新型电力系统终端通信网优化方案研究

王浩成，宋厚营，于 佳

（1.国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏 连云港 222000；2.国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

践行碳达峰碳中和，能源是主战场，电力是主力军。2021 年3 月，习近平总书记中央财经委员会第九次会议指出，要构建清洁低碳、安全高效的能源体系，构建以新能源为主体的新型电力系统，大力提升新能源消纳和存储能力［1-3］。

新型电力系统的建设目标是新能源为主体的电源结构［4-5］。新能源单机容量小、数量多、布点分散、发电不稳定的特性将对电力系统控制产生影响，现有通信系统已无法满足相应的控制和信息采集要求［6-8］。随着新型电力系统的深入推进，采集控制逐步向配用侧延伸和下沉，海量数据需要实时汇聚和高效处理，通信系统需要具有更强的覆盖能力、更实时的传输能力以及更大的容量［9-11］。

重点围绕新型电力系统的新业务需求，针对终端通信网的覆盖范围、业务承载能力、灵活便捷性、技术安全性等方面提出优化方案，满足源网荷储各环节精准感知和控制需求，提升电网可观测、可描述、可控制能力，为新型电力系统数字技术支撑体系落地打下基础。

1 终端通信网现状问题分析

1.1 通信网现状

终端通信网是从电力业务终端（如数据传输设备（data terminal unit，DTU）、电能表、摄像头等）到骨干通信网之间的所有通信设备组成的网络，覆盖输电、变电、配电、用电和用户侧等电网各环节，传输距离一般为几百米到几千米，具有业务应用场景复杂、技术体制多样、覆盖范围广等特征，包含远程通信网和本地通信网［12］，终端通信的架构如图1所示。

图1 终端通信网架构Fig.1 Architecture of the terminal communication network

1.2 业务现状

终端通信网承载的业务类型可归纳为控制类、非控制类两大类业务，其中非控制类业务包含窄带采集业务、宽带采集业务两类［13］。

1）控制类业务。可靠性、实时性、安全性要求高，时延为毫秒/秒级，带宽需求不低于2.4 kbit/s，业务频次为实时。远程通信以光纤为主。典型业务包括源网荷互动、配电自动化“三遥”、10 kV 分布式电源调控等。

2）窄带采集业务。终端数量多、分布广，带宽需求1～200 kbit/s，业务频次小时级/天级。远程通信以无线公网为主，本地通信技术以RS485、电力线载波为主。典型业务包括用电信息采集、输电架空线路/电缆监测等。

3）宽带采集业务。带宽需求不低于2 Mbit/s，流量持续稳定，时延秒级。远程通信主要有无线公网和光纤通信两种方式，本地通信以光纤通信、WiFi 为主。典型业务包括输电线路巡检、变电站视频监控等。

1.3 面临的问题

随着新型电力系统的深入推进，海量数据需要实时汇聚和高效处理，对终端通信网的网络覆盖、业务承载、便捷接入、安全可控、规范管理等都提出了更高的要求［13-14］。

在网络覆盖方面，光纤专网建设难度大、投资成本高，导致分布式能源调控、配电自动化等业务光纤专网覆盖不足，无法支撑控制类业务向末端进一步延伸。同时，部分偏远地区仍存在无公网覆盖的情况。

在业务承载方面，各类新兴采集业务增长迅速，用电信息采集等传统业务的采集频度及精度大幅提升，同时，新能源集中式、分布式并重模式和“双高”（高比例清洁能源、高比例电力电子装置）特性快速发展，源网荷储协调控制、输配微网多级协同下对通信的实时性和可靠性提出更高要求，本地通信网无法满足高频次、高精度和实时响应要求，存在承载力不足等问题。

在便捷接入方面，部分通信技术与业务过度绑定，导致部分场景的网络接入扩展性较差，无法实现“即插即用”，难以支撑分布式能源、可控负荷等业务灵活高效接入。

在安全可控方面，中压配网涉控业务的远程通信网采用无线公网方式，其通信技术路线及安全防护政策不统一；部分业务本地通信网采用WiFi 和LoRa 技术，存在安全、自主可控等风险［15］。

