智能電網(wǎng)下的電力通信網(wǎng)絡(luò)研究

摘要：為滿足智能電網(wǎng)發(fā)展各階段對(duì)電力通信網(wǎng)絡(luò)的需求，高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)和控制的基礎(chǔ)，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(luò)的演進(jìn)方向和電力通信主配網(wǎng)一體化建設(shè)方案，本文成果可以作為電力通信網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)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(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)和控制的基礎(chǔ)。隨著智能電網(wǎng)在中國的建設(shè)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(shè)不但要滿足主網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)需要滿足配網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求。具有通信需求的站點(diǎn)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(duì)現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)體系產(chǎn)生較大沖擊。這就要其在建設(shè)電力系統(tǒng)通信網(wǎng)時(shí)，要將主網(wǎng)和配網(wǎng)統(tǒng)一考慮，形成主配一體化的建設(shè)方案，為智能電網(wǎng)的建設(shè)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(chǔ)上發(fā)展業(yè)務(wù)網(wǎng)和支撐網(wǎng)等。光纖通信和電力系統(tǒng)獨(dú)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(yīng)急通信或輔助通信手段[3]。

近年來，隨著通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電力通信網(wǎng)在通信技術(shù)體制、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模發(fā)生了根本性的變革，光纖、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等寬帶通信技術(shù)發(fā)展迅速，成為主流。微波、載波等通信技術(shù)逐步萎縮。目前，繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置、自動(dòng)化已普遍使用光通信技術(shù)，通道的可靠性極大提高，掙脫了帶寬、時(shí)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(shí)。電流差動(dòng)保護(hù)、新EMS系統(tǒng)等新的電網(wǎng)控制技術(shù)得以廣泛推廣。光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，為通信網(wǎng)絡(luò)完善架構(gòu)、提高業(yè)務(wù)承載能力、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性及安全性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前傳輸網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)和支撐網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)、省、地三級(jí)互聯(lián)，部分地區(qū)已經(jīng)延伸到縣級(jí)單位。通信資源得以共享，有效緩解了同一變電站重復(fù)建設(shè)通信系統(tǒng)的問題，大大節(jié)約了建設(shè)成本。

公網(wǎng)通信主要應(yīng)用在應(yīng)急通信、農(nóng)網(wǎng)信息化、配網(wǎng)自動(dòng)化及營銷自動(dòng)化以及日常辦公。在應(yīng)急通信中通過租用光纖、電路資源作為電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)的備用通道;通過租用電路資源實(shí)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(fù)控、低壓集抄等通信問題;以及實(shí)現(xiàn)辦公互聯(lián)網(wǎng)接入、辦公電話外線、傳真、移動(dòng)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(wù)帶來的巨大挑戰(zhàn)，目前主要有以下幾個(gè)方面[5]：

1)傳輸帶寬需求壓力增加。隨著智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)廣泛使用，全景可視化、遠(yuǎn)端呈現(xiàn)、預(yù)警、數(shù)據(jù)容災(zāi)等業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，信息上行傳輸?shù)男枨笤黾樱歉赏ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的調(diào)度顆粒、傳輸容量大大增加。

2)對(duì)于分組業(yè)務(wù)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(shù)，采用剛性管道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于大量高速分組數(shù)據(jù)信號(hào)(GE以上)效率低，成本高，無法提供差異性服務(wù)。

3)通信網(wǎng)絡(luò)的智能化程度不高。目前網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)計(jì)、端到端業(yè)務(wù)的開通完全靠人工管理，當(dāng)傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到一定程度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)資源合理分配和管理將面臨挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)現(xiàn)在更加關(guān)注業(yè)務(wù)、智能、管理，提升網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)能力。同時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)需要具備業(yè)務(wù)感知和預(yù)警功能，這需要提高通信網(wǎng)絡(luò)的信息化和智能化水平。

4)業(yè)務(wù)多樣性需求增加。電力系統(tǒng)通信業(yè)務(wù)正處于從TDM業(yè)務(wù)為主方向向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的轉(zhuǎn)型期，將面臨TDM業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(wù)，并提供電信級(jí)OAM和保護(hù)的分組傳送技術(shù)。

