智能電網(wǎng)下的電力通信網(wǎng)絡研究

摘要：為滿足智能電網(wǎng)發(fā)展各階段對電力通信網(wǎng)絡的需求，高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取、保護和控制的基礎，因此建立高質(zhì)量的通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的第一步。本文結(jié)合電力通信網(wǎng)的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，提出了電力通信網(wǎng)絡的演進方向和電力通信主配網(wǎng)一體化建設方案，本文成果可以作為電力通信網(wǎng)規(guī)劃建設的參考。

0 引言

智能電網(wǎng)是中國電網(wǎng)乃至世界電網(wǎng)未來的發(fā)展方向，而建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取、保護和控制的基礎。隨著智能電網(wǎng)在中國的建設發(fā)展，電力系統(tǒng)主干通信網(wǎng)和配電通信網(wǎng)之間的聯(lián)系日趨緊密[1] [2]。電力通信網(wǎng)的建設不但要滿足主網(wǎng)的業(yè)務需求，同時需要滿足配網(wǎng)業(yè)務的需求。具有通信需求的站點不僅僅是調(diào)度中心、變電站、電廠，還包括新能源發(fā)電站、分布式電源、微網(wǎng)、用戶端等，將對現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡體系產(chǎn)生較大沖擊。這就要其在建設電力系統(tǒng)通信網(wǎng)時，要將主網(wǎng)和配網(wǎng)統(tǒng)一考慮，形成主配一體化的建設方案，為智能電網(wǎng)的建設提供通信支撐。

1 電力通信網(wǎng)現(xiàn)狀

電力通信網(wǎng)以MSTP光通信為主，在此基礎上發(fā)展業(yè)務網(wǎng)和支撐網(wǎng)等。光纖通信和電力系統(tǒng)獨有的電力載波通信、微波通信等作為電網(wǎng)的主要通信手段，并采用衛(wèi)星通信、公網(wǎng)通信作為應急通信或輔助通信手段[3]。

近年來，隨著通信技術的蓬勃發(fā)展，電力通信網(wǎng)在通信技術體制、網(wǎng)絡規(guī)模發(fā)生了根本性的變革，光纖、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡等寬帶通信技術發(fā)展迅速，成為主流。微波、載波等通信技術逐步萎縮。目前，繼電保護、安全自動裝置、自動化已普遍使用光通信技術，通道的可靠性極大提高，掙脫了帶寬、時延、可靠性的束縛，跨區(qū)域的控制成為可能，跨系統(tǒng)的監(jiān)視、分析成為現(xiàn)實。電流差動保護、新EMS系統(tǒng)等新的電網(wǎng)控制技術得以廣泛推廣。光纖網(wǎng)絡覆蓋范圍的不斷擴大，為通信網(wǎng)絡完善架構、提高業(yè)務承載能力、加強網(wǎng)絡的可靠性及安全性奠定了堅實的基礎。

目前傳輸網(wǎng)、業(yè)務網(wǎng)和支撐網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)了網(wǎng)、省、地三級互聯(lián)，部分地區(qū)已經(jīng)延伸到縣級單位。通信資源得以共享，有效緩解了同一變電站重復建設通信系統(tǒng)的問題，大大節(jié)約了建設成本。

公網(wǎng)通信主要應用在應急通信、農(nóng)網(wǎng)信息化、配網(wǎng)自動化及營銷自動化以及日常辦公。在應急通信中通過租用光纖、電路資源作為電網(wǎng)實時控制業(yè)務的備用通道;通過租用電路資源實現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)信息化;通過租用公網(wǎng)GPRS/CDMA無線通信資源解決配變監(jiān)測、大客戶負控、低壓集抄等通信問題;以及實現(xiàn)辦公互聯(lián)網(wǎng)接入、辦公電話外線、傳真、移動電話等[4]。

2 電力通信網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

2.1傳輸網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

電力通信網(wǎng)面臨智能電網(wǎng)業(yè)務帶來的巨大挑戰(zhàn)，目前主要有以下幾個方面[5]：

1)傳輸帶寬需求壓力增加。隨著智能電網(wǎng)業(yè)務廣泛使用，全景可視化、遠端呈現(xiàn)、預警、數(shù)據(jù)容災等業(yè)務的廣泛應用，信息上行傳輸?shù)男枨笤黾樱歉赏ㄐ啪W(wǎng)絡的調(diào)度顆粒、傳輸容量大大增加。