在规范管理方面，终端通信网建设需求统筹不足，管理主体、流程、标准不统一。投资依赖于各专业配套资金，部分共用网络建设无专项资金支持，专网建设整体性较差。

2 终端通信网优化总体思路

2.1 终端通信网优化的目标

以支撑新型电力系统建设为目的，以“管理+技术”双优化为抓手，构建“网络全域覆盖、业务全面支撑、终端高效接入、技术安全可控”的终端通信网，全方位满足各类电力业务的通信接入需求，提升网络承载能力、业务支撑能力和资源利用率，提高终端通信网的安全可靠性、经济适用性、管理科学性，为构建新型电力系统数字技术支撑体系提供重要基础保障，服务能源互联网建设［16］。

在网络全覆盖方面，综合运用多种通信技术，优化电力通信网的“最后一公里”，实现终端通信网全域覆盖，支撑各类终端广泛接入。

在业务全面支撑方面，全面支撑源网荷储各环节深度感知和互联，提高业务承载能力，满足各类业务终端接入需求，加强专业融合，提高网络资源利用率。

在终端高效接入方面，提高本地通信的兼容性，规范本地通信网接入标准，支撑终端“即插即用”，支撑光伏、储能、可控负荷等新业务终端快速接入。

在技术安全可靠方面，提升终端通信网的安全性，推动自主可控技术和产品应用，确保电力重要业务安全可靠运行。

2.2 终端通信网优化的总体思路

构建“空天地一体、有线无线互补、宽窄带融合”的终端通信网络，全面提升通信网的支撑服务能力。在远程通信网方面，全面推进加密无线虚拟专网承载控制类业务的规模应用，试点北斗短报文、卫星通信、无线自组网等通信技术；在本地通信网方面，开展基于双模通信技术在低压配网的应用，试点无线局域网鉴别和保密基础结构（wireless lan authentication and privacy infrastructure，WAPI）、工作于免许可频段的5G 空中接口（5G newradio in unlicensed spectru，5G NR-U）、下行物联网技术（down link internet of things，DL-IoT）等通信技术［17］，终端通信网优化总体架构如图2 所示。

图2 终端通信网优化总体架构Fig.2 Overall architecture diagram of terminal communication network optimization

3 低压配网终端通信网优化方案

3.1 低压配网终端通信技术

低压配网业务包括用电信息采集、站房监测等传统业务以及低压分布式光伏、电动汽车有序充电、需求侧响应、智慧用能、低压配电监测等新兴业务。各类感知数据主要经本地通信网汇聚到用采集中器、融合终端等采集设备，通过远程通信网回传至主站系统。

本地通信网包括高效液相色谱法（highperformance liquid chromatography，HPLC）、推荐标准485（recommended standard 485，RS485）、小无线、远距离（long range，LoRa）、蓝牙、，紫蜂等技术，以HPLC 通信技术为主。远程通信网包括2G/3G/4G/5G 等无线公网，以4G 通信技术为主［18］。其中低压配网业务中远程通信技术占比如图3 所示，低压配网业务本地通信技术占比如图4 所示。

图3 低压配网业务通信技术占比（远程通信）Fig.3 Proportion of low-voltage distribution network service communication technology（remote communication）

图4 低压配网业务通信技术占比（本地通信）Fig.4 Proportion of low-voltage distribution network service communication technology（local communication）

3.2 低压配网优化方案

采用“一强化、两完善”方式开展终端通信网优化。在远程通信网方面，强化加密无线虚拟专网应用，以北斗短报文作为补充，有条件的地区可采用无线专网，支撑分布式光伏等新业务在偏远地区的应用。在本地通信网方面，完善低压配网新业务采集规约，支持电动汽车充电桩、光伏控制器、低压监测单元等业务感知设备接入和即插即用［19］。通信方式应与用采业务解耦，方便后续各类新业务的扩展，支撑多专业应用。完善HPLC 与本地无线技术等多模式的融合应用，提升本地通信网性能，提高台区高频采集感知设备接入容量。

远程通信网，存量业务建议保持现状；增量业务可按照以下方式应用：有2G/3G/4G/5G 等无线公网覆盖的区域，采用加密无线虚拟专网方式，2G/3G 将逐渐向4G/5G 过渡，有条件的地区可采用无线专网。无线公网和无线专网未覆盖区域采用北斗三号短报文方式。远程通信网优化方案如图5 所示。

