配電物聯(lián)網(wǎng)本地通信技術(shù)應(yīng)用分析

孟祥亮，張 帥

（國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京 昌平102211）

配電物聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合產(chǎn)生的一種新型電力網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，通過配電網(wǎng)設(shè)備間的全面互聯(lián)、互通、互操作，實現(xiàn)配電網(wǎng)的全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用，滿足配電網(wǎng)精益化管理需求，支撐能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，是新一代電力系統(tǒng)中的配電網(wǎng)[1]。在應(yīng)用形式上，配電物聯(lián)網(wǎng)具有終端即插即用、設(shè)備廣泛互聯(lián)、狀態(tài)全面感知、應(yīng)用模式升級、業(yè)務(wù)快速迭代、資源高效利用等特點[2]。

配電物聯(lián)網(wǎng)包含“云、管、邊、端”4層架構(gòu)，其中“管”層作為配電物聯(lián)網(wǎng)“云、邊、端”的數(shù)據(jù)傳輸通道[3]，承載著配電物聯(lián)網(wǎng)各類業(yè)務(wù)，是配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的重要內(nèi)容?！肮堋睂硬捎谩斑h(yuǎn)程通信網(wǎng)+本地通信網(wǎng)”的技術(shù)架構(gòu)，通過通信通道IP化、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)信息模型，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)、設(shè)備自發(fā)現(xiàn)自注冊、資源自描述，支撐邊端設(shè)備的即插即用，滿足配電業(yè)務(wù)處理實時性和帶寬需求[4-6]，其中遠(yuǎn)程通信接入網(wǎng)涵蓋的通信方式主要有光纖通信、無線公網(wǎng)（3G/4G/5G）、無線專網(wǎng)；本地通信接入網(wǎng)的通信方式主要有電力載波通信和微功率無線通信[7]。隨著配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、安全性提出了更高的要求。由于?dāng)前配電網(wǎng)中業(yè)務(wù)復(fù)雜、設(shè)備種類多樣、各類通信組網(wǎng)技術(shù)在技術(shù)特點、承載業(yè)務(wù)及適用場景等方面都存在較大差異，對于采用何種通信組網(wǎng)技術(shù)承載特定業(yè)務(wù)，滿足配電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)靈活、高效、可靠、多樣的通信接入需求是配電物聯(lián)網(wǎng)“管”層建設(shè)面臨的難題。本文針對配電物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展特點，結(jié)合配電物聯(lián)網(wǎng)端邊通信的差異化需求，對現(xiàn)有本地通信技術(shù)的應(yīng)用進行了詳細(xì)分析，研究各類通信組網(wǎng)技術(shù)的原理、特點及應(yīng)用場景，給出了通信技術(shù)的適配原則及應(yīng)用建議。

1 配電物聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)

配電物聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)包含兩部分：遠(yuǎn)程通信接入網(wǎng)、本地通信接入網(wǎng)。遠(yuǎn)程通信接入網(wǎng)指末端業(yè)務(wù)終端（如傳感器、表計、DTU、電動汽車充電樁等）或邊緣匯聚終端（如集中器、邊緣物聯(lián)代理裝置、輸電線路狀態(tài)監(jiān)測代理等）直接與骨干通信網(wǎng)連接的通信接入網(wǎng)絡(luò)，主要采用光纖通信、無線公網(wǎng)通信、無線專網(wǎng)通信等，主要滿足配電云平臺與邊緣計算終端之間高可靠、低時延、差異化的通信需求；本地通信接入網(wǎng)指末端業(yè)務(wù)終端與邊緣匯聚終端連接的通信接入網(wǎng)絡(luò)，主要采用低壓電力線載波、微功率無線通信等，滿足邊緣計算終端與低壓智能設(shè)備之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可靠傳輸通信需求，如圖1所示。

遠(yuǎn)程通信網(wǎng)的通信方式主要包括光纖（EPON技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)）、電力無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)4G/5G、北斗衛(wèi)星通信等通信方式，為配電云平臺與邊緣計算終端的信息交互提供可靠的通信信道，通信方式應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實際應(yīng)用環(huán)境進行適配。

本地通信網(wǎng)的通信方式主要包括高速載波通信（HPLC）、微功率無線（RF（470 MHz）[8]、Wi-SUN RF（920 MHz）[9]、Zigbee[10]、LoRa[11]等）、HPLC+RF雙模通信[12]等通信方式，通信方式應(yīng)根據(jù)邊緣計算終端、出線開關(guān)、無功補償裝置、分支開關(guān)、進線總開關(guān)、分布式電源、充電樁、傳感類設(shè)備等設(shè)備之間的實際應(yīng)用場景進行適配。

圖1 配電物聯(lián)網(wǎng)通信體系架構(gòu)

2 本地通信需求分析

配電物聯(lián)網(wǎng)本地通信主要滿足邊緣計算終端與低壓智能設(shè)備之間的通信需求，臺區(qū)下所屬的感知層終端具有類型多、通信方式與通信協(xié)議多樣化等特點，本地通信技術(shù)的適配應(yīng)結(jié)合設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸特性及臺區(qū)的業(yè)務(wù)需求進行。

2.1 配電業(yè)務(wù)需求

根據(jù)配電業(yè)務(wù)場景具體內(nèi)容將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分為：電氣量類、狀態(tài)量類、環(huán)境類及信息類，如圖2所示。