5)配用電通信網(wǎng)基礎(chǔ)薄弱，迫切需要建設(shè)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(luò)復(fù)雜，技術(shù)多樣化，多采用公網(wǎng)技術(shù)，無法滿足雙向通信、高效接入、實(shí)時(shí)、可靠、寬帶等需求。因此配用電通信技術(shù)水平將是智能電網(wǎng)對(duì)用戶的最直接印象，也是智能電網(wǎng)建設(shè)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(shè)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(jī)制不完善。未來智能電網(wǎng)中多種智能化業(yè)務(wù)都由通信網(wǎng)進(jìn)行接入，多種業(yè)務(wù)的通信性能、可靠性、安全性等級(jí)均不相同，必須具有針對(duì)業(yè)務(wù)的QoS保證機(jī)制，以完善業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)劃分及防止業(yè)務(wù)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(jìn)行優(yōu)化和演進(jìn)。對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步建設(shè)，傳輸帶寬需求將大大增加，配用電通信網(wǎng)基礎(chǔ)薄弱，現(xiàn)有電力通信網(wǎng)體系架構(gòu)將面臨挑戰(zhàn)，目前，盡管電力系統(tǒng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)對(duì)10G\40G和100G業(yè)務(wù)需求不是十分迫切，但網(wǎng)絡(luò)大容量傳輸?shù)男枨蟀l(fā)展趨勢(shì)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(wù))。不是僅僅包括調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。

為實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度及配用電，面向的調(diào)度對(duì)象將是更大范圍的復(fù)雜系統(tǒng)，眾多分布式能源及各類用戶的接入，調(diào)度點(diǎn)和用戶大量增加，網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)系、相關(guān)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(shí)現(xiàn)，需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模、全過程的監(jiān)視、控制、分析，電網(wǎng)計(jì)算將向動(dòng)態(tài)、超實(shí)時(shí)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(jìn)行傳輸與交換，伴隨公司現(xiàn)代化電網(wǎng)建設(shè)、信息建設(shè)，公司系統(tǒng)需逐漸形成指揮暢通、運(yùn)作靈活的信息化工作平臺(tái);在電力市場建設(shè)的過程中，各級(jí)電力調(diào)度交易中心大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)也將大力建設(shè)，對(duì)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(duì)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(luò)生存性及業(yè)務(wù)恢復(fù)能力。

2)對(duì)電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)信息的采集，在局部或全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行電網(wǎng)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性保障。

3)對(duì)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(hù)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(wù)中大量的信息化業(yè)務(wù)對(duì)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(wù)已經(jīng)成為電力通信網(wǎng)帶寬的主要消耗業(yè)務(wù)，并且呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì);大量與公司現(xiàn)代化建設(shè)的新應(yīng)用：視頻應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心、容災(zāi)中心等的建設(shè)，要求具有高帶寬支撐;各級(jí)骨干節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換的顆粒度增大。

3 主配通信網(wǎng)一體化建設(shè)方案

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，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(shè)計(jì)，要求通信技術(shù)、通信介質(zhì)、維護(hù)管理、網(wǎng)絡(luò)安全、接口管理、業(yè)務(wù)配置、網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(shè)想。

3.1演進(jìn)方案一

省級(jí)通信網(wǎng)新建OTN，市級(jí)骨干通信網(wǎng)SDH/MSTP與PTN網(wǎng)絡(luò)并存，配網(wǎng)采用PON技術(shù)和無線技術(shù)。主配通信網(wǎng)一體化演進(jìn)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(jìn)方案一

該方案具體內(nèi)容為：

(1)省級(jí)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇500kV變電站和省調(diào)中心，采用OTN技術(shù)組網(wǎng)，與廣東現(xiàn)有通信網(wǎng)并存，共同分擔(dān)業(yè)務(wù)或相互提供備用通道。省級(jí)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(luò)成網(wǎng)后引入ASON控制平面。

