電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

趙 鵬，德嘎澤仁

（國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司昌都供電公司，西藏 昌都 854000）

0 引 言

電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化對(duì)于提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、提升電網(wǎng)管理水平、滿足用戶需求以及促進(jìn)電力行業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義[1]。因此，電力行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)研究和投入，不斷推進(jìn)電網(wǎng)配電自動(dòng)化的進(jìn)程[2]。文章旨在探討電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

1 電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 光纜線路優(yōu)化設(shè)計(jì)

在電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的接入設(shè)計(jì)中，決定采用以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）光通信技術(shù)。為提高通道傳輸?shù)挠行裕枰褂霉饫w向各個(gè)節(jié)點(diǎn)和雙變電站傳輸信息。考慮到配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，建設(shè)光纜線路，并以10 kV 配電線路為依據(jù)來敷設(shè)和處理電纜。計(jì)劃新建186 km的光纜線路[3]。按照電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)光纖的要求，將光纖數(shù)量選為24、48、36 芯，光纖類型選擇G6952B類及單模。包層直徑為（125±2）μm，模場(chǎng)直徑為（9.2±0.4）μm。光纖技術(shù)指標(biāo)要求如表1 所示。

表1 光纖技術(shù)指標(biāo)要求表

考慮到光纜連接的有效性，采用了1 550 nm 和1 310 nm 波長(zhǎng)窗口的B652B 類單模光纖[4]。所有經(jīng)過電力線路的路徑都統(tǒng)一采用了48 芯全介質(zhì)自承式光纜（All Dielectric Self Supporting，ADSS），而沒有電力線路經(jīng)過的路徑則采用48 芯普通管道光纜。該設(shè)計(jì)確保了光纜選擇的統(tǒng)一性和規(guī)范性，有利于提高通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能和穩(wěn)定性。

1.2 電源與輔助設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)

為確保EPON 設(shè)備的正常運(yùn)行，各個(gè)變電站需要科學(xué)配置變電站二次設(shè)備室，并安裝光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）設(shè)施。同時(shí)，根據(jù)就近原則，將光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）安裝在EPON 中，并主要配置各配電終端部位，如環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)等。

在運(yùn)用各個(gè)變電站的過程中，需要考慮設(shè)備增加對(duì)電源的需求，并檢查電源設(shè)備容量是否滿足要求[5]。對(duì)于無線終端裝置和ONU 裝置的工作電源，主要采用的是就近原理：當(dāng)開關(guān)站周圍沒有箱式變電站時(shí)，可以與附近的其他變電站協(xié)商，接入其供電網(wǎng)絡(luò)，以滿足開關(guān)站和周圍用戶的用電需求。在電源使用過程中，開關(guān)站必須從周圍的配電站中引入[6]。無論是配電室還是變電站，都必須進(jìn)行合理引進(jìn)，即必須從本站配變的0.4 kV 側(cè)進(jìn)行引進(jìn)。在限制交流電源的過程中，可以相應(yīng)地利用再生能源。

在系統(tǒng)骨干層網(wǎng)絡(luò)中配備6個(gè)變電站和配網(wǎng)主站。其中，主站部分增加2 個(gè)面柜，分別安裝于交換機(jī)設(shè)備、主管網(wǎng)管，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有通信機(jī)房的安裝和調(diào)用[7]。文章設(shè)計(jì)中，涉及的6個(gè)變電站均配備了兩面柜。其中一面用于安裝OLT設(shè)備，另一面主要用于光配架。同時(shí)，根據(jù)變電站的實(shí)際情況，相應(yīng)增加了二次設(shè)備室控制機(jī)柜的位置，并對(duì)原有機(jī)房進(jìn)行了改造處理[8]。該設(shè)計(jì)考慮了變電站的實(shí)際需求和具體情況，確保了設(shè)備的合理配置和運(yùn)行效率。

2 電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

核心層采用多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（Multi Service Transport Platform，MSTP）光纖傳送網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)的控制。當(dāng)通信子站的MSTP 裝置存在空閑接口時(shí)，可以使用已有的MSTP 光傳送裝置的模板，將匯聚到變電所的配網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)同步數(shù)字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）網(wǎng)傳送至F市供電局的調(diào)度中心。在此基礎(chǔ)上，由調(diào)度中心提供的MSTP 設(shè)備完成業(yè)務(wù)后，通過工業(yè)以太網(wǎng)向配電自動(dòng)化主站傳送數(shù)據(jù)。電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)

針對(duì)電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)中單站容量的規(guī)劃，可根據(jù)扇區(qū)最大吞吐量確定，其公式為

式中：TPS表示扇區(qū)最大吞吐量；Mr表示帶寬限制；Cr表示噪聲干擾水平；n表示采樣因子；BW表示信道帶寬；CP表示循環(huán)頭長(zhǎng)度；NFFT表示子載波數(shù)量。具體來說，根據(jù)配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)的需求，確定每個(gè)站點(diǎn)所需處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。另外，結(jié)合通信設(shè)備的性能參數(shù)，如傳輸速率、端口密度等，計(jì)算出單站的最大容量。

同時(shí)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)單站容量的影響。例如，在采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，單站的容量可能會(huì)受到環(huán)路帶寬的限制；而在采用星型或樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，單站的容量則可能受上游站點(diǎn)或下游站點(diǎn)的限制。

