多技术融合的智能配用电终端通信接入架构设计

李映雪, 陆 俊, 徐志强, 龚钢军, 廖 斌

(1. 国网江西省电力有限公司经济技术研究院, 江西省南昌市 330043; 2. 华北电力大学电气与电子工程学院, 北京市 102206; 3. 国网湖南省电力有限公司经济技术研究院设计中心, 湖南省长沙市 410004)

0 引言

配用电通信网是实现电网与用户双向实时交互的重要平台[1],随着电网的大规模互联和能源互联网的兴起,配用电通信接入网规划与建设显得更加重要。为加快能源互联网建设,推动互联网与电力系统各领域深度融合和创新发展,国家电网公司开展了全球能源互联网前瞻研究[2]。随着智能电网持续建设及能源互联网兴起[2],配用电网规模不断扩大、网架结构日益复杂,配用电系统由传统单一电能分配角色转变为集电能收集、电能传输、电能存储、电能分配和用户互动化为一体的新型电力交换系统节点。在能源互联网背景下如何实现配用电信息海量接入和可靠传输,成为配用电通信网建设亟需解决的问题。

当前配用电通信网已得到充分发展,众多通信技术,如电力线通信(PLC)技术[3-4]、分时长期演进(TD-LTE)[5]、LTE230[5]、宽带无线接入技术(含LTE宽带集群通信B-TrunC技术[5])、终端直通(D2D)技术[6]、光载无线(RoF)技术[7]、无线传感器网络(WSN)、无线局域网(WLAN)和无源光网络(XPON)等技术[7],已得到试点和应用。在现有电力通信网基础上,结合以BPLC技术[3]和TD-LTE技术[4]为代表的最新宽带通信技术,针对具体的用电信息采集和配电网自动化业务实现了有效的部署应用[7-8],满足了电力配用电业务的基本通信需求。另一方面,随着智能电网及能源互联网的进一步建设,现有配用电通信网开始显现出局限性,具体表现为:①单一业务建网,表现为配电网自动化业务和用电信息采集业务都有独立的终端接入通信子系统;②通信通道独立共存,终端接入通信网的融合主要局限于业务应用层融合,有别于异构网网络层融合,通信通道只支持单一通信技术的纵向连接而非多种技术的多网协同通信互补融合,不能完全满足配用电业务高可靠性要求。

针对智能配用电地域分布广、测量监控点多、通信的可靠性及传输带宽要求高等特点,依赖某种单一有线通信接入技术或者无线通信接入技术来满足所有的应用场景都不现实,因此本文依据电力业务类型和通信需求,设计了一种多技术融合的配用电终端通信接入架构。从多业务多技术融合网络发展角度,提出了适用于能源互联网且具备多网协同和自治自愈特征的配用电终端通信接入网架构,采用多种通信技术共同配合以适应配用电应用场景,达到融合和互补的终端接入效果;并通过多形态无线技术融合架构典型组网方案说明架构的合理性。架构设计工作旨在满足承载配用电系统复杂应用环境及多元化业务需求,为能源互联网背景下的智能配电网建设提供信息通信支撑。

1 配用电终端通信接入特点

1.1 多业务复用

智能电网建设已开展了若干配用电综合接入通信网试点与建设,取得了一定的效果。但配用电终端接入通信系统仍然是以作为配用电业务系统的子系统形式为主,如配电自动化、负荷控制、用电信息采集系统等配电网系统各自拥有独立的终端接入通信系统[8-9],系统建设后仍存在采集成功率和通信可靠性未能完全达到预期目标的不足。当前配用电业务的通信范围更广、通信节点数量更多、通信频率更高,通信服务质量(quality of service,QoS),如时延和丢包率,要求更高,需要应用统一的终端接入通信系统。另一方面,在能源互联网框架下,配用电业务呈现终端数目增多、实时双向性增强、带宽成倍增多的特点,更深化了统一建网及合理规划使用电力通信网资源的内在要求。统一终端接入通信系统具有多种业务复用特点,从而带来新的需求,具体如下。

1)通信性能需求:配电终端典型通信速率为93 B/s[10],延迟指标为不大于30 ms[9],通信带宽需求较小而实时性要求高;配用视频终端通信速率约为2 000 kbit/s[10],要求大通信带宽;用电终端典型通信速率为80 kbit/s[10],延迟指标为不大于1 s[9],通信带宽需求较大而实时性要求较低,因此数据业务间复用势必互相影响通信性能。