2)對于分組業(yè)務的支持力度不夠。未來面臨大容量的分組傳輸需求，MSTP基于SDH技術，采用剛性管道進行數(shù)據(jù)傳輸，對于大量高速分組數(shù)據(jù)信號(GE以上)效率低，成本高，無法提供差異性服務。

3)通信網(wǎng)絡的智能化程度不高。目前網(wǎng)絡資源的統(tǒng)計、端到端業(yè)務的開通完全靠人工管理，當傳輸網(wǎng)絡規(guī)模達到一定程度時，網(wǎng)絡資源合理分配和管理將面臨挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡演進現(xiàn)在更加關注業(yè)務、智能、管理，提升網(wǎng)絡的管理和維護能力。同時通信網(wǎng)絡需要具備業(yè)務感知和預警功能，這需要提高通信網(wǎng)絡的信息化和智能化水平。

4)業(yè)務多樣性需求增加。電力系統(tǒng)通信業(yè)務正處于從TDM業(yè)務為主方向向數(shù)據(jù)業(yè)務為主的轉(zhuǎn)型期，將面臨TDM業(yè)務與數(shù)據(jù)業(yè)務長期共存的局面。未來電力通信需要一種能夠有效傳輸分組業(yè)務，并提供電信級OAM和保護的分組傳送技術。

5)配用電通信網(wǎng)基礎薄弱，迫切需要建設配用電通信網(wǎng)。配用電通信網(wǎng)是電網(wǎng)智能化的重要支撐，承載著多種智能電網(wǎng)功能，是電網(wǎng)與用戶的直接通信聯(lián)系接口。由于以往配用電通信需求較小，網(wǎng)絡復雜，技術多樣化，多采用公網(wǎng)技術，無法滿足雙向通信、高效接入、實時、可靠、寬帶等需求。因此配用電通信技術水平將是智能電網(wǎng)對用戶的最直接印象，也是智能電網(wǎng)建設的重要環(huán)節(jié)

6)信息安全保證能力不足。未來智能電網(wǎng)中可控設備越來越多，為了避免由于通信層面出現(xiàn)漏洞而使電網(wǎng)受到攻擊，通信網(wǎng)的信息安全則十分重要。

7)QoS保證機制不完善。未來智能電網(wǎng)中多種智能化業(yè)務都由通信網(wǎng)進行接入，多種業(yè)務的通信性能、可靠性、安全性等級均不相同，必須具有針對業(yè)務的QoS保證機制，以完善業(yè)務的優(yōu)先級劃分及防止業(yè)務之間在通信層面相互影響。

為了更好的解決以上問題，需要在現(xiàn)有通信體制進行優(yōu)化和演進。對于電網(wǎng)企業(yè)來說，隨著企業(yè)Internet、電力信息網(wǎng)、數(shù)字化電網(wǎng)、實時監(jiān)控系統(tǒng)的進一步建設，傳輸帶寬需求將大大增加，配用電通信網(wǎng)基礎薄弱，現(xiàn)有電力通信網(wǎng)體系架構將面臨挑戰(zhàn)，目前，盡管電力系統(tǒng)關鍵業(yè)務對10G\40G和100G業(yè)務需求不是十分迫切，但網(wǎng)絡大容量傳輸?shù)男枨蟀l(fā)展趨勢不可阻擋[7][8]。

2.2數(shù)據(jù)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)網(wǎng)分為調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)(主要是調(diào)度電話)和綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)(只要是管理和信息化業(yè)務)。不是僅僅包括調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。

為實現(xiàn)智能化調(diào)度及配用電，面向的調(diào)度對象將是更大范圍的復雜系統(tǒng)，眾多分布式能源及各類用戶的接入，調(diào)度點和用戶大量增加，網(wǎng)絡間的聯(lián)系、相關性更加緊密，系統(tǒng)安全性可靠性更加重要[9][10];電網(wǎng)智能化功能的實現(xiàn)，需要對電網(wǎng)進行大規(guī)模、全過程的監(jiān)視、控制、分析，電網(wǎng)計算將向動態(tài)、超實時的方向發(fā)展，大量的電網(wǎng)狀態(tài)信息將通過電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)進行傳輸與交換，伴隨公司現(xiàn)代化電網(wǎng)建設、信息建設，公司系統(tǒng)需逐漸形成指揮暢通、運作靈活的信息化工作平臺;在電力市場建設的過程中，各級電力調(diào)度交易中心大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和應用系統(tǒng)的建設也將大力建設，對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)的傳輸容量和可靠性都提出了更高的要求。智能電網(wǎng)中電力二次系統(tǒng)對數(shù)據(jù)網(wǎng)也提出了新的需求：

