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(quán)　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(shù)路線，方案設(shè)計(jì)，滿足配電自動(dòng)化信息傳輸通道加密需求。

[關(guān)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(hào)]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(dòng)化通信的目的和意義

根據(jù)《南方電網(wǎng)“十三五”智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》智能電網(wǎng)采集的用電信息除主網(wǎng)外，還包括中壓配網(wǎng)和家庭用電信息，由于部分用電信息所處的節(jié)點(diǎn)、位置特殊，目前沒(méi)有一種通信手段能夠完全解決所有的電力信息、數(shù)據(jù)采集問(wèn)題。中壓配電網(wǎng)智能化、自動(dòng)化對(duì)提高配電網(wǎng)運(yùn)行安全性、提高供電質(zhì)量、提高負(fù)荷率、降低停電時(shí)間和停電用戶數(shù)、降低配電網(wǎng)絡(luò)線損、降低系統(tǒng)容載比進(jìn)而提高配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、提高設(shè)備利用率、提高供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等極為重要。

“發(fā)電-輸電-配電-用電”構(gòu)成了這整個(gè)電能從生產(chǎn)到消費(fèi)的全過(guò)程。其中，配電環(huán)節(jié)在智能電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中起到連接電源和用戶，承上啟下的關(guān)鍵作用。我國(guó)目前用戶停電95%以上都是配電系統(tǒng)原因?qū)е?。配電網(wǎng)線損占到系統(tǒng)總損耗的60%以上。分布式新能源的接入主要影響配電網(wǎng)的運(yùn)行和控制。而我國(guó)的配電網(wǎng)智能化、自動(dòng)化水平遠(yuǎn)低于輸電網(wǎng)。因此智能配電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)將是控制、保證用戶供電質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)與智能配電網(wǎng)主要差異。

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

（2）傳統(tǒng)的配電網(wǎng)僅能實(shí)現(xiàn)單向的對(duì)電壓、電流和功率信息采集。系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)提供輔助分析結(jié)果，調(diào)度員結(jié)合自己經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，進(jìn)行人工控制。而智能配電網(wǎng)可以根據(jù)各種傳感器和通信技術(shù)快速判斷系統(tǒng)故障原因，并快速形成控制策略，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制自動(dòng)恢復(fù)到安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自愈。

以上2點(diǎn)提出了先進(jìn)的傳感技術(shù)和控制技術(shù)之外，還需要先進(jìn)的通信技術(shù)支撐，該通信技術(shù)必須具備10 kV及以下配電網(wǎng)全網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力、全網(wǎng)感知能力、雙向通信能力以及快速響應(yīng)能力才能夠滿足智能配網(wǎng)自動(dòng)化的建設(shè)需求。

雖然光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提供高速及可靠的數(shù)據(jù)傳輸，并且已大規(guī)模鋪設(shè)和應(yīng)用，但在很多地方仍存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善、使用光纖成本高或?qū)嵤┖途S護(hù)困難等問(wèn)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(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。因此，對(duì)于快速發(fā)展的配電自動(dòng)化、饋線自動(dòng)化（智能分布式）是一個(gè)新的應(yīng)用。

2 配電自動(dòng)化安全性

電網(wǎng)作為國(guó)家能源基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，安全性尤為重要，無(wú)線通信模式容易被外部介入導(dǎo)致電網(wǎng)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(shè)備中加入加密芯片，就是防止外部介入電力通信網(wǎng)絡(luò)，在南網(wǎng)也是首次這種應(yīng)用，載波與加密相結(jié)合，多節(jié)點(diǎn)加密寬帶載波的應(yīng)用，既能保證載波網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性，防止外來(lái)載波設(shè)備破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)安全，形成了整個(gè)下行通信網(wǎng)絡(luò)“載波+光纖”、“載波+公網(wǎng)”通信鏈路加密，完成了下行通信鏈路的加密閉環(huán)，同時(shí)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(wěn)定性和終端數(shù)據(jù)的安全性，提高了電網(wǎng)公司配電自動(dòng)化數(shù)據(jù)的安全等級(jí)。

中壓載波以電力線傳輸介質(zhì)為對(duì)象，將加密型中壓載波設(shè)備應(yīng)用到自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)以電力線為介質(zhì)的覆蓋全用電環(huán)境的物聯(lián)信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一次故障的快速定位，電感耦合方式如圖2所以。

