无线通信技术在智能配电网中的应用

鹿 优，徐 伟

（国网技术学院，山东 泰安271000）

0 引言

随着配电自动化升级改造的不断深化，各类终端接入增多，智能配电网对通信的需求与日俱增，同时，由于电能替代的推广以及“互联网+”的深度应用，用户对供电服务质量和效率提出更高要求。供电企业正依托信息技术应用，推进营配[1]业务融合，建立网格化的供电服务模式，支撑新业务推广，构建快速响应的服务前端，建设业务协同运行、人员一专多能、服务一次到位的“全能型”[2]供电所。供电服务创新了工作开展方式，配置了智能移动终端[3]，实现了多业务的集成、多部门的协作和多专业的融合，简化了业务办理手续，实现客户诉求的快速响应和“一站式”管理，体现了“以客户为中心”，也对通信提出更高要求。

1 实施背景及创新思路

由于供电企业信息内网辐射范围有限，通信方式和信息安全限制了业务开展。目前，用电信息采集、业扩报装、电费缴纳、抢修通电等业务由租用运营商的GPRS／2G／3G公共通信网承载，虽然能够与客户保持良好的沟通和交互，一定程度满足业务对通信的需求，但是仍然存在运营成本高、安全风险大、故障处理慢、可控性低等问题。

无线通信技术与电力系统采用的光纤、载波、微波、卫星等众多传统通信方式相比，拥有敷设灵活、维护便捷、经济高效的优势，应用无线通信技术搭建承载配用电业务的电力无线专网，确保配电自动化、用电信息采集、负荷控制等业务传输的安全性、实时性和可靠性，能够满足目前智能配电网发展以及各类配用电终端接入对通信的巨大需求，具有广阔的应用前景，能够打通智能电网通信的“最后一公里”[4]。当前，电力无线专网试点建设工作正在进行中，可以预见的是承载配用电业务的通道将从租用的公网向电力无线专网过渡。此外，为应对配用电工作场景的复杂性，通常需要移动充电、应急照明、信息存储和精确定位等功能作为支撑。在过渡过程中，综合考虑以上情况，拟以技术革新的方式，在无线通信网络的延伸方式和相关功能的集成应用方面寻求创新和突破，以适应配电网各项工作情境，满足供用电多种业务需求。

2 技术路线

该项创新的主旨是无线通信技术在智能配电网中的创新应用，主要技术路线是在保证安全性和可靠性的前提下，充分发挥无线通信的灵活性，将承载不同业务的供电企业信息内网[5]和信息外网[6]延伸到配用电各个工作现场，进一步满足配电自动化运维、用电服务、应急抢修等业务开展对通信的需求，同时提供移动充电、应急照明、信息存储和精确定位等辅助功能支持。具体实施分为两步：第一步是设计并部署一种主从式模块化多用途通信装置；第二步是在配网主干节点和供电服务关键区域部署无线AP[7]。

第一步是关键。以平台思维和跨界思维为导向，创新功能集成形式，将支持多种工作场景的功能，以模块化的形式集成在通信装置中，将主从式无线路由通信设备[8]作为装置的核心，支持一定范围的无线通信组网，发挥无线信号路由或中继的作用，提升工作现场的信号强度和覆盖广度，保障双通道通信链路畅通[9]。可将这种通信装置部署至配电运检工区和供电营业厅。

第二步作支撑。在配网主干节点和供电服务关键区域部署无线AP，利用电力线路分布广泛的优势和配电自动化升级改造的基础，按照无线通信网络延伸需求，在线路杆塔上装设无线AP，将企业内网有线信号转为无线信号，形成独立的无线Mesh[10]通信网，为第一步设计的多用途通信装置的主从式通信模块提供无线信号接入服务，拓展多用途通信装置的应用空间。

