基于自主加密芯片融合的加密型中壓寬帶載波通信方案研究

王偉亮　李艷華　盧茂超　盧權　何恒欣

[摘? ? 要]本文基于光纖通信及中壓（10 kV）電力線寬帶載波，自主加密芯片研究，思考自主加密芯片與中壓寬帶載波融合，完成了技術路線，方案設計，滿足配電自動化信息傳輸通道加密需求。

[關鍵詞]中壓（10 kV）電力線寬帶載波;自主加密芯片;融合

[中圖分類號]TM73 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Research on Encrypted Medium Voltage Broadband Carrier Communication

Scheme Based on Fusion of Independent Encryption Chip

Wang Wei-liang， Li Yan-hua， Lu Mao-chao， Lu Quan， He Heng-xin

[Abstract]Based on the research of optical fiber communication and medium voltage （10 kV）power line broadband carrier and independent encryption chip， this paper considers the integration of independent encryption chip and medium voltage broadband carrier， and completes the technical route and scheme design to meet the encryption requirements of distribution automation information transmission channel.

[Keywords]medium voltage （10 kV）power line broadband carrier; independent encryption chip; fusion

1 配電自動化通信的目的和意義

根據《南方電網“十三五”智能電網發展規劃》智能電網采集的用電信息除主網外，還包括中壓配網和家庭用電信息，由于部分用電信息所處的節點、位置特殊，目前沒有一種通信手段能夠完全解決所有的電力信息、數據采集問題。中壓配電網智能化、自動化對提高配電網運行安全性、提高供電質量、提高負荷率、降低停電時間和停電用戶數、降低配電網絡線損、降低系統容載比進而提高配電網運行的經濟性、提高設備利用率、提高供電企業經濟效益等極為重要。

“發電-輸電-配電-用電”構成了這整個電能從生產到消費的全過程。其中，配電環節在智能電網的建設過程中起到連接電源和用戶，承上啟下的關鍵作用。我國目前用戶停電95%以上都是配電系統原因導致。配電網線損占到系統總損耗的60%以上。分布式新能源的接入主要影響配電網的運行和控制。而我國的配電網智能化、自動化水平遠低于輸電網。因此智能配電網發展建設將是控制、保證用戶供電質量的關鍵環節。傳統配電網與智能配電網主要差異。

（1）傳統的配電網電能單向方向從變電站輸送到用戶端，而智能電網中各種分布式電源都是接入配電網，因此智能配電網電能在配電網和用戶端雙向流動。

（2）傳統的配電網僅能實現單向的對電壓、電流和功率信息采集。系統根據采集的數據提供輔助分析結果，調度員結合自己經驗進行判斷，進行人工控制。而智能配電網可以根據各種傳感器和通信技術快速判斷系統故障原因，并快速形成控制策略，系統實現智能控制自動恢復到安全狀態，實現電網自愈。

以上2點提出了先進的傳感技術和控制技術之外，還需要先進的通信技術支撐，該通信技術必須具備10 kV及以下配電網全網絡覆蓋能力、全網感知能力、雙向通信能力以及快速響應能力才能夠滿足智能配網自動化的建設需求。

雖然光纖網絡技術能夠提供高速及可靠的數據傳輸，并且已大規模鋪設和應用，但在很多地方仍存在網絡覆蓋不完善、使用光纖成本高或實施和維護困難等問題。寬帶電力線載波利用既有電力配電線路，不需要重新布線，且通信速率高，可以有效的形成對光纖網絡的補充。因此，對于快速發展的配電自動化、饋線自動化（智能分布式）是一個新的應用。

2 配電自動化安全性

電網作為國家能源基礎網絡，安全性尤為重要，無線通信模式容易被外部介入導致電網安全事故，作為載波通信，也需要做好安全措施，因此，在載波通信設備中加入加密芯片，就是防止外部介入電力通信網絡，在南網也是首次這種應用，載波與加密相結合，多節點加密寬帶載波的應用，既能保證載波網絡的獨立性，防止外來載波設備破壞網絡結構與數據安全，形成了整個下行通信網絡“載波+光纖”、“載波+公網”通信鏈路加密，完成了下行通信鏈路的加密閉環，同時端到端采用IP加密，如圖1所示，加密信息傳輸保證通信信道的穩定性和終端數據的安全性，提高了電網公司配電自動化數據的安全等級。

