基于電力物聯(lián)網(wǎng)的終端通信接入技術(shù)研究

張兆翔，曹秦峰

（中國移動通信集團終端有限公司，北京 100053）

0 引 言

國家電網(wǎng)針對國家提出的減碳目標，提出建設(shè)新型電力系統(tǒng)策略。策略以智能電網(wǎng)為中心樞紐，將電力系統(tǒng)的各個存儲環(huán)節(jié)有機相連，實現(xiàn)能源流的安全有效控制[1-4]。電力系統(tǒng)通信建設(shè)需要與時俱進，與策略同步開展。終端通信接入網(wǎng)是物理電網(wǎng)控制與連接的關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施，必須具備高安全性特點[5-8]。本研究主要探討當前電力系統(tǒng)終端通信接入網(wǎng)依靠的各種本地通信技術(shù)與廣域通信技術(shù)并進行總結(jié)，主要包含光纖專網(wǎng)技術(shù)、低壓/中壓電力線載波技術(shù)、RS-485總線技術(shù)、無線專網(wǎng)技術(shù)、無線公網(wǎng)技術(shù)、微功率無線技術(shù)和5G 技術(shù)等，旨在提升建設(shè)電力系統(tǒng)通信網(wǎng)的水平[9,10]。

1 光纖專網(wǎng)技術(shù)

光纖通信具有大帶寬優(yōu)勢，可以高效匯聚并傳輸相關(guān)業(yè)務，因此常負責10 kV 接入網(wǎng)相關(guān)控制業(yè)務的廣域通信操作。此外，光纖具有抗網(wǎng)絡攻擊和電磁干擾的特點。當需要傳輸對安全性有要求的電力業(yè)務如精準負荷控制時，光纖技術(shù)是第一選擇。但是，光纖通信鋪設(shè)難度較大，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活性低。目前，光纖通信技術(shù)主要以工業(yè)以太網(wǎng)和以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）技術(shù)2 種形式應用于電網(wǎng)。

2 電力線載波技術(shù)

電力線載波通信是基于電力線載波技術(shù)進行業(yè)務信號的通信，屬于有線通信方式，主要用于光纖鋪設(shè)難度和成本較高、可靠性和安全性沒有高要求的地方。

2.1 低壓電力線載波技術(shù)

低壓電力線載波技術(shù)選用低壓配電線路進行信號傳輸。傳統(tǒng)的低壓載波技術(shù)，采用窄帶載波策略，信號頻段被調(diào)制到小于500 kHz 的低頻，如圖1 所示。但是，因為靠近工頻頻段，所以易受到低頻干擾，易出現(xiàn)傳輸不穩(wěn)定的問題。隨著時代的發(fā)展，有研究者提出了寬帶電力線載波（High Speed Power Line Carrier，HPLC）技術(shù)。它基于正交頻分復用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)將信號調(diào)制到2 ～30 MHz 的頻段，且多個頻點可以同時進行信息傳輸，具有高傳輸速率和大帶寬特點。但是終端的發(fā)射總功率受到限制，再將發(fā)射功率分散到多個頻點，導致通信距離有限。

圖1 窄帶電力線載波與寬帶電力線載波的使用頻段比較

2.2 中壓電力線載波技術(shù)

基于10 kV 電力線執(zhí)行傳輸操作的通信技術(shù)稱為中壓電力線載波技術(shù)，具有覆蓋率高的特點，不需要重新布置線路，網(wǎng)架走線成熟，但信號傳輸衰減較大，易受到諧波干擾，可以作為備用通信技術(shù)。

3 RS-485 總線技術(shù)

RS-485 屬于一種串行異步收發(fā)協(xié)議。基于此協(xié)議的RS-485 總線技術(shù)為一種異步收發(fā)技術(shù)，已經(jīng)具有較為成熟的理論體系，常應用于電網(wǎng)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)，但是傳輸速率有限，無法超過115 200 b/s，具體應用于電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集過程如采集動環(huán)監(jiān)控數(shù)據(jù)量。圖2 展示了此技術(shù)的組網(wǎng)方式。網(wǎng)絡采用直線型拓撲結(jié)構(gòu)，把終端匹配電阻分別安裝在網(wǎng)絡2 個端點處。這一設(shè)計目的是提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量、減少信號的反射和保證總線阻抗連續(xù)。

圖2 RS-485 總線組網(wǎng)方式

4 無線專網(wǎng)技術(shù)

在電力系統(tǒng)中，如果自己搭建無線通信網(wǎng)絡，那么網(wǎng)絡被稱為無線專網(wǎng)。它在變電站等地方配置無線基站，在通信核心機房配置相關(guān)的無線設(shè)備，搭建電網(wǎng)終端與系統(tǒng)主站之間的通信渠道，從而連接電網(wǎng)終端通過核心網(wǎng)等通信節(jié)點和主站，架構(gòu)如圖3 所示。無線專網(wǎng)主要基于1.8 GHz、230 MHz 頻率進行組網(wǎng)。目前，無線專網(wǎng)建設(shè)主要集中在湖南省、江蘇省等，傳輸效率低，無法滿足大帶寬業(yè)務的傳輸要求如傳輸長視頻。在同一大區(qū)內(nèi)，處理不同業(yè)務時應該基于虛擬專用網(wǎng)絡（Virtual Private Network，VPN）和網(wǎng)絡接入技術(shù)（Access Point Name，APN）的映射方式進行邏輯隔離。