1)要求更高的可靠性。電力系統(tǒng)通信專業(yè)更高的保障要求，要求電力系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)具備更高的網(wǎng)絡生存性及業(yè)務恢復能力。

2)對電網(wǎng)各個節(jié)點進行狀態(tài)信息的采集，在局部或全網(wǎng)內(nèi)進行電網(wǎng)狀態(tài)信息的實時交換，要求電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)具有更高的綜合接入能力及實時性保障。

3)對電網(wǎng)全面監(jiān)控與管理，將有更多的數(shù)據(jù)匯集到調(diào)度中心，大量數(shù)據(jù)的傳輸需要更高的帶寬保障。

4)變電站之間需要大量的數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)的變電站與變電站之間基本上沒有數(shù)據(jù)交換，站站之間僅僅傳輸數(shù)據(jù)量很小的保護及安控信息。

5)數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全性問題。

未來電力系統(tǒng)新業(yè)務中大量的信息化業(yè)務對通信網(wǎng)的帶寬提供能力提出了更高的要求，信息化業(yè)務已經(jīng)成為電力通信網(wǎng)帶寬的主要消耗業(yè)務，并且呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢;大量與公司現(xiàn)代化建設的新應用：視頻應用、數(shù)據(jù)中心、容災中心等的建設，要求具有高帶寬支撐;各級骨干節(jié)點數(shù)據(jù)交換的顆粒度增大。

3 主配通信網(wǎng)一體化建設方案

隨著智能電網(wǎng)的建設，現(xiàn)有電力通信網(wǎng)將面臨的挑戰(zhàn)，骨干通信網(wǎng)要求具有更多更豐富有效的接入接口，配網(wǎng)通信要求信息的高速傳輸，主配通信網(wǎng)相互滲透，主配通信網(wǎng)將作為一盤棋統(tǒng)一規(guī)劃設計，要求通信技術、通信介質(zhì)、維護管理、網(wǎng)絡安全、接口管理、業(yè)務配置、網(wǎng)絡互通等均需要整體考慮，從而高效、充分利用通信資源，滿足業(yè)務可靠、穩(wěn)定傳輸要求[11]。因此主配一體化通信將是未來電力通信網(wǎng)的重要發(fā)展方向。本文主要提出以下兩種設想。

3.1演進方案一

省級通信網(wǎng)新建OTN，市級骨干通信網(wǎng)SDH/MSTP與PTN網(wǎng)絡并存，配網(wǎng)采用PON技術和無線技術。主配通信網(wǎng)一體化演進方案一的示意圖如下圖1所示：

圖1 主配通信網(wǎng)一體化演進方案一

該方案具體內(nèi)容為：

(1)省級通信網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點選擇500kV變電站和省調(diào)中心，采用OTN技術組網(wǎng)，與廣東現(xiàn)有通信網(wǎng)并存，共同分擔業(yè)務或相互提供備用通道。省級通信網(wǎng)能夠提供超大帶寬，能夠滿足中長期的帶寬需求。待OTN網(wǎng)絡成網(wǎng)后引入ASON控制平面。

(2)市級通信網(wǎng)可在升級現(xiàn)有通信設備帶寬的同時，在對IP數(shù)據(jù)需求較大的站點部署PTN網(wǎng)絡，解決智能電網(wǎng)下IP數(shù)據(jù)業(yè)務的靈活接入和高效處理能力。PTN與SDH/MSTP網(wǎng)絡共同為電力業(yè)務提供通道，PTN主要承載IP數(shù)據(jù)、視頻、VoIP以及非實時性的網(wǎng)絡業(yè)務，SDH/MSTP網(wǎng)絡主要承載繼電保護、安穩(wěn)系統(tǒng)、PCM、調(diào)度電話、遠動和專線等小顆粒業(yè)務。同時，PTN和SDH/MSTP相互備份，提高業(yè)務的可靠性。

(3)在配網(wǎng)通信中，優(yōu)先采用光纖通信技術，應用無源光網(wǎng)絡和工業(yè)以太網(wǎng)技術復合組網(wǎng)，無源光網(wǎng)絡技術承載多終端點采集與監(jiān)測信息，工業(yè)以太網(wǎng)技術用于高可靠性、實時性要求的控制類信息。在光纖無法應用的場景，應用無線、電力線載波手段進行延伸或應用公網(wǎng)無線通信技術進行補充，同時應避免應用較高水平的配用電功能。3.2演進方案二