可以通過綜合考慮配網(wǎng)業(yè)務(wù)需求、通信設(shè)備性能參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素來確定電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信組網(wǎng)中單站容量的規(guī)劃。其中，根據(jù)扇區(qū)最大吞吐量來確定單站容量是一種有效的方法。

2.2 核心層通信業(yè)務(wù)保護(hù)

在電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)中，核心層通信業(yè)務(wù)保護(hù)是至關(guān)重要的部分。為確保核心層通信的穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)。這意味著在主通信路徑發(fā)生故障時(shí)，備用路徑可以自動(dòng)切換，以保障通信的連續(xù)性。核心層通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備故障隔離功能，當(dāng)某個(gè)設(shè)備或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能迅速隔離故障，防止影響其他正常運(yùn)行的設(shè)備或節(jié)點(diǎn)。核心層通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，避免因負(fù)載過大導(dǎo)致通信性能下降。通過合理分配網(wǎng)絡(luò)流量，確保各個(gè)設(shè)備或節(jié)點(diǎn)的負(fù)載處于均衡狀態(tài)。傳輸網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式為基于鏈路的MSP1+1 雙節(jié)點(diǎn)互連保護(hù)，其工作原理如圖2 所示。

圖2 核心層通信業(yè)務(wù)保護(hù)原理示意

在圖2 所示的業(yè)務(wù)保護(hù)過程中，負(fù)載在末端進(jìn)行多路分配，負(fù)載在工作通路和保護(hù)通路上同步傳送，解冗余率達(dá)到100%。在發(fā)送方位置，標(biāo)準(zhǔn)通信號(hào)中保留了對(duì)工作和保護(hù)子網(wǎng)的連接，不額外提供無保護(hù)的業(yè)務(wù)通路。在通信的過程中，采用對(duì)稱加密算法對(duì)信息進(jìn)行保護(hù)，常見的對(duì)稱加密算法有高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）、數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（Data Encryption Standard，DES）等。在文章優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，選擇AES 加密核心層通信中的數(shù)據(jù)，以保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。其公式為

式中：E表示加密函數(shù)；K表示密鑰；P表示明文；k表示密鑰長(zhǎng)度；N表示模數(shù)。

在核心層通信中，數(shù)據(jù)傳輸是重要的環(huán)節(jié)。使用AES 加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。在核心層通信中，身份認(rèn)證是必要的環(huán)節(jié)。使用AES 加密算法可以加密用戶的身份信息，以保護(hù)用戶的隱私和安全，防止身份信息被泄露或竊取。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在模擬的供電場(chǎng)景中安裝一組文章設(shè)計(jì)的自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際供電情況，設(shè)定電壓和電流的額定值。將系統(tǒng)頻率資源設(shè)置為1.8 GHz，信道帶寬設(shè)置為10 MHz，可用頻點(diǎn)設(shè)為1，復(fù)用方式設(shè)為時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）。采用部分使用子信道（Partially Used Sub-Carrier，PUSC）的置換方式，10 MHz 信道帶寬，TDD 比例設(shè)為26 ∶21。

3.2 系統(tǒng)遠(yuǎn)距離覆蓋性能分析

在仿真模擬的過程中，將系統(tǒng)通信無線傳播的環(huán)境劃分為農(nóng)村、郊區(qū)、一般城區(qū)以及密集城區(qū)4個(gè)場(chǎng)景。4 個(gè)不同場(chǎng)景區(qū)域的通信傳播覆蓋范圍如表2 所示。

表2 系統(tǒng)通信傳播覆蓋范圍記錄表

從表2 中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，文章提出的系統(tǒng)在農(nóng)村、郊區(qū)、一般城區(qū)以及密集城區(qū)4 個(gè)場(chǎng)景中的應(yīng)用，其通信傳播的覆蓋范圍均超過了預(yù)期的要求范圍，且均能夠達(dá)到大于2.00 km 的水平。由此表明，文章提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)通信遠(yuǎn)距離覆蓋方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

3.3 帶寬與時(shí)延性能分析

在模擬的供電場(chǎng)景中，設(shè)置3 種不同業(yè)務(wù)類型，分別為遙信量、遙測(cè)量以及遙控量，分析系統(tǒng)的帶寬、時(shí)延性能。每項(xiàng)業(yè)務(wù)類型中包含的信息分為重要信息和次要信息2 種。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)類型，分別記錄其通信傳輸時(shí)的帶寬和時(shí)延。記錄實(shí)際數(shù)據(jù)，并與規(guī)定要求進(jìn)行對(duì)比，具體如表3 所示。

表3 系統(tǒng)通信帶寬與時(shí)延記錄表

從表3 中可以看出，文章系統(tǒng)應(yīng)用下的通信網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬和時(shí)延方面都得到了有效地控制。通過優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，成功地將單終端的帶寬和時(shí)延都控制在需求和要求范圍內(nèi)。由此表明，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的通信性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

文章提出了一種全新的電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用性能的驗(yàn)證。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況，選擇適合的通信協(xié)議和技術(shù)路線，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全管理，以提高電網(wǎng)配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能和安全性。