中壓載波以電力線傳輸介質為對象，將加密型中壓載波設備應用到自動化，實現以電力線為介質的覆蓋全用電環境的物聯信息網絡，實現一次故障的快速定位，電感耦合方式如圖2所以。

3 國際電力線寬帶載波標準

BPLC（Broadband Power Line Communication）寬帶電力線載波通信，一般指載波信號工作頻率在2MHz以上的電力線通信技術。該技術起源于電力線上網，就是利用電力線載波通信技術和電力線入戶功能實現多媒體數據化網絡傳輸。國外在相關研究和應用已取得巨大進展。

諸多PLC標準化組織近年來開展了廣泛的交流和合作。歐洲UPA、美國HPA、日本的消費電子電力線通信聯盟CECPA（Consumer Electronics Powerline Communication Alliance）3大體系開始在技術上尋求共存和融合，但無法完成“互通”（Cooperatability）。因此近年來一些國際組織開展了新的標準制定工作，試圖能將寬帶PLC標準統一，目前還沒有一個具有絕對領導力的寬帶PLC國際標準。國際電力線寬帶載波標準如表1所示。

4 加密芯片與中壓寬帶載波融合技術路線

研究思考影響電力線通信的頻率、阻抗、傳輸距離等特性，針對電力線通信特性，研究影響寬帶載波通信的解決辦法和算法，制定一套適合電力線寬帶載波通信的物理標準。

4.1 研發技術路線

目標1：研究并制定中壓寬帶載波的相關技術標準。

（1）編制中壓載波信息采集的通信協議及接口標準，規范載波通信終端設備網管協議。

（2）規范中壓載波在不同應用下的組網規范，提出典型組網建議。

（3）根據不同的應用、環境場景，研制適應電網業務需求的產品。

（4）研究在中壓寬帶載波通信設備中植入安全芯片技術，并形成標準。

目標2：根據標準，開發芯片并研制設備。

（1）研制適用于中壓寬帶載波的通信裝置。

（2）研制基于寬帶載波的集中抄表的通信模塊。

（3）研制植入安全芯片的寬帶載波通信模塊。

目標3：試點應用。

選擇柳州供電公司，采用本項目開發的寬帶載波通信設備/模塊進行配電自動化業務應用試點。

4.2 研究難點

4.2.1 寬帶載波技術難點

（1）低壓配電網信道參數變化大。

（2）中壓配電網信道形態多。

（3）中低壓線路結構復雜，低壓配電網網絡環境變化快，負荷隨機接入、干擾無規律;中壓配電網邏輯子網龐大。

解決措施：研究動、靜態載波路由，適應電網網絡環境的變化，自動調節輸入輸出增益，并增加網絡分組功能保證邏輯子網連接數據互補干涉。

4.2.2 耦合技術難點

（1）電感耦合方式衰耗大。

（2）架空線路容易遭受雷擊。

（3）耦合涉及停電施工。

解決措施：研究電容耦合，減少接入衰耗;在架空耦合裝置上研究防雷設計，避免雷擊造成設備損壞;研究設計耦合設備帶電安裝工具，避免停電施工帶來的工期及影響。

5 結束語

智能電網實現關鍵需要先進的通信技術進行支撐，才能實現各種配電設備與后臺之間的雙向感知能力，光纖網絡技術能夠提供高速及可靠的數據傳輸，但覆蓋受限、成本高、維護困難，使得目前配電通信通道存在大量無法建設區域，寬帶電力線載波通信技術，為配網、集抄、充電樁、家庭用電設備信息采集手段等配用電設施提供通信手段，具有安裝簡單、部署靈活、管理方便、經濟等優勢。全新的寬帶載波通信技術應用，使得供電公司配電自動化通信網絡可以適應不同用電環境，具備TCP/IP協議擴展條件，實現快速部署，與光纖網絡相結合，通信速率是普通窄帶載波的200～300倍。同時，將安全加密芯片集成到寬帶載波設備中，實現數據通信的加密傳輸，對應用層數據進行安全，防止非法入侵和數據篡改，為物聯網的信息安全提供了有力保障。

參考文獻

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