图5 远程通信网优化方案Fig.5 Optimization scheme of remote communication network

本地通信网优化方案：存量业务中采用电力线通信（power line communication，PLC）通信方式的，逐步升级为高速电力线载波（high speed power line carrier，HPLC）或HPLC 和高速无线通信（high speedradio frequency，HRF）双模通信方式。增量业务可按照以下方式应用：升级相关的融合终端、集中器和低压配网感知设备的通信规约，添加分布式光伏、充电桩、低压监测单元等新兴业务感知设备的采集控制字段和流程，支持低压配网新业务采集控制应用；扩展HPLC 通信规约和模块接口规约，支持台区新兴业务感知设备即插即用、入网即采。对于超过300 个感知设备的低压配网台区，采用HPLC+HRF 的双模通信方案，提升低压配网本地通信网高频采集能力；低于300 个感知设备的低压配网台区，采用HPLC通信方案［20］，本地通信网优化方案如图6 所示。

图6 本地通信网优化方案Fig.6 Optimization scheme of local communication network

3.3 低压配网安全方案

低压配网生产大区业务，例如分布式光伏直采直控业务，需要根据国能安全〔2015〕36 号文件要求进行安全防护。在主站侧设置安全接入区；在加密无线虚拟专网方面，4G 接入点名称（access point name，APN）采用双向鉴权、空口加密、信令面完整性保护、IPsec 传输加密、APN 隔离等措施，保障网络传输安全；终端侧采用双向认证、机卡绑定、局域网地址（media access control addres，MAC）地址绑定等措施，保护业务接入安全；5G 软切片在4G APN 基础上，增加了数据面完整性保护、密码位数增强、用户隐私保护等措施，进一步增强了网络安全性，低压配网安全方案如图7 所示。

图7 低压配网安全方案Fig.7 Security scheme of low-voltage distribution network

4 中压配网终端通信网优化方案

4.1 中压配网终端通信技术

在中压配网终端通信网应用方面，综合考虑通信带宽、时延、可靠性（含网络管理、资源保障、物理破坏风险）等通信性能，光纤专网、5G 硬切片、5G 软切片满足主要中压配网业务（其中光纤专网可靠性最高），无线专网除配网差动保护外均适用，4G APN除毫秒级精准负荷控制、配网差动保护等低时延高可靠业务外均适用，中压通信技术的占比情况如图8所示。

图8 中压配网业务通信技术占比Fig.8 Proportion of medium-voltage distribution network service communication technology

4.2 中压配网优化方案

电网一次线路新建/迁改时，宜同步建设光纤专网。存量业务建议保持现状，增量业务可按照以下方式应用，具体如图9 所示。

图9 中压配网优化方案Fig.9 Optimization scheme of medium-voltage distribution network

1）控制类业务：配电自动化“三遥”、配网差动保护、配网区域保护业务，重要用户（特级、一级、二级重要用户）和核心区（A+、A 类供电区）以光纤专网（或无线专网）为主，5G 硬切片为辅。一般用户、非核心区域、配电自动化“三遥”以4G APN、5G 软切片（或无线专网）为主、光纤专网为辅；配网差动保护、配网区域保护以5G 软切片（或无线专网）为主，光纤专网为辅。毫秒级精准负荷控制业务，应采用光纤通信。分钟级负荷控制、10 kV 分布式电源调控业务，以4G APN、5G 软切片为主，光纤专网（或无线专网）为辅。

2）非控制类业务：以4G APN、5G 软切片为主，光纤专网（或无线专网）为辅。

4.3 中压配网安全方案

当前，光纤专网、无线专网可以安全承载控制类业务，并规模化应用。本方案重点分析加密无线虚拟专网承载控制业务的安全性，其中4G APN 采用双向鉴权、空口加密、信令面完整性保护、IPsec 传输加密、APN 隔离等措施，保障网络传输安全；终端侧采用双向认证、机卡绑定、MAC 地址绑定等措施，保护业务接入安全；5G 软切片/硬切片在4G APN 基础上，增加了数据面完整性保护、密码位数增强、用户隐私保护等措施，进一步增强了网络安全性。在采用上述措施基础上，主站侧设置安全接入区，加密无线虚拟专网可承载涉控类业务，中压配网安全方案如图10 所示。