3 装置创新

该项创新的核心体现在“主从式模块化多用途通信装置”的设计。该装置主要由三部分组成：模块化设备固定框架、主从式通信模块、多用途功能模块，其中多用途功能模块为支撑无线通信和改善工作条件提供辅助功能，包括电源模块、照明模块、存储模块、管理模块（可集成在业务终端或以APP形式通过手机管理）。主从式模块化多用途通信装置的结构组成如图1所示，主要功能如图2所示。

图1 主从式模块化多用途通信装置结构组成

3.1 模块化设备固定框架

模块化设备固定框架具有三层伸缩蜂巢结构，每层4个模块单元，由蜂巢形态的软质材料保护并固定各单元中的设备，各层之间依靠沟槽滑道实现伸缩和形状变化，蜂巢结构如图1（a）所示，装填入各模块设备后的蜂巢结构如图1（b）所示，将固定设备后的蜂巢结构置于框架中组成完整的设备形态，如图1（c）所示。在装置移动过程中，可将框架收缩为长方形，如图1（d）所示；应用于室内业务时，可将框架拉伸为“X”形，如图1（e）所示，便于信息内、外网通信设备的架设和信号辐射；应用于户外业务以及暗夜施工时，可将框架拉伸为“V”形，如图1（f）所示，便于在延伸无线网络的同时，提供移动电源和应急照明。框架底部可安装支架，支架可用于支撑、手持或安装背带，如图2（a）所示。框架两侧可安装应急照明固定架，用于安装和转动LED应急灯，如图2（c）所示。

图2 主从式模块化多用途通信装置主要功能

3.2 主从式通信模块

主从式通信模块包含1台信息内网通信主机、4台信息内网通信子机（2台无线中继子机、2台电力线中继子机）、1台信息外网通信主机、4台信息外网通信子机（2台无线中继子机、2台电力线中继子机）。主从式通信模块搭载了信息内网和信息外网两套主从式通信设备，实现了通信设备的物理隔离。主从式通信设备是“主机-子机-一拖多”的形式，子机作为主机的中继，实现信号放大的作用，以延伸无线通信网的覆盖范围，建立“以主机为核心、子机为支撑”的主从式无线通信网络[11]。支持两种中继方式：无线中继、电力线中继。在无线中继模式下，主机、子机之间以2.4 GB、5 GB双频通信，以5 GB为发射频率，以2.4 GB为接收频率，实现全速传输，可承载视频会议等高清业务；在电力线中继模式下，主机、子机之间通过电力线传输信号，增强无线信号在不同房间的覆盖范围。所以，电力线中继方式更适用于室内作业环境，无线中继方式较侧重于户外作业场景。此外，主从通信设备均带有网口，在能够使用网线连接主从设备的情况下，能够提供更优的传输品质。主从式通信模块的应用状态如图2（b）、（c）所示。

主机支持千兆网口、千兆Wi-Fi[12]、透射能力强，使用装置中电源模块的充电宝作为电源，信息内网主机经过内部认证和注册后，可经过防火墙、安全接入网关、隔离装置接入至信息内网，同时与企业应急通信系统联网，共同构建高速移动应急通信网络；信息外网主机可以租用运营商公共网络通道，具备随身Wi-Fi功能。子机为即插即用式无线路由，无线中继子机内置充电宝作为电源，电力线中继子机以市电作为电源。

3.3 多用途功能模块

多用途功能模块由电源模块、照明模块、存储模块、管理模块组成。电源模块包含2块折叠式太阳能光伏发电板、1块大容量锂电池、2块便携式锂电池、1个整流逆变器，主要为整个装置提供交直流电能，支持太阳能光伏充电、市电充电，可为移动设备提供充电服务，如图2（c）所示；照明模块包含2块LED应急灯，可以固定在装置外侧，提供便携式应急照明，如图2（c）所示；存储模块包含1块企业内网移动存储硬盘、1块企业外网移动存储硬盘，具有USB高速接口，分别存储来自不同网络的信息资料，做到物理隔离、内网加密；管理模块是1台平板电脑，支持拍摄、录像、北斗／GPS定位，用于管理和配置主从式通信模块、监控网络通信状态和整流逆变状态、管控存储硬盘和电池容量、提供位置信息、与相关业务终端和移动通信设备互联。