3 國(guó)際電力線寬帶載波標(biāo)準(zhǔn)

BPLC（Broadband Power Line Communication）寬帶電力線載波通信，一般指載波信號(hào)工作頻率在2MHz以上的電力線通信技術(shù)。該技術(shù)起源于電力線上網(wǎng)，就是利用電力線載波通信技術(shù)和電力線入戶功能實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)化網(wǎng)絡(luò)傳輸。國(guó)外在相關(guān)研究和應(yīng)用已取得巨大進(jìn)展。

諸多PLC標(biāo)準(zhǔn)化組織近年來(lái)開(kāi)展了廣泛的交流和合作。歐洲UPA、美國(guó)HPA、日本的消費(fèi)電子電力線通信聯(lián)盟CECPA（Consumer Electronics Powerline Communication Alliance）3大體系開(kāi)始在技術(shù)上尋求共存和融合，但無(wú)法完成“互通”（Cooperatability）。因此近年來(lái)一些國(guó)際組織開(kāi)展了新的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，試圖能將寬帶PLC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，目前還沒(méi)有一個(gè)具有絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)力的寬帶PLC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電力線寬帶載波標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

4 加密芯片與中壓寬帶載波融合技術(shù)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)。

4.1 研發(fā)技術(shù)路線

目標(biāo)1：研究并制定中壓寬帶載波的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）編制中壓載波信息采集的通信協(xié)議及接口標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范載波通信終端設(shè)備網(wǎng)管協(xié)議。

（2）規(guī)范中壓載波在不同應(yīng)用下的組網(wǎng)規(guī)范，提出典型組網(wǎng)建議。

（3）根據(jù)不同的應(yīng)用、環(huán)境場(chǎng)景，研制適應(yīng)電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的產(chǎn)品。

（4）研究在中壓寬帶載波通信設(shè)備中植入安全芯片技術(shù)，并形成標(biāo)準(zhǔn)。

目標(biāo)2：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)芯片并研制設(shè)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(biāo)3：試點(diǎn)應(yīng)用。

選擇柳州供電公司，采用本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的寬帶載波通信設(shè)備/模塊進(jìn)行配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)應(yīng)用試點(diǎn)。

4.2 研究難點(diǎn)

4.2.1 寬帶載波技術(shù)難點(diǎn)

（1）低壓配電網(wǎng)信道參數(shù)變化大。

（2）中壓配電網(wǎng)信道形態(tài)多。

（3）中低壓線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，低壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化快，負(fù)荷隨機(jī)接入、干擾無(wú)規(guī)律;中壓配電網(wǎng)邏輯子網(wǎng)龐大。

解決措施：研究動(dòng)、靜態(tài)載波路由，適應(yīng)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入輸出增益，并增加網(wǎng)絡(luò)分組功能保證邏輯子網(wǎng)連接數(shù)據(jù)互補(bǔ)干涉。

4.2.2 耦合技術(shù)難點(diǎn)

（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(shè)計(jì)，避免雷擊造成設(shè)備損壞;研究設(shè)計(jì)耦合設(shè)備帶電安裝工具，避免停電施工帶來(lái)的工期及影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵需要先進(jìn)的通信技術(shù)進(jìn)行支撐，才能實(shí)現(xiàn)各種配電設(shè)備與后臺(tái)之間的雙向感知能力，光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提供高速及可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但覆蓋受限、成本高、維護(hù)困難，使得目前配電通信通道存在大量無(wú)法建設(shè)區(qū)域，寬帶電力線載波通信技術(shù)，為配網(wǎng)、集抄、充電樁、家庭用電設(shè)備信息采集手段等配用電設(shè)施提供通信手段，具有安裝簡(jiǎn)單、部署靈活、管理方便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。全新的寬帶載波通信技術(shù)應(yīng)用，使得供電公司配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)不同用電環(huán)境，具備TCP/IP協(xié)議擴(kuò)展條件，實(shí)現(xiàn)快速部署，與光纖網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通信速率是普通窄帶載波的200～300倍。同時(shí)，將安全加密芯片集成到寬帶載波設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的加密傳輸，對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)進(jìn)行安全，防止非法入侵和數(shù)據(jù)篡改，為物聯(lián)網(wǎng)的信息安全提供了有力保障。

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