图10 中压配网安全方案Fig.10 Security scheme of medium-voltage distribution network

5 变电站终端通信网优化方案

5.1 变电站终端通信技术

变电站侧控制类业务包含保护、测控、稳控等，均通过光纤方式接入；非控制类业务包括一次设备在线监测、动环监测、消防监测、机器人巡检、视频监控等，主要通过以太网、RS485、LoRa、WiFi 等通信方式接入，终端业务通信技术占比如图11 所示。“十四五”末，一次设备在线监测、动环监测、机器人巡检等业务将有较大增长，对无线通信覆盖有迫切需求，目前变电站应用的无线技术存在自主可控及安全问题。

图11 变电站终端业务通信技术占比Fig.11 Proportion of substation terminal service communication technology

5.2 变电站终端优化方案

变电站控制类业务终端通信网仍采用光纤技术，非控制类业务采用“一统筹、两提升”方式开展终端通信网优化，如图12 所示。优化点1：统筹变电站终端通信网的规划与建设，减少重复投资；通过应用安全性更高的WAPI、非授权频谱上的LTE（LTEUnlicensed，LTE-U）、5G NR-U 宽带无线技术来满足巡检机器人等移动业务需求，提升变电站宽带无线通信网络的安全性。优化点2：通过应用自主可控的DL-IoT 技术使难以布线的传感器接入，提升变电站窄带无线通信技术自主可控及网络便捷接入水平。

图12 变电站终端业务优化方案Fig.12 Optimization scheme of substation terminal service

存量业务：采用光纤、以太网、RS485 等有线通信方式承载的业务保持现状，对采用LoRa 窄带无线技术及WiFi 宽带无线技术的存量业务依据相关规范加强防护。

增量业务：新建/改造变电站按照“一统筹、两提升”方式，同步开展变电站终端通信网建设。

5.3 变电站终端安全方案

变电站二次系统宜采用自主可控的通信协议，通信协议宜支持身份认证功能；采用无线传输的通信协议应支持身份认证和数据加密功能，安全方案如图13 所示。

图13 变电站终端业务安全方案Fig.13 Security scheme of substation terminal service

6 输电终端通信网优化方案

6.1 输电终端通信技术

当前，输电架空线路状态监测、电缆状态监测等窄带采集业务通过本地通信网接入汇聚设备，并由无线公网回传，或直接回传至主站。输电架空线路图像及视频监拍等宽带采集业务通过无线公网回传至主站，输电终端的通信技术占比如图14 所示。

图14 输电终端通信技术占比Fig.14 Proportion of transmission terminal communication technology

“十四五”末，输电架空线路及电缆通道状态监测业务将大幅增长，业务终端分布的范围更广，需要解决偏远地区、电缆管廊、缆沟等环境下无线公网信号覆盖弱等问题。

6.2 输电终端业务优化方案

输电线路场景：远程通信网以加密无线虚拟专网为主，卫星/北斗短报文和光纤为辅。针对无线公网未覆盖区域，窄带采集业务选用北斗短报文方式；宽带采集业务优先采用LTE 自组网方式接入无线公网或电力光纤网络，可选用低轨宽带通信卫星或者同步通信卫星方式作为补充，输电终端业务优化方案如图15 所示。

本地通信网：以自主可控本地无线为主，有线通信为辅。

输电管廊和缆沟场景：远程通信网以加密无线虚拟专网为主，在条件允许情况下，管廊可采用光纤通信。缆沟可采用NB-IoT 通信；本地通信网以有线为主，WAPI、自主可控本地无线为辅。

增量业务参照优化方案进行建设，存量业务保持现状。

6.3 输电终端业务安全方案

输电侧传感器和节点装置应具备固件完整性查询功能；节点装置应具备网络阻断与重置功能，防范装置违规外联等恶意行为；若传感器采用光纤通信，须通过防火墙接入信息内网；采用无线通信的，接入节点需采用安全芯片，并通过安全接入平台接入信息内网，输电终端安全方案如图16所示。

图16 输电终端业务安全方案Fig.16 Security scheme of transmission terminal service

7 结束语

新型电力系统给电力通信带来更大的挑战，分析新型电力系统下传统业务提升对通信要求的提升和新业务对通信的新需求，调研当前电力通信网中终端通信网的现状，查找当前通信网各层次从网络架构、网络技术、网络管理、网络安全等方面的不足，提出现有电力通信网性能提升的重点方向和具体方案，归纳适应新型电力系统的总体通信解决方案。实现了配网运行业务差异化承载，达到实施和维护难度小、经济性好的效果，为保障源网荷储协调互动以及保障能源新业态、新模式发展奠定基础。