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

(3)在配網(wǎng)通信中，優(yōu)先采用光纖通信技術(shù)，應(yīng)用無源光網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)復(fù)合組網(wǎng)，無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)承載多終端點(diǎn)采集與監(jiān)測信息，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于高可靠性、實(shí)時(shí)性要求的控制類信息。在光纖無法應(yīng)用的場景，應(yīng)用無線、電力線載波手段進(jìn)行延伸或應(yīng)用公網(wǎng)無線通信技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)應(yīng)避免應(yīng)用較高水平的配用電功能。3.2演進(jìn)方案二

省級(jí)、市級(jí)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(shù)和無線技術(shù)光纖化。主配通信網(wǎng)一體化演進(jìn)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(jìn)方案二

該方案具體內(nèi)容為：

(1)省級(jí)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇500kV變電站和省調(diào)中心，采用OTN技術(shù)組網(wǎng)，與廣東現(xiàn)有通信網(wǎng)并存，共同分擔(dān)業(yè)務(wù)或相互提供備用通道。傳統(tǒng)的WDM設(shè)備可以提供大帶寬，但是沒有足夠的維護(hù)調(diào)度能力，如果采用OXC+WDM方式又會(huì)帶來維護(hù)及投資的上升。因此，省級(jí)通信網(wǎng)引入OTN將較好地適應(yīng)寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展。能夠滿足中長期的帶寬需求。

(2)市級(jí)通信網(wǎng)在220kV和調(diào)度中心建設(shè)OTN通信網(wǎng)。市級(jí)OTN光傳送網(wǎng)除了可以實(shí)現(xiàn)GE/10GE/40GE、2.5G/10G/40G POS等大顆粒電信業(yè)務(wù)傳送外，還可以接入其他寬帶業(yè)務(wù)，如STM-1/4/16/64 SDH、ATM、FE、ESCON、FC等等;對(duì)于以太網(wǎng)業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)二層匯聚，提高以太通道的帶寬利用率;可實(shí)現(xiàn)波長/各種子波長業(yè)務(wù)的疏導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)波長/子波長專線業(yè)務(wù)接入;OTN還可組件mesh網(wǎng)絡(luò)，提供高效的保護(hù)恢復(fù)能力;使傳送網(wǎng)絡(luò)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(shù)，應(yīng)用無源光網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)復(fù)合組網(wǎng)，無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)承載多終端點(diǎn)采集與監(jiān)測信息，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于高可靠性、實(shí)時(shí)性要求的控制類信息。在光纖無法應(yīng)用的場景，應(yīng)用無線、電力線載波手段進(jìn)行延伸或應(yīng)用公網(wǎng)無線通信技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)應(yīng)避免應(yīng)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(shì)和缺點(diǎn)，差異在于市級(jí)骨干網(wǎng)的技術(shù)體制不同。

方案一中，省級(jí)骨干網(wǎng)的傳輸帶寬滿足中長期的業(yè)務(wù)需求，市級(jí)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(wù)，提供不同的QoS服務(wù)，理論上能夠滿足智能電網(wǎng)新業(yè)務(wù)的靈活接入要求。但是目前該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，廠家設(shè)備存在較大差異(有基于傳送技術(shù)、有基于以太網(wǎng)技術(shù)、以及雙平面技術(shù)等)，且尚未有大規(guī)模成功運(yùn)行的案例。鑒于電力通信業(yè)務(wù)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(shù)體制，為維護(hù)、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(wù)，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(duì)現(xiàn)場線路的性能指標(biāo)及線路距離有重要的限制。在線路設(shè)計(jì)中需全面考察后確定。OTN實(shí)現(xiàn)了高速傳輸，但對(duì)多業(yè)務(wù)的靈活接入支持能力有限。

PTN技術(shù)完善后，方案一將是滿足智能電網(wǎng)分組業(yè)務(wù)靈活接入的理想方案;或者OTN具備多業(yè)務(wù)靈活接入和靈活調(diào)度功能后，OTN技術(shù)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(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳送能力的迫切需求是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的根本動(dòng)力，電力通信網(wǎng)做為基礎(chǔ)的承載網(wǎng)絡(luò)必須適應(yīng)上層業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展。智能電網(wǎng)的對(duì)現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)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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