省級、市級骨干通信網(wǎng)新建OTN，最終開通ASON控制平面，配網(wǎng)可以租用公網(wǎng)或者采用PON技術和無線技術光纖化。主配通信網(wǎng)一體化演進方案二的示意圖如下圖2所示：

圖2主配通信網(wǎng)一體化演進方案二

該方案具體內(nèi)容為：

(1)省級通信網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點選擇500kV變電站和省調(diào)中心，采用OTN技術組網(wǎng)，與廣東現(xiàn)有通信網(wǎng)并存，共同分擔業(yè)務或相互提供備用通道。傳統(tǒng)的WDM設備可以提供大帶寬，但是沒有足夠的維護調(diào)度能力，如果采用OXC+WDM方式又會帶來維護及投資的上升。因此，省級通信網(wǎng)引入OTN將較好地適應寬帶業(yè)務的發(fā)展。能夠滿足中長期的帶寬需求。

(2)市級通信網(wǎng)在220kV和調(diào)度中心建設OTN通信網(wǎng)。市級OTN光傳送網(wǎng)除了可以實現(xiàn)GE/10GE/40GE、2.5G/10G/40G POS等大顆粒電信業(yè)務傳送外，還可以接入其他寬帶業(yè)務，如STM-1/4/16/64 SDH、ATM、FE、ESCON、FC等等;對于以太網(wǎng)業(yè)務可以實現(xiàn)二層匯聚，提高以太通道的帶寬利用率;可實現(xiàn)波長/各種子波長業(yè)務的疏導，實現(xiàn)波長/子波長專線業(yè)務接入;OTN還可組件mesh網(wǎng)絡，提供高效的保護恢復能力;使傳送網(wǎng)絡的層次更為清晰。

(3)在配網(wǎng)通信中，優(yōu)先采用光纖通信技術，應用無源光網(wǎng)絡和工業(yè)以太網(wǎng)技術復合組網(wǎng)，無源光網(wǎng)絡技術承載多終端點采集與監(jiān)測信息，工業(yè)以太網(wǎng)技術用于高可靠性、實時性要求的控制類信息。在光纖無法應用的場景，應用無線、電力線載波手段進行延伸或應用公網(wǎng)無線通信技術進行補充，同時應避免應用較高水平的配用電功能。

3.3方案比較

方案一與方案二各有優(yōu)勢和缺點，差異在于市級骨干網(wǎng)的技術體制不同。

方案一中，省級骨干網(wǎng)的傳輸帶寬滿足中長期的業(yè)務需求，市級骨干網(wǎng)中PTN具有高效的IP數(shù)據(jù)處理能力，能夠承載各種類型的業(yè)務，提供不同的QoS服務，理論上能夠滿足智能電網(wǎng)新業(yè)務的靈活接入要求。但是目前該技術標準尚不完善，廠家設備存在較大差異(有基于傳送技術、有基于以太網(wǎng)技術、以及雙平面技術等)，且尚未有大規(guī)模成功運行的案例。鑒于電力通信業(yè)務的安全可靠性要求，建議短期內(nèi)暫不采用方案一。

方案二中，全網(wǎng)將統(tǒng)一技術體制，為維護、管理帶來了便捷性，但是OTN的大顆粒調(diào)度始終不適合電力通信業(yè)務，另外OTN受光纖衰減、色散、偏振模色散及光信噪比等因素影響，對現(xiàn)場線路的性能指標及線路距離有重要的限制。在線路設計中需全面考察后確定。OTN實現(xiàn)了高速傳輸，但對多業(yè)務的靈活接入支持能力有限。

PTN技術完善后，方案一將是滿足智能電網(wǎng)分組業(yè)務靈活接入的理想方案;或者OTN具備多業(yè)務靈活接入和靈活調(diào)度功能后，OTN技術下沉，方案二將是終極解決方案。但是目前看來，方案一具有良好的發(fā)展前景。

4 結(jié)論

電力系統(tǒng)業(yè)務對網(wǎng)絡傳送能力的迫切需求是網(wǎng)絡技術發(fā)展、網(wǎng)絡建設的根本動力，電力通信網(wǎng)做為基礎的承載網(wǎng)絡必須適應上層業(yè)務的轉(zhuǎn)型和發(fā)展。智能電網(wǎng)的對現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡體系產(chǎn)生巨大沖擊，提出了更高的要求。骨干通信網(wǎng)要求具有更多更豐富有效的接入接口，配網(wǎng)通信要求信息的高速傳輸，主配通信網(wǎng)相互滲透，主配通信網(wǎng)一體化將是未來電力通信網(wǎng)的重要發(fā)展方向。

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