电网配电自动化通信网络系统的设计及优化研究

赵 鹏，德嘎泽仁

（国网西藏电力有限公司昌都供电公司，西藏 昌都 854000）

0 引 言

电网配电自动化通信网络系统的设计与优化对于提高电网运行效率、提升电网管理水平、满足用户需求以及促进电力行业现代化具有重要意义[1]。因此，电力行业应加强研究和投入，不断推进电网配电自动化的进程[2]。文章旨在探讨电网配电自动化通信网络系统的设计及优化方法，以期为相关领域的研究提供参考。

1 电网配电自动化通信网络系统的硬件优化设计

1.1 光缆线路优化设计

在电网配电自动化通信网络系统的接入设计中，决定采用以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）光通信技术。为提高通道传输的有效性，需要使用光纤向各个节点和双变电站传输信息。考虑到配电网的结构，建设光缆线路，并以10 kV 配电线路为依据来敷设和处理电缆。计划新建186 km的光缆线路[3]。按照电网系统对光纤的要求，将光纤数量选为24、48、36 芯，光纤类型选择G6952B类及单模。包层直径为（125±2）μm，模场直径为（9.2±0.4）μm。光纤技术指标要求如表1 所示。

表1 光纤技术指标要求表

考虑到光缆连接的有效性，采用了1 550 nm 和1 310 nm 波长窗口的B652B 类单模光纤[4]。所有经过电力线路的路径都统一采用了48 芯全介质自承式光缆（All Dielectric Self Supporting，ADSS），而没有电力线路经过的路径则采用48 芯普通管道光缆。该设计确保了光缆选择的统一性和规范性，有利于提高通信网络的整体性能和稳定性。

1.2 电源与辅助设备优化设计

为确保EPON 设备的正常运行，各个变电站需要科学配置变电站二次设备室，并安装光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）设施。同时，根据就近原则，将光网络单元（Optical Network Unit，ONU）安装在EPON 中，并主要配置各配电终端部位，如环网柜、柱上开关等。

在运用各个变电站的过程中，需要考虑设备增加对电源的需求，并检查电源设备容量是否满足要求[5]。对于无线终端装置和ONU 装置的工作电源，主要采用的是就近原理：当开关站周围没有箱式变电站时，可以与附近的其他变电站协商，接入其供电网络，以满足开关站和周围用户的用电需求。在电源使用过程中，开关站必须从周围的配电站中引入[6]。无论是配电室还是变电站，都必须进行合理引进，即必须从本站配变的0.4 kV 侧进行引进。在限制交流电源的过程中，可以相应地利用再生能源。

在系统骨干层网络中配备6个变电站和配网主站。其中，主站部分增加2 个面柜，分别安装于交换机设备、主管网管，以此实现对现有通信机房的安装和调用[7]。文章设计中，涉及的6个变电站均配备了两面柜。其中一面用于安装OLT设备，另一面主要用于光配架。同时，根据变电站的实际情况，相应增加了二次设备室控制机柜的位置，并对原有机房进行了改造处理[8]。该设计考虑了变电站的实际需求和具体情况，确保了设备的合理配置和运行效率。

2 电网配电自动化通信网络系统软件优化设计

2.1 电网配电自动化通信组网优化设计

核心层采用多业务传送平台（Multi Service Transport Platform，MSTP）光纤传送网络，实现对配电系统的控制。当通信子站的MSTP 装置存在空闲接口时，可以使用已有的MSTP 光传送装置的模板，将汇聚到变电所的配网数据经同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）网传送至F市供电局的调度中心。在此基础上，由调度中心提供的MSTP 设备完成业务后，通过工业以太网向配电自动化主站传送数据。电网配电自动化通信组网结构如图1 所示。

图1 电网配电自动化通信组网

针对电网配电自动化通信组网中单站容量的规划，可根据扇区最大吞吐量确定，其公式为

式中：TPS表示扇区最大吞吐量；Mr表示带宽限制；Cr表示噪声干扰水平；n表示采样因子；BW表示信道带宽；CP表示循环头长度；NFFT表示子载波数量。具体来说，根据配网自动化业务的需求，确定每个站点所需处理和传输的数据量。另外，结合通信设备的性能参数，如传输速率、端口密度等，计算出单站的最大容量。