圖3 無線專網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

5 無線公網(wǎng)技術(shù)

通過向移動運營租用碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、通用分組無線服務技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）等無線網(wǎng)絡，讓無線公網(wǎng)擁有了進行電力業(yè)務通信的能力。公網(wǎng)的無線通信模塊功能是將電力業(yè)務終端接入無線公網(wǎng)，接入相應的安全接入平臺與安全接入?yún)^(qū)，這一過程稱為電力業(yè)務無線公網(wǎng)通信，組網(wǎng)方式如圖4 所示。當前電網(wǎng)全部用電信息的匯集都是基于無線公網(wǎng)接入技術(shù)。

圖4 無線公網(wǎng)組網(wǎng)方式

6 微功率無線技術(shù)

ZigBee、藍牙技術(shù)及LoRa 技術(shù)等為微功率無線通信，安裝方便且雙向通信，常被用于范圍較小的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集操作。

6.1 ZigBee 技術(shù)

作為一種成熟的多跳組網(wǎng)技術(shù)，ZigBee 技術(shù)近幾年被廣泛應用于各行各業(yè)。它的優(yōu)點是功耗低、組網(wǎng)簡單等。ZigBee 技術(shù)基于專用協(xié)議，借助大量小型傳感器進行通信。數(shù)據(jù)在各個采集節(jié)點之間邊跳躍邊傳輸，具有較高的通信效率。

6.2 藍牙技術(shù)

藍牙是一種近距離無線技術(shù)，常用于補充網(wǎng)絡連接，通信傳遞速率不超過1 Mb/s，一般在10 ～100 m的距離內(nèi)進行傳輸，傳輸?shù)臅r間延遲不超過10 s。藍牙是使用最廣泛的近距離通信技術(shù)，但是網(wǎng)絡傳輸安全性低，應用場景較少。

6.3 LoRa 技術(shù)

LoRa 技術(shù)是一種采用擴頻技術(shù)的低功耗窄帶遠距離通信技術(shù)，帶寬窄但可覆蓋度大，常用于小顆粒采集業(yè)務的接入。LoRa 技術(shù)當前主要被美國Semtech公司掌握，存在技術(shù)自主性方面的風險，設(shè)備也容易產(chǎn)生不兼容問題。該技術(shù)可以提供高達37.5 kb/s 的傳輸速率，傳遞范圍在8 ～15 km，常用于長距離通信。

7 5G 技術(shù)

5G 技術(shù)隨著科技的需求孕育而生。頻率越高，可以使用的頻率資源數(shù)目越多，達到的傳輸速率越高。5G 技術(shù)主要為24 GHz 與6 GHz 這2 個頻率的使用，分別是高頻與中低頻。5G 可以實現(xiàn)超過10 Gb/s 的傳輸速率和時間延遲低于1 ms 的需求，因此可以廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)。

8 接入網(wǎng)分析比較

對上述幾種接入網(wǎng)技術(shù)進行對比分析，如表1所示。光纖通信技術(shù)成熟、安全性高，但是建設(shè)和運維成本高、難度大，可以當作一種輔助通信手段或者應用于安全性需求較高但難以覆蓋的一些業(yè)務領(lǐng)域。4G 無線專網(wǎng)技術(shù)成熟，可以承載控制類業(yè)務通信。如果控制類業(yè)務的通信要求不高，那么可以同時進行非控制類的業(yè)務傳輸，而5G 技術(shù)受一些因素的約束，目前仍應用受限。5G 無線公網(wǎng)覆蓋廣、安全性高，但是需要進行進一步的理論和實驗研究，暫時無法承載電力控制業(yè)務。4G 及以下無線公網(wǎng)抗干擾能力弱、安全性低，無法實現(xiàn)物理隔離，但是覆蓋區(qū)域廣、成本低，可以進行對非控制類業(yè)務的階段性承載，但是面臨著退網(wǎng)風險，可能被5G 所代替。本地通信技術(shù)繁雜，標準難以統(tǒng)一，應該加強統(tǒng)一規(guī)范化管理，進行標準化研究，在滿足安全性的條件下執(zhí)行控制類業(yè)務的傳輸操作。終端通信接入網(wǎng)應該更多考慮安全性要求，采用數(shù)據(jù)加密等技術(shù)，保證業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸安全。

表1 接入網(wǎng)技術(shù)分析比較

9 結(jié) 論

研究主要對光纖專網(wǎng)技術(shù)等多個通信技術(shù)進行分析討論，并對這些技術(shù)基于各自的指標如帶寬、安全性等和應用場景進行分析，旨在進一步提高電力系統(tǒng)通信網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)水平。