不足，提出現有電力通信網性能提升的重點方向和具體方案，歸納適應新型電力系統的總體通信解決方案。實現了配網運行業務差異化承載，達到實施和維護難度小、經濟性好的效果，為保障源網荷儲協調互動以及保障能源新業態、新模式發展奠定基礎。