2)可靠性需求:多种配用电网业务之间具有不同的通信可靠性需求,如智能配电网自动化和分布式电源控制可靠性等级高,通信丢包率要求不大于10-6[11];用电信息采集业务可靠性等级较低,通信丢包率要求不大于10-3[11]。满足高可靠性需求的配用电通信网需要具有通道保护、通信负载控制和自治自愈功能。

3)安全性需求:国家能源局电力二次系统安全防护规定中,要求电力二次系统安全防护工作应当坚持“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则,以保障电力网络的安全。配用电安全等级要求包括了一级、二级、三级等不同的安全可靠性等级要求[9,12],不同配用电业务具有不同的安全性需求,应按照不同安全等级划入不同的安全分区,同时不能具有直接互联的通信通道;要求不同业务通信网间具有适当的隔离手段[9]。能源互联网框架下,终端接入安全性更为严峻,在现有电力横向隔离、纵向认证安全体系下,需要扩展数据安全加密策略，以应对电网新增能源互联网相关业务(如分布式能源接入和用户需求响应)对现有电网安全性的挑战。

1.2 业务应用场景复杂

配用电网的网架结构非常复杂,配用电业务应用场景复杂,总体来说可以从区域环境、空间位置和业务分类的三维度来区分:其中区域环境包括城市、郊区、农村等不同的区域条件;空间位置包括架空、地面、地下等不同的空间位置;业务分类涵盖配电网设备线路监测诊断控制相关业务、电能量采集相关业务、分布式能源接入业务和用电互动化业务。另一方面,能源互联网发展对配用电通信网提出了新的终端信息互联的通信需求[13-14],具体表现为配电环节的支持分布式能源接入的微网和可再生能源协同调度的信息互联接入的业务通信需求[15];用电环节的需求响应与柔性负荷调度的信息互联业务需求[16-17]。再者,配电业务包含在生产控制大区(生产Ⅰ区)和管理信息大区(管理Ⅳ区):配电自动化系统(distribution automation system,DAS)的配电网调度监控业务属于Ⅰ区;DAS中的配电运行状态采集、配电工程生产管理系统(production management system,PMS)中配电网运维检修管理、配电网设备图形管理、配电网故障抢修等业务属于Ⅳ区[18]。以上因素均限制和制约了配用电终端通信接入网的发展。

综上所述,以上因素是配用电终端接入通信网有别于电力主干网和公网接入网的主要体现,也是制约配用电终端接入通信网发展的关键因素。

2 多技术融合终端通信架构设计

2.1 现有终端通信架构分析

目前中国电力终端通信接入网包含已经建设完成的配电通信网和用电通信网。参照文献[4,9],可以将现有电力终端通信接入网架构进一步归纳细化为分层应用的电力终端通信接入网架构,如图1所示。图中:VPN表示虚拟专用网络。

图1所示现有电力终端通信接入网分层应用架构可划分为汇聚平面、中压通信接入平面和低压通信接入平面。现有电力终端通信接入网现状具体表现为:①汇聚平面按照安全分区原则分别构建独立的调度数据网和综合数据网;②中压通信接入平面和低压通信接入平面采用物理隔离方式分别建网。因此,现有终端通信接入网架构采用物理隔离实现安全性前提下的智能配用电业务的通信需求。

但随着智能电网及能源互联网的进一步建设,现有配用电终端架构显现出局限性,具体表现如下。

1)中压通信接入平面和低压通信接入平面针对具体业务采用一种或多种通信技术构建通信网,存在多个独立的通信网子系统,如中压通信接入平面的配电自动化业务,可采用以太网无源光网络(EPON)技术、工业以太网技术和中压电力线载波(中压PLC)技术分别构建独立有线专网[1]。

图1 现有电力终端通信接入网分层应用架构Fig.1 Layered application architecture of current power terminal communication access network

2)中压通信接入平面和低压通信接入平面针对具体业务构建了多个采用多种通信技术的通信网子系统,各通信网子系统间独立运行,终端通常只支持单一通信网的纵向连接,无法实现多网协同通信互补融合;如低压通信接入平面的用电信息采集业务,可采用RS-485总线、光纤和电力线载波技术分别构建独立通信子网系统[1],而不是采用异构网融合技术构建融合网络;多数终端只具备单一通信子网接入功能,不支持依据具体通信现场变化自动接入可用网络实现有效横联互补融合,无法保证配用电业务高可靠性的通信要求。

