基于自主加密芯片融合的加密型中压宽带载波通信方案研究

王伟亮　李艳华　卢茂超　卢权　何恒欣

[摘    要]本文基于光纤通信及中压（10 kV）电力线宽带载波，自主加密芯片研究，思考自主加密芯片与中压宽带载波融合，完成了技术路线，方案设计，满足配电自动化信息传输通道加密需求。

[关键词]中压（10 kV）电力线宽带载波;自主加密芯片;融合

[中图分类号]TM73 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）06–00–03

Research on Encrypted Medium Voltage Broadband Carrier Communication

Scheme Based on Fusion of Independent Encryption Chip

Wang Wei-liang， Li Yan-hua， Lu Mao-chao， Lu Quan， He Heng-xin

[Abstract]Based on the research of optical fiber communication and medium voltage （10 kV）power line broadband carrier and independent encryption chip， this paper considers the integration of independent encryption chip and medium voltage broadband carrier， and completes the technical route and scheme design to meet the encryption requirements of distribution automation information transmission channel.

[Keywords]medium voltage （10 kV）power line broadband carrier; independent encryption chip; fusion

1 配電自动化通信的目的和意义

根据《南方电网“十三五”智能电网发展规划》智能电网采集的用电信息除主网外，还包括中压配网和家庭用电信息，由于部分用电信息所处的节点、位置特殊，目前没有一种通信手段能够完全解决所有的电力信息、数据采集问题。中压配电网智能化、自动化对提高配电网运行安全性、提高供电质量、提高负荷率、降低停电时间和停电用户数、降低配电网络线损、降低系统容载比进而提高配电网运行的经济性、提高设备利用率、提高供电企业经济效益等极为重要。

“发电-输电-配电-用电”构成了这整个电能从生产到消费的全过程。其中，配电环节在智能电网的建设过程中起到连接电源和用户，承上启下的关键作用。我国目前用户停电95%以上都是配电系统原因导致。配电网线损占到系统总损耗的60%以上。分布式新能源的接入主要影响配电网的运行和控制。而我国的配电网智能化、自动化水平远低于输电网。因此智能配电网发展建设将是控制、保证用户供电质量的关键环节。传统配电网与智能配电网主要差异。

（1）传统的配电网电能单向方向从变电站输送到用户端，而智能电网中各种分布式电源都是接入配电网，因此智能配电网电能在配电网和用户端双向流动。

（2）传统的配电网仅能实现单向的对电压、电流和功率信息采集。系统根据采集的数据提供辅助分析结果，调度员结合自己经验进行判断，进行人工控制。而智能配电网可以根据各种传感器和通信技术快速判断系统故障原因，并快速形成控制策略，系统实现智能控制自动恢复到安全状态，实现电网自愈。

以上2点提出了先进的传感技术和控制技术之外，还需要先进的通信技术支撑，该通信技术必须具备10 kV及以下配电网全网络覆盖能力、全网感知能力、双向通信能力以及快速响应能力才能够满足智能配网自动化的建设需求。

虽然光纤网络技术能够提供高速及可靠的数据传输，并且已大规模铺设和应用，但在很多地方仍存在网络覆盖不完善、使用光纤成本高或实施和维护困难等问题。宽带电力线载波利用既有电力配电线路，不需要重新布线，且通信速率高，可以有效的形成对光纤网络的补充。因此，对于快速发展的配电自动化、馈线自动化（智能分布式）是一个新的应用。

2 配电自动化安全性

电网作为国家能源基础网络，安全性尤为重要，无线通信模式容易被外部介入导致电网安全事故，作为载波通信，也需要做好安全措施，因此，在载波通信设备中加入加密芯片，就是防止外部介入电力通信网络，在南网也是首次这种应用，载波与加密相结合，多节点加密宽带载波的应用，既能保证载波网络的独立性，防止外来载波设备破坏网络结构与数据安全，形成了整个下行通信网络“载波+光纤”、“载波+公网”通信链路加密，完成了下行通信链路的加密闭环，同时端到端采用IP加密，如图1所示，加密信息传输保证通信信道的稳定性和终端数据的安全性，提高了电网公司配电自动化数据的安全等级。