4 安全防护策略

安全防护是无线通信技术在推广过程中必须考虑和优化的首要问题，也是直接影响本项创新应用前景的关键因素。

本项创新的应用环境为电力企业信息内网和信息外网，基于已有的信息安全防护体系要求，信息内网与信息外网要继续维持强隔离部署。安全防护要以“网络专用、横向隔离、纵向认证”[13]为原则，定制的电力专用智能移动终端拥有加密设置，可以通过电力无线专网经由“防火墙-安全接入网关-隔离装置”[14]接入信息内网，从而与生产信息系统交互数据，应从边界安全、应用安全、数据安全、网络安全、终端安全等关键要素上建立无线通信安全防护体系。

在边界安全方面，信息内网无线接入边界需要重点关注；在应用安全方面，移动终端应用要采取APP加密保护等措施确保无线传输数据的安全；在数据安全方面，储存终端数据的TF卡应加密[15]；在网络安全方面，经无线通道传输数据应经过“防火墙-安全接入网关-隔离装置”的认证；在终端安全方面，部署的定制化智能移动终端应在信息内网注册，且采取终端安全状况监测和软件完整性校验等措施确保终端安全。

5 成效分析

该项创新的成效主要有两方面：一方面是应用无线通信技术实现了网络延伸，使智能电网配用电终端与信息内、外网互联互通、相互匹配，改善了通信运行方式和业务承载；另一方面是通过通信装置的技术革新，将无信通信技术与配用电业务相结合，拓展推广应用前景。

5.1 网络延伸带来的效益

信息内网是与信息外网物理隔离的独立网络，经过无线通信延伸的信息内网可以承载视频监控业务，也可以通过装设防火墙、安全接入网关和隔离装置，在满足边界安全的基础上，将目前由公网承载的配用电业务经“无线网—信息外网—信息内网”的路径导入信息内网，作为用电信息采集、装表接电、业扩报装、应急抢修等业务的通道或备份通道，也能够根据需求调整承载的业务或与电力生产管理信息网、电力应急通信系统相互衔接，将增强信息内网和信息外网的灵活性和可控性，从智能电网发展和信息安全的长远着眼，将降低运营成本和安全风险。

5.2 技术革新产生的效益

以技术革新的方式推动无线通信技术在智能配电网中的应用和推广。设计了主从式模块化多用途通信装置，装置以通信功能为主，融合了存储、电源、照明、定位等多种辅助功能，具有主从式模块化的组成结构，实现了灵活搭配、功能融合和状态管控，具有较强适应性、较高可靠性和较佳便携性，推广应用的前景较好。

在适应性方面，该装置适用于多个工种、适应多个场景、具备多种功能。其中，多工种包含供电服务、配电抢修、线路巡检、应急通信等；多场景包含室内业务开展（智能营业厅、视频会议等）、户外业务开展（用电宣传、片区巡检、配电施工与抢修、应急通信与照明等）；多功能包含信息内外网通信、视频会议、移动设备充电、信息查询检索、信息储存、应急照明、位置定位等。

在可靠性方面，该装置搭载两套主从式通信设备将信息内、外网进行物理隔离，按照安全策略构建信息安全防护体系，能够保证内部数据不泄露和通信过程的安全可靠。

在便携性方面，该装置可架设于室内，固定位置使用；可固定在车箱内，随载具机动；可置于背囊中，由单人背负携行。

6 结束语

随着无线通信技术的不断发展和在配电网中的试点应用，其所具有的传统通信方式无法比拟的灵活性将得以充分发挥，不仅能够满足大量终端的通信需求和信号的广域覆盖，而且符合智能电网对通信时延和安全的要求，智能电网“最后一公里”的通信必将是由无线通信解决。