2.2 多技术融合终端通信架构扩展

图1所示现有架构充分考虑了配用电业务需求及管理模式的要求,但随着能源互联网背景下的智能电网的发展,智能配用电业务将发生以下特点的变化。

1)用电信息采集、远程费控、配电自动化和用电能效监测等系统通信的成功率和可靠性需要进一步提升,终端接入仅依赖单一有线或无线通信通道保证业务QoS要求难度将越来越大。因此,应依据配用电网一次侧和二次侧网络架构和业务接入节点分布规律,采用融合组网模式为终端接入提供两个及以上通道实现自治自愈接入。

2)配电与用电类业务界限模糊兼具实时双向要求,配电类业务中将可能增加实时信息采集与传送功能的业务,用电类业务将从现有以信息采集为主扩展到用户互动化业务,要求通信接入大容量带宽前提下提供双向实时/准实时通道。因此,需要统一提供安全可靠的专用通信接入网[9]。

3)电力调度业务专用网络与电力综合业务接入网络的安全物理隔离。目前用电信息采集系统多采用综合数据网进行接入,与同样承载电力管理信息系统(MIS)、办公内网、机要传输业务的综合数据网直接连接,不符合电网未来信息安全的需求[9],应充分实现安全物理隔离,通过安全等级划分与控制保证电网可靠运行。

为应对以上需求变化,应在2.1节现有电力终端通信接入网分层应用架构基础上,对配用电终端通信接入网扩展构建多技术融合终端通信架构,如图2所示。图中:有线专网部分仍包含图1所示的EPON技术、工业以太网技术和中压PLC技术;WSN表示无线传感器网络;WLAN表示无线局域网。

图2 电力终端通信多技术融合接入网架构Fig.2 Multi-technology fusion architecture of power terminal communication access network

扩展架构融合技术路线及功能说明以下几点。

1)中压通信接入网进行安全等级划分,生产Ⅰ区和管理Ⅳ区的接入网实现有效的安全物理隔离,针对配用电业务构建不同等级的安全策略和对无线专网的安全防护机制。

2)中压通信接入平面的网络层融合,在满足配用电业务安全接入前提下,除需要网络专用与横向隔离要求的业务(如调度业务)外,对不同网络技术(如EPON技术、TD-LTE技术和LTE230技术)承载相同业务情况(如配电网二遥、微网接入和用能管理),可采用转换通用协议(如IP协议)或研制多模传输模块实现有线专网和无线专网的多网协同,如基于光载无线RoF技术,EPON有线通道可以作为TD-LTE/LTE230基站与业务层主站的回传传输链路;基于多模传输模块,TD-LTE(1.8 GHz频段)与LTE230(230 MHz频段)无线专网间可实现多频段的组网和数据调度,为终端提供双通信通道支持。

3)低压通信接入平面的网络层融合,不同网络技术(如PLC技术和WSN技术)承载相同业务情况(如用电信息采集业务和用户需求响应业务),可采用研制多模传输模块和融合网关实现有线专网和无线专网的多网协同,如WSN协议与PLC协议转换,用电终端可以依据PLC信道状态与WSN频段状态实现通信通道的自动切换,保证双通道支持;研制兼容TD-LTE和LTE230的传输协议的WSN融合网关,使得WSN用电终端支持双通道(如EPON有线通道或TD-LTE/LTE230无线通道)数据回传,保证了通信的可靠性。

3 组网示例与应用分析

3.1 典型组网示例

根据配用电通信网的要求和多种通信技术特征,考虑充分发挥各种通信技术的优点,减弱各种技术应用缺点,在中压通信接入平面和低压通信接入平面建立以光纤网络为骨干、无线技术与载波通信为辅的多种技术融合的网络结构,典型组网示例如图3所示。图中:OLT表示光线路终端;ONU表示光网络单元;FTU表示馈线终端单元;DTU表示配电终端单元;TTU表示配电变压器终端单元。