中压载波以电力线传输介质为对象，将加密型中压载波设备应用到自动化，实现以电力线为介质的覆盖全用电环境的物联信息网络，实现一次故障的快速定位，电感耦合方式如图2所以。

3 国际电力线宽带载波标准

BPLC（Broadband Power Line Communication）宽带电力线载波通信，一般指载波信号工作频率在2MHz以上的电力线通信技术。该技术起源于电力线上网，就是利用电力线载波通信技术和电力线入户功能实现多媒体数据化网络传输。国外在相关研究和应用已取得巨大进展。

诸多PLC标准化组织近年来开展了广泛的交流和合作。欧洲UPA、美国HPA、日本的消费电子电力线通信联盟CECPA（Consumer Electronics Powerline Communication Alliance）3大体系开始在技术上寻求共存和融合，但无法完成“互通”（Cooperatability）。因此近年来一些国际组织开展了新的标准制定工作，试图能将宽带PLC标准统一，目前还没有一个具有绝对领导力的宽带PLC国际标准。国际电力线宽带载波标准如表1所示。

4 加密芯片与中压宽带载波融合技术路线

研究思考影响电力线通信的频率、阻抗、传输距离等特性，针对电力线通信特性，研究影响宽带载波通信的解决办法和算法，制定一套适合电力线宽带载波通信的物理标准。

4.1 研发技术路线

目标1：研究并制定中压宽带载波的相关技术标准。

（1）编制中压载波信息采集的通信协议及接口标准，规范载波通信终端设备网管协议。

（2）规范中压载波在不同应用下的组网规范，提出典型组网建议。

（3）根据不同的应用、环境场景，研制适应电网业务需求的产品。

（4）研究在中压宽带载波通信设备中植入安全芯片技术，并形成标准。

目标2：根据标准，开发芯片并研制设备。

（1）研制适用于中压宽带载波的通信装置。

（2）研制基于宽带载波的集中抄表的通信模块。

（3）研制植入安全芯片的宽带载波通信模块。

目标3：试点应用。

选择柳州供电公司，采用本项目开发的寬带载波通信设备/模块进行配电自动化业务应用试点。

4.2 研究难点

4.2.1 宽带载波技术难点

（1）低压配电网信道参数变化大。

（2）中压配电网信道形态多。

（3）中低压线路结构复杂，低压配电网网络环境变化快，负荷随机接入、干扰无规律;中压配电网逻辑子网庞大。

解决措施：研究动、静态载波路由，适应电网网络环境的变化，自动调节输入输出增益，并增加网络分组功能保证逻辑子网连接数据互补干涉。

4.2.2 耦合技术难点

（1）电感耦合方式衰耗大。

（2）架空线路容易遭受雷击。

（3）耦合涉及停电施工。

解决措施：研究电容耦合，减少接入衰耗;在架空耦合装置上研究防雷设计，避免雷击造成设备损坏;研究设计耦合设备带电安装工具，避免停电施工带来的工期及影响。

5 结束语

智能电网实现关键需要先进的通信技术进行支撑，才能实现各种配电设备与后台之间的双向感知能力，光纤网络技术能够提供高速及可靠的数据传输，但覆盖受限、成本高、维护困难，使得目前配电通信通道存在大量无法建设区域，宽带电力线载波通信技术，为配网、集抄、充电桩、家庭用电设备信息采集手段等配用电设施提供通信手段，具有安装简单、部署灵活、管理方便、经济等优势。全新的宽带载波通信技术应用，使得供电公司配电自动化通信网络可以适应不同用电环境，具备TCP/IP协议扩展条件，实现快速部署，与光纤网络相结合，通信速率是普通窄带载波的200～300倍。同时，将安全加密芯片集成到宽带载波设备中，实现数据通信的加密传输，对应用层数据进行安全，防止非法入侵和数据篡改，为物联网的信息安全提供了有力保障。

参考文献

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