基于电力物联网的终端通信接入技术研究

2023-09-02张兆翔曹秦峰

通信电源技术 2023年14期

张兆翔，曹秦峰

（中国移动通信集团终端有限公司，北京 100053）

0 引言

国家电网针对国家提出的减碳目标，提出建设新型电力系统策略。策略以智能电网为中心枢纽，将电力系统的各个存储环节有机相连，实现能源流的安全有效控制[1-4]。电力系统通信建设需要与时俱进，与策略同步开展。终端通信接入网是物理电网控制与连接的关键性基础设施，必须具备高安全性特点[5-8]。本研究主要探讨当前电力系统终端通信接入网依靠的各种本地通信技术与广域通信技术并进行总结，主要包含光纤专网技术、低压/中压电力线载波技术、RS-485总线技术、无线专网技术、无线公网技术、微功率无线技术和5G 技术等，旨在提升建设电力系统通信网的水平[9,10]。

1 光纤专网技术

光纤通信具有大带宽优势，可以高效汇聚并传输相关业务，因此常负责10 kV 接入网相关控制业务的广域通信操作。此外，光纤具有抗网络攻击和电磁干扰的特点。当需要传输对安全性有要求的电力业务如精准负荷控制时，光纤技术是第一选择。但是，光纤通信铺设难度较大，组网结构灵活性低。目前，光纤通信技术主要以工业以太网和以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）技术2 种形式应用于电网。

2 电力线载波技术

电力线载波通信是基于电力线载波技术进行业务信号的通信，属于有线通信方式，主要用于光纤铺设难度和成本较高、可靠性和安全性没有高要求的地方。

2.1 低压电力线载波技术

低压电力线载波技术选用低压配电线路进行信号传输。传统的低压载波技术，采用窄带载波策略，信号频段被调制到小于500 kHz 的低频，如图1 所示。但是，因为靠近工频频段，所以易受到低频干扰，易出现传输不稳定的问题。随着时代的发展，有研究者提出了宽带电力线载波（High Speed Power Line Carrier，HPLC）技术。它基于正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术将信号调制到2 ～30 MHz 的频段，且多个频点可以同时进行信息传输，具有高传输速率和大带宽特点。但是终端的发射总功率受到限制，再将发射功率分散到多个频点，导致通信距离有限。

图1 窄带电力线载波与宽带电力线载波的使用频段比较

2.2 中压电力线载波技术

基于10 kV 电力线执行传输操作的通信技术称为中压电力线载波技术，具有覆盖率高的特点，不需要重新布置线路，网架走线成熟，但信号传输衰减较大，易受到谐波干扰，可以作为备用通信技术。

3 RS-485 总线技术

RS-485 属于一种串行异步收发协议。基于此协议的RS-485 总线技术为一种异步收发技术，已经具有较为成熟的理论体系，常应用于电网的现场控制系统，但是传输速率有限，无法超过115 200 b/s，具体应用于电网的数据采集过程如采集动环监控数据量。图2 展示了此技术的组网方式。网络采用直线型拓扑结构，把终端匹配电阻分别安装在网络2 个端点处。这一设计目的是提高信号传输的质量、减少信号的反射和保证总线阻抗连续。

图2 RS-485 总线组网方式

4 无线专网技术

在电力系统中，如果自己搭建无线通信网络，那么网络被称为无线专网。它在变电站等地方配置无线基站，在通信核心机房配置相关的无线设备，搭建电网终端与系统主站之间的通信渠道，从而连接电网终端通过核心网等通信节点和主站，架构如图3 所示。无线专网主要基于1.8 GHz、230 MHz 频率进行组网。目前，无线专网建设主要集中在湖南省、江苏省等，传输效率低，无法满足大带宽业务的传输要求如传输长视频。在同一大区内，处理不同业务时应该基于虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）和网络接入技术（Access Point Name，APN）的映射方式进行逻辑隔离。

图3 无线专网组网结构

5 无线公网技术

通过向移动运营租用码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）等无线网络，让无线公网拥有了进行电力业务通信的能力。公网的无线通信模块功能是将电力业务终端接入无线公网，接入相应的安全接入平台与安全接入区，这一过程称为电力业务无线公网通信，组网方式如图4 所示。当前电网全部用电信息的汇集都是基于无线公网接入技术。

图4 无线公网组网方式

6 微功率无线技术

ZigBee、蓝牙技术及LoRa 技术等为微功率无线通信，安装方便且双向通信，常被用于范围较小的电力系统数据采集操作。

6.1 ZigBee 技术

作为一种成熟的多跳组网技术，ZigBee 技术近几年被广泛应用于各行各业。它的优点是功耗低、组网简单等。ZigBee 技术基于专用协议，借助大量小型传感器进行通信。数据在各个采集节点之间边跳跃边传输，具有较高的通信效率。

6.2 蓝牙技术

蓝牙是一种近距离无线技术，常用于补充网络连接，通信传递速率不超过1 Mb/s，一般在10 ～100 m的距离内进行传输，传输的时间延迟不超过10 s。蓝牙是使用最广泛的近距离通信技术，但是网络传输安全性低，应用场景较少。

6.3 LoRa 技术

LoRa 技术是一种采用扩频技术的低功耗窄带远距离通信技术，带宽窄但可覆盖度大，常用于小颗粒采集业务的接入。LoRa 技术当前主要被美国Semtech公司掌握，存在技术自主性方面的风险，设备也容易产生不兼容问题。该技术可以提供高达37.5 kb/s 的传输速率，传递范围在8 ～15 km，常用于长距离通信。

7 5G 技术

5G 技术随着科技的需求孕育而生。频率越高，可以使用的频率资源数目越多，达到的传输速率越高。5G 技术主要为24 GHz 与6 GHz 这2 个频率的使用，分别是高频与中低频。5G 可以实现超过10 Gb/s 的传输速率和时间延迟低于1 ms 的需求，因此可以广泛应用于物联网。

8 接入网分析比较

对上述几种接入网技术进行对比分析，如表1所示。光纤通信技术成熟、安全性高，但是建设和运维成本高、难度大，可以当作一种辅助通信手段或者应用于安全性需求较高但难以覆盖的一些业务领域。4G 无线专网技术成熟，可以承载控制类业务通信。如果控制类业务的通信要求不高，那么可以同时进行非控制类的业务传输，而5G 技术受一些因素的约束，目前仍应用受限。5G 无线公网覆盖广、安全性高，但是需要进行进一步的理论和实验研究，暂时无法承载电力控制业务。4G 及以下无线公网抗干扰能力弱、安全性低，无法实现物理隔离，但是覆盖区域广、成本低，可以进行对非控制类业务的阶段性承载，但是面临着退网风险，可能被5G 所代替。本地通信技术繁杂，标准难以统一，应该加强统一规范化管理，进行标准化研究，在满足安全性的条件下执行控制类业务的传输操作。终端通信接入网应该更多考虑安全性要求，采用数据加密等技术，保证业务数据传输安全。