满足配电业务(如配电自动化和微网新能源接入)、用电业务(用电信息采集和计量业务)、用能管理、用户需求响应等多业务的通信需求,以及复杂应用环境下的多业务承载需求,实现自治自愈组网通信,构建支撑多业务、横纵互联的多形态配用电通信网系统。

图3为典型组网示例,其中图3(a)和图3(b)分别为配电和用电的终端接入多技术融合典型网络结构图。典型组网示例中包括中低压通信两个接入平面的主要融合技术路线。

1)中压通信接入平面融合技术。该平面融合技术主要包括EPON技术、中压PLC技术、工业以太网技术、TD-LTE技术、LTE230技术和RoF技术,以上6种单一技术通信QoS指标均能满足中压通信接入平面终端的QoS要求[3-7]。考虑该平面配电终端通信需求侧重可靠性要求(典型通信速率为93 B/s[10]和丢包率指标为不大于10-6[11]),用电终端侧重通信带宽要求(典型通信速率为80 kbit/s[10]及丢包率为不大于10-3[11]),因此采用双通信通道融合设计,如图3所示。具体融合技术途径见表1:①多网协同,采用内部多种通信技术集成机制,包括EPON与LTE融合,专网多频段组网、专网多频段调度、无线专网与无线公网切换4种方式;②自治自愈协同,采用终端中继直通基站方式。

图3 配用电终端接入多技术融合典型网络结构Fig.3 Typical multi-technology fusion structure of power terminal communication access network

2)低压通信接入平面融合技术。该平面融合技术主要包括EPON技术、低压PLC技术、工业以太网技术、TD-LTE技术和WSN技术,以上5种单一技术通信QoS指标均能满足低压通信接入平面终端的QoS要求[3-7]。考虑到该平面主要涉及用电终端部署灵活性,通信需求是通信速率和可靠性并重,因此采用有线通道与无线通道融合、双无线通道设计,如图3(b)所示。具体融合技术途径见表2:①多网协同,采用有线通道与无线通道融合设计,包括PLC与WSN，EPON与WSN，以及WSN与TD-LTE这3种方式;②融合网关,采用异构网技术的双无线通道设计,包括WSN与TD-LTE及WSN与LTE230这2种网关实现。

表1 中压通信接入平面融合技术Table 1 Fusion technologies for middle-voltage communication access interface

3.2 应用分析

多技术融合终端通信架构组网方案在应用过程中还需要解决好以下的关键技术问题。

1)配用电终端多种通信技术方式共存的后续网络运行和维护:一种可行的途径是依据配用电业务场景需要,对可用的多种技术进行合并,选择一种或两种技术为主,其余技术作为补充的应用模式;另一方面,关注新网络技术(如软件定义网络(SDN)技术[19]和智能终端处理技术),以及研制支持智能处理功能的终端,实现多技术融合网络下的统一灵活网络管理和终端免维护功能。

表2 低压通信接入平面融合技术Table 2 Fusion technologies for low-voltage communication access interface

2)配用电业务数据的区分加密:在用电侧和配电侧业务数据的信息安全等级要求基础上,依据业务数据价值确定不同复杂度的秘钥管理[20]和安全加密[21]策略,简化终端加密处理复杂度。例如:对安全等级高的计量数据采用计量芯片和高安全性加密策略,对用户用电数据采用低安全等级安全控制策略。

3)依据配用电业务特点选择无线技术的应用频段和应用模式:如用电业务本地通信可采用的WSN技术,可用频段包括480 MHz,2.4 GHz和5.8 GHz,考虑用电信息采集业务特点(需要良好的楼层穿透性和低功耗性),综合考虑频点和功耗因素,优先选择480 MHz低频段;同样是用电业务本地通信若采用无线公网VPN通道,考虑终端数据周期性采集特点和低功耗要求,可优先选择无线公网的低功耗的窄带物联网NB-IoT技术[22]应用模式。

4 结语

针对智能配用电地域分布广、测量监控点多、对通信的可靠性及传输带宽要求高等特点,设计了多技术融合的配用电终端通信接入架构。在分析现有配用电通信网络不足基础上,构建多技术融合的三层架构,并通过配电网终端和用电终端的典型组网示例验证了架构的合理性,为智能配电通信网建设提供了理论参考。

本文中接入架构和应用分析部分得到了中国电力科学研究院有限公司信息通信所雷煜卿的悉心指导,在此表示衷心的感谢!

参 考 文 献

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