同时，需要考虑网络拓扑结构对单站容量的影响。例如，在采用环形拓扑结构时，单站的容量可能会受到环路带宽的限制；而在采用星型或树型拓扑结构时，单站的容量则可能受上游站点或下游站点的限制。

可以通过综合考虑配网业务需求、通信设备性能参数和网络拓扑结构等因素来确定电网配电自动化通信组网中单站容量的规划。其中，根据扇区最大吞吐量来确定单站容量是一种有效的方法。

2.2 核心层通信业务保护

在电网配电自动化通信网络系统的软件优化设计中，核心层通信业务保护是至关重要的部分。为确保核心层通信的稳定性和可靠性，应采用冗余设计。这意味着在主通信路径发生故障时，备用路径可以自动切换，以保障通信的连续性。核心层通信网络应具备故障隔离功能，当某个设备或节点发生故障时，应能迅速隔离故障，防止影响其他正常运行的设备或节点。核心层通信网络应实现负载均衡，以充分利用网络资源，避免因负载过大导致通信性能下降。通过合理分配网络流量，确保各个设备或节点的负载处于均衡状态。传输网采用网络保护方式为基于链路的MSP1+1 双节点互连保护，其工作原理如图2 所示。

图2 核心层通信业务保护原理示意

在图2 所示的业务保护过程中，负载在末端进行多路分配，负载在工作通路和保护通路上同步传送，解冗余率达到100%。在发送方位置，标准通信号中保留了对工作和保护子网的连接，不额外提供无保护的业务通路。在通信的过程中，采用对称加密算法对信息进行保护，常见的对称加密算法有高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）、数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）等。在文章优化设计的系统中，选择AES 加密核心层通信中的数据，以保护数据的机密性和完整性。其公式为

式中：E表示加密函数；K表示密钥；P表示明文；k表示密钥长度；N表示模数。

在核心层通信中，数据传输是重要的环节。使用AES 加密算法对数据进行加密，防止数据被窃取或篡改。在核心层通信中，身份认证是必要的环节。使用AES 加密算法可以加密用户的身份信息，以保护用户的隐私和安全，防止身份信息被泄露或窃取。

3 仿真实验

3.1 实验准备

在模拟的供电场景中安装一组文章设计的自动化通信网络系统，根据实际供电情况，设定电压和电流的额定值。将系统频率资源设置为1.8 GHz，信道带宽设置为10 MHz，可用频点设为1，复用方式设为时分双工（Time Division Duplexing，TDD）。采用部分使用子信道（Partially Used Sub-Carrier，PUSC）的置换方式，10 MHz 信道带宽，TDD 比例设为26 ∶21。

3.2 系统远距离覆盖性能分析

在仿真模拟的过程中，将系统通信无线传播的环境划分为农村、郊区、一般城区以及密集城区4个场景。4 个不同场景区域的通信传播覆盖范围如表2 所示。

表2 系统通信传播覆盖范围记录表

从表2 中记录的数据可以看出，文章提出的系统在农村、郊区、一般城区以及密集城区4 个场景中的应用，其通信传播的覆盖范围均超过了预期的要求范围，且均能够达到大于2.00 km 的水平。由此表明，文章提出的优化设计的系统在实现通信远距离覆盖方面具有显著的优势。

3.3 带宽与时延性能分析

在模拟的供电场景中，设置3 种不同业务类型，分别为遥信量、遥测量以及遥控量，分析系统的带宽、时延性能。每项业务类型中包含的信息分为重要信息和次要信息2 种。针对不同的业务类型，分别记录其通信传输时的带宽和时延。记录实际数据，并与规定要求进行对比，具体如表3 所示。

表3 系统通信带宽与时延记录表

从表3 中可以看出，文章系统应用下的通信网络在通信带宽和时延方面都得到了有效地控制。通过优化系统的设计和配置，成功地将单终端的带宽和时延都控制在需求和要求范围内。由此表明，系统在实现高效、稳定的通信性能方面具有显著优势。

4 结 论

文章提出了一种全新的电网配电自动化通信网络系统。通过仿真实验实现了对该系统应用性能的验证。在实际应用中，应根据电网的实际情况，选择适合的通信协议和技术路线，加强网络安全管理，以提高电网配电自动化通信网络系统的性能和安全性。