電氣量類：三相電壓/電流、三相有功/無功功率、頻率、總有功功率、總無功率功率、三相功率因數(shù)、總功率因數(shù)、無功補償投切容量、無日/月凍結(jié)歷史數(shù)據(jù)等（分鐘級傳輸）；開關(guān)位置、無功補償投切狀態(tài)、控制命令（秒級傳輸）、剩余電流動作保護器的分/合狀態(tài)、剩余電流值；三相電壓/電流不平衡度、電壓偏差、頻率偏差、電壓合格率統(tǒng)計、配變負(fù)載率（分鐘級傳輸）。

狀態(tài)量類：油浸式變壓器的油溫和瓦斯保護狀態(tài)、有載調(diào)壓/調(diào)容變壓器的檔位狀態(tài)、干式變壓器的繞組溫度、風(fēng)機狀態(tài)等（變化告警秒級傳輸，非告警狀態(tài)分鐘級傳輸）。

環(huán)境類：溫度、濕度、水位、門禁、煙霧、氣體、凝露、視頻等（告警秒級傳輸、狀態(tài)分鐘級傳輸）。

信息類：故障告警信息、停電事件、異常事件等（秒級傳輸）；設(shè)備注冊信息、低壓拓?fù)湫畔ⅰ⑷嗖黄胶猱惓Ｊ录龋ǚ昼娂墏鬏敚?/p>

圖2 配電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)示意圖

通信時延：要支持故障事件告警、停電事件、三相不平衡異常事件等告警類數(shù)據(jù)的秒級的傳輸時延。

通信帶寬：須要支持實時數(shù)據(jù)（三相電壓/電流、有功/無功功率、功率因數(shù)）的數(shù)據(jù)刷新（1/5/15 min等）。

每臺區(qū)的配電設(shè)備數(shù)量按40只估算，除主動上報外，每個業(yè)務(wù)包含不同次數(shù)的通信交互。

配電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、通信需求分別如表1、表2所示。

2.2 營銷業(yè)務(wù)需求

目前營銷的用電信息采集業(yè)務(wù)主要包括日凍結(jié)數(shù)據(jù)采集、費控下發(fā)、停電信息及時上報、全事件上報、電動汽車有序充電、戶變關(guān)系識別、臺區(qū)精細(xì)化線損、電能質(zhì)量監(jiān)測、多表合一等。業(yè)務(wù)與所對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集項如表3所示。

營銷業(yè)務(wù)通信需求總結(jié)如表4所示。

3 適配原則及技術(shù)要求

3.1 適配原則

配電物聯(lián)網(wǎng)本地通信應(yīng)堅持“集成整合、無縫銜接、業(yè)務(wù)透明、監(jiān)控統(tǒng)一、安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效”的原則，統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)“多手段、多功能、全業(yè)務(wù)、全覆蓋”的低壓側(cè)通信接入網(wǎng)，結(jié)合配電物聯(lián)網(wǎng)本地通信業(yè)務(wù)實際需求因地制宜選擇電力線載波、微功率無線、電力線載波+微功率無線雙模通信技術(shù)。

表1 配電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

由于HPLC 通信方式會受到線路停電的制約，故對于停電類告警事件業(yè)務(wù)，建議采用微功率無線的通信技術(shù)或HPLC+RF雙模通信技術(shù)。

由于主動上送類業(yè)務(wù)（如：異常事件、告警信息等）及控制類業(yè)務(wù)對實時性、可靠性要求高，建議采用HPLC+RF的通信技術(shù)。

對于高頻次實時數(shù)據(jù)的采集，建議采用HPLC的通信技術(shù)。

對于狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測類業(yè)務(wù)的傳感器類設(shè)備的通信建議采用微功率無線的通信技術(shù)（RF、LoRa、Zigbee等）。

對于歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)及文件傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)，傳輸頻次較低、數(shù)據(jù)量較大，建議采用HPLC 通信技術(shù)或HPLC+RF雙模通信技術(shù)。

3.2 技術(shù)要求

HPLC通信應(yīng)滿足Q/GDW 11612.41《低壓電力線寬帶載波通信互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范第4-1 部分：物理層通信協(xié)議》和Q/GDW 11612.42《低壓電力線寬帶載波通信互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范第4-2 部分：鏈路層通信協(xié)議》中的相關(guān)技術(shù)要求。

微功率功率無線通信應(yīng)滿足《DL/T 698.44 電能信息采集與管理系統(tǒng)第4-4 部分：微功率無線通信協(xié)議》中的相關(guān)技術(shù)要求。

HPLC+RF雙模通信應(yīng)同時滿足上述技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

在配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)深入開展的背景下，針對配電物聯(lián)網(wǎng)本地通信建設(shè)面臨的難題，本文深入分析了配電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的通信組網(wǎng)需求，研究了配電物聯(lián)網(wǎng)本地通信多種通信技術(shù)，圍繞技術(shù)特點、應(yīng)用場景等內(nèi)容進行了對比分析，給出了適配原則及應(yīng)用建議，對統(tǒng)一配電物聯(lián)網(wǎng)的通信組網(wǎng)建設(shè)方式，推進配電物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，指導(dǎo)配電物聯(lián)網(wǎng)本地通信網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計，保證配電物聯(lián)網(wǎng)高效、可靠運行具有重要意義。

表2 配電業(yè)務(wù)通信需求列表

表4 營銷業(yè)務(wù)通信需求列表

表3 營銷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表