電網配電自動化通信網絡系統的設計及優化研究

趙 鵬，德嘎澤仁

（國網西藏電力有限公司昌都供電公司，西藏 昌都 854000）

0 引 言

電網配電自動化通信網絡系統的設計與優化對于提高電網運行效率、提升電網管理水平、滿足用戶需求以及促進電力行業現代化具有重要意義[1]。因此，電力行業應加強研究和投入，不斷推進電網配電自動化的進程[2]。文章旨在探討電網配電自動化通信網絡系統的設計及優化方法，以期為相關領域的研究提供參考。

1 電網配電自動化通信網絡系統的硬件優化設計

1.1 光纜線路優化設計

在電網配電自動化通信網絡系統的接入設計中，決定采用以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）光通信技術。為提高通道傳輸的有效性，需要使用光纖向各個節點和雙變電站傳輸信息?？紤]到配電網的結構，建設光纜線路，并以10 kV 配電線路為依據來敷設和處理電纜。計劃新建186 km的光纜線路[3]。按照電網系統對光纖的要求，將光纖數量選為24、48、36 芯，光纖類型選擇G6952B類及單模。包層直徑為（125±2）μm，模場直徑為（9.2±0.4）μm。光纖技術指標要求如表1 所示。

表1 光纖技術指標要求表

考慮到光纜連接的有效性，采用了1 550 nm 和1 310 nm 波長窗口的B652B 類單模光纖[4]。所有經過電力線路的路徑都統一采用了48 芯全介質自承式光纜（All Dielectric Self Supporting，ADSS），而沒有電力線路經過的路徑則采用48 芯普通管道光纜。該設計確保了光纜選擇的統一性和規范性，有利于提高通信網絡的整體性能和穩定性。

1.2 電源與輔助設備優化設計

為確保EPON 設備的正常運行，各個變電站需要科學配置變電站二次設備室，并安裝光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）設施。同時，根據就近原則，將光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）安裝在EPON 中，并主要配置各配電終端部位，如環網柜、柱上開關等。

在運用各個變電站的過程中，需要考慮設備增加對電源的需求，并檢查電源設備容量是否滿足要求[5]。對于無線終端裝置和ONU 裝置的工作電源，主要采用的是就近原理：當開關站周圍沒有箱式變電站時，可以與附近的其他變電站協商，接入其供電網絡，以滿足開關站和周圍用戶的用電需求。在電源使用過程中，開關站必須從周圍的配電站中引入[6]。無論是配電室還是變電站，都必須進行合理引進，即必須從本站配變的0.4 kV 側進行引進。在限制交流電源的過程中，可以相應地利用再生能源。

在系統骨干層網絡中配備6個變電站和配網主站。其中，主站部分增加2 個面柜，分別安裝于交換機設備、主管網管，以此實現對現有通信機房的安裝和調用[7]。文章設計中，涉及的6個變電站均配備了兩面柜。其中一面用于安裝OLT設備，另一面主要用于光配架。同時，根據變電站的實際情況，相應增加了二次設備室控制機柜的位置，并對原有機房進行了改造處理[8]。該設計考慮了變電站的實際需求和具體情況，確保了設備的合理配置和運行效率。

2 電網配電自動化通信網絡系統軟件優化設計

2.1 電網配電自動化通信組網優化設計

核心層采用多業務傳送平臺（Multi Service Transport Platform，MSTP）光纖傳送網絡，實現對配電系統的控制。當通信子站的MSTP 裝置存在空閑接口時，可以使用已有的MSTP 光傳送裝置的模板，將匯聚到變電所的配網數據經同步數字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）網傳送至F市供電局的調度中心。在此基礎上，由調度中心提供的MSTP 設備完成業務后，通過工業以太網向配電自動化主站傳送數據。電網配電自動化通信組網結構如圖1 所示。

圖1 電網配電自動化通信組網

針對電網配電自動化通信組網中單站容量的規劃，可根據扇區最大吞吐量確定，其公式為

式中：TPS表示扇區最大吞吐量；Mr表示帶寬限制；Cr表示噪聲干擾水平；n表示采樣因子；BW表示信道帶寬；CP表示循環頭長度；NFFT表示子載波數量。具體來說，根據配網自動化業務的需求，確定每個站點所需處理和傳輸的數據量。另外，結合通信設備的性能參數，如傳輸速率、端口密度等，計算出單站的最大容量。

同時，需要考慮網絡拓撲結構對單站容量的影響。例如，在采用環形拓撲結構時，單站的容量可能會受到環路帶寬的限制；而在采用星型或樹型拓撲結構時，單站的容量則可能受上游站點或下游站點的限制。

可以通過綜合考慮配網業務需求、通信設備性能參數和網絡拓撲結構等因素來確定電網配電自動化通信組網中單站容量的規劃。其中，根據扇區最大吞吐量來確定單站容量是一種有效的方法。

2.2 核心層通信業務保護

在電網配電自動化通信網絡系統的軟件優化設計中，核心層通信業務保護是至關重要的部分。為確保核心層通信的穩定性和可靠性，應采用冗余設計。這意味著在主通信路徑發生故障時，備用路徑可以自動切換，以保障通信的連續性。核心層通信網絡應具備故障隔離功能，當某個設備或節點發生故障時，應能迅速隔離故障，防止影響其他正常運行的設備或節點。核心層通信網絡應實現負載均衡，以充分利用網絡資源，避免因負載過大導致通信性能下降。通過合理分配網絡流量，確保各個設備或節點的負載處于均衡狀態。傳輸網采用網絡保護方式為基于鏈路的MSP1+1 雙節點互連保護，其工作原理如圖2 所示。

圖2 核心層通信業務保護原理示意

在圖2 所示的業務保護過程中，負載在末端進行多路分配，負載在工作通路和保護通路上同步傳送，解冗余率達到100%。在發送方位置，標準通信號中保留了對工作和保護子網的連接，不額外提供無保護的業務通路。在通信的過程中，采用對稱加密算法對信息進行保護，常見的對稱加密算法有高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）、數據加密標準（Data Encryption Standard，DES）等。在文章優化設計的系統中，選擇AES 加密核心層通信中的數據，以保護數據的機密性和完整性。其公式為

式中：E表示加密函數；K表示密鑰；P表示明文；k表示密鑰長度；N表示模數。

在核心層通信中，數據傳輸是重要的環節。使用AES 加密算法對數據進行加密，防止數據被竊取或篡改。在核心層通信中，身份認證是必要的環節。使用AES 加密算法可以加密用戶的身份信息，以保護用戶的隱私和安全，防止身份信息被泄露或竊取。

3 仿真實驗

3.1 實驗準備

在模擬的供電場景中安裝一組文章設計的自動化通信網絡系統，根據實際供電情況，設定電壓和電流的額定值。將系統頻率資源設置為1.8 GHz，信道帶寬設置為10 MHz，可用頻點設為1，復用方式設為時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）。采用部分使用子信道（Partially Used Sub-Carrier，PUSC）的置換方式，10 MHz 信道帶寬，TDD 比例設為26 ∶21。

3.2 系統遠距離覆蓋性能分析

在仿真模擬的過程中，將系統通信無線傳播的環境劃分為農村、郊區、一般城區以及密集城區4個場景。4 個不同場景區域的通信傳播覆蓋范圍如表2 所示。

表2 系統通信傳播覆蓋范圍記錄表

從表2 中記錄的數據可以看出，文章提出的系統在農村、郊區、一般城區以及密集城區4 個場景中的應用，其通信傳播的覆蓋范圍均超過了預期的要求范圍，且均能夠達到大于2.00 km 的水平。由此表明，文章提出的優化設計的系統在實現通信遠距離覆蓋方面具有顯著的優勢。

3.3 帶寬與時延性能分析

在模擬的供電場景中，設置3 種不同業務類型，分別為遙信量、遙測量以及遙控量，分析系統的帶寬、時延性能。每項業務類型中包含的信息分為重要信息和次要信息2 種。針對不同的業務類型，分別記錄其通信傳輸時的帶寬和時延。記錄實際數據，并與規定要求進行對比，具體如表3 所示。

表3 系統通信帶寬與時延記錄表

從表3 中可以看出，文章系統應用下的通信網絡在通信帶寬和時延方面都得到了有效地控制。通過優化系統的設計和配置，成功地將單終端的帶寬和時延都控制在需求和要求范圍內。由此表明，系統在實現高效、穩定的通信性能方面具有顯著優勢。

4 結 論

文章提出了一種全新的電網配電自動化通信網絡系統。通過仿真實驗實現了對該系統應用性能的驗證。在實際應用中，應根據電網的實際情況，選擇適合的通信協議和技術路線，加強網絡安全管理，以提高電網配電自動化通信網絡系統的性能和安全性。