打造可靠高效運(yùn)行的電網(wǎng)“神經(jīng)系統(tǒng)”
——基于F5G的電力通信網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐

■中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力通信專委會(huì)委員、國網(wǎng)山西省電力公司數(shù)字化工作部主任 馬萬里

近年來，隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不斷深入，電力通信網(wǎng)已成為與電力實(shí)體網(wǎng)同生共存的第二張網(wǎng)。如果將電力實(shí)體網(wǎng)比作電力系統(tǒng)的“血液系統(tǒng)”，電力通信網(wǎng)就是支撐電力系統(tǒng)可靠高效運(yùn)行的“神經(jīng)系統(tǒng)”——其已成為電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營市場化和管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段，是電力系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)設(shè)施。

新型電力系統(tǒng)建設(shè)呼喚電力通信網(wǎng)升級

在“雙碳”背景下，新能源飛速發(fā)展，如何確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、新能源高比例消納、提升運(yùn)營效率、最大程度提升客戶及員工的體驗(yàn)，電力系統(tǒng)面臨巨大挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)突出表現(xiàn)在三個(gè)方面的變化：

從電力供給看，由傳統(tǒng)以煤電、水電為主的大電廠集中式供應(yīng)，逐步加入了風(fēng)電、光電等可再生能源的多樣化供應(yīng)主體。電力接入方式更加開放、靈活。

從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)看，由發(fā)輸變配用單向逐級的鏈型網(wǎng)絡(luò)，向以主干電網(wǎng)為核心，微電網(wǎng)、聚合商、儲(chǔ)能等多種電網(wǎng)主體并存的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的發(fā)電側(cè)、供電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的角色將動(dòng)態(tài)變化。

從運(yùn)行特征看，由源隨荷動(dòng)的實(shí)時(shí)平衡控制模式，向源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化控制模式轉(zhuǎn)變。調(diào)度控制系統(tǒng)需獲取大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)判，才能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)平衡，提升電網(wǎng)運(yùn)行效能。

隨著電力體制改革不斷深化，電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的要求進(jìn)一步提高，應(yīng)用新的通信架構(gòu)、應(yīng)用模式和通信技術(shù)為新型電力系統(tǒng)服務(wù)，顯得尤為迫切。

在電網(wǎng)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型中，傳統(tǒng)意義上的電網(wǎng)末端將轉(zhuǎn)身成為數(shù)據(jù)源端，成為實(shí)際控制電網(wǎng)運(yùn)行的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。因此，通信接入網(wǎng)需深度感知電網(wǎng)態(tài)勢，從業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵臉I(yè)務(wù)系統(tǒng)，將沿著泛在連接、超大帶寬、超高可靠、超低時(shí)延四個(gè)方向持續(xù)演進(jìn)。

對比已經(jīng)建成的以光纖通信為主要方式的“三縱四橫”電力通信骨干網(wǎng)，通信接入網(wǎng)的建設(shè)還任重而道遠(yuǎn)。

兩年來，國網(wǎng)山西省電力公司就如何充分發(fā)揮光纖、5G、衛(wèi)星等多種通信技術(shù)的優(yōu)勢、滿足不同場景下電力終端接入需求作為突破口，展開了重點(diǎn)研究與探索。

試點(diǎn)橫向整合與縱向打通

F5G（The 5th GenerationFixed Network，即第五代固定網(wǎng)絡(luò)）作為新一代固定網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有超大帶寬、全光接入和確定性體驗(yàn)三大特征，精確匹配新型電力系統(tǒng)建設(shè)對電力通信接入網(wǎng)的需求。

國網(wǎng)山西省電力公司與華為公司組成聯(lián)合創(chuàng)新小組，基于F5G技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化、配電自動(dòng)化和用電信息采集三個(gè)重要場景實(shí)踐出一套可行的方案，并且取得了階段性成果。

以往，電力通信網(wǎng)架構(gòu)為倒三角形，電壓等級越低帶寬越小。但是隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的深化，越來越多的智慧物聯(lián)終端接入到電力系統(tǒng)。海量的終端必將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。目前，地市匯聚層網(wǎng)絡(luò)帶寬以155/622M為主，已經(jīng)成為發(fā)展的瓶頸。

聯(lián)合創(chuàng)新小組基于F5G技術(shù)，研發(fā)H—OTN新型通信設(shè)備，在地市匯聚層試點(diǎn)橫向整合和縱向打通。

橫向整合是指，H—OTN集成了SDH、OLT和OTN三種設(shè)備的能力，可同時(shí)作為配網(wǎng)的匯聚節(jié)點(diǎn)、地市SDH網(wǎng)絡(luò)的備份以及主干OTN網(wǎng)絡(luò)的延伸。相比以往采用設(shè)備堆疊的方式，可節(jié)省50%以上的機(jī)柜占用空間；H—OTN最大支持100G帶寬，并且數(shù)據(jù)完全在設(shè)備內(nèi)部處理，安全性和傳輸效率也得到大幅提升。

縱向打通是指，H—OTN作為連接骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)的橋梁，實(shí)現(xiàn)兩張網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接。傳統(tǒng)方式下，視頻流等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在兩張網(wǎng)絡(luò)之間傳輸時(shí)，需要經(jīng)過多次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)性差，也存在安全風(fēng)險(xiǎn)。H—OTN支持OSU硬管道穿通技術(shù)，可直接一跳送達(dá)需求方。

聯(lián)合創(chuàng)新小組在所屬太原供電公司的三個(gè)變電站展開了試點(diǎn)工作。現(xiàn)在，變電站內(nèi)20多個(gè)攝像機(jī)的帶寬由512K提升到10M，已經(jīng)可以滿足高清視頻傳輸需要。

配電自動(dòng)化的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的可觀、可測、可調(diào)、可控。通過部署在配網(wǎng)的智能傳感器、智能開關(guān)等電力終端設(shè)備，聯(lián)合創(chuàng)新小組可以實(shí)時(shí)掌控配電網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并以最快的速度解決，把影響降至最低。

如何實(shí)現(xiàn)這些電力終端設(shè)備安全可靠的信息傳輸，是一大難題。

傳統(tǒng)的通信方式有無線傳輸、電力載波、光纖通信三種方式。無線傳輸?shù)陌踩缘貌坏奖Ｕ希浑娏d波易受干擾，信號穩(wěn)定性較差；光纖通信是安全性、穩(wěn)定性最好的通信方式，但受限于光纖資源。

為了充分利用現(xiàn)有的光纖資源覆蓋盡可能多的配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，國網(wǎng)山西省電力公司創(chuàng)新地提出F5G電力接入網(wǎng)的解決方案。相比傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)，該解決方案具有兩大創(chuàng)新點(diǎn)。

第一是多網(wǎng)合一。OSU硬管道技術(shù)為不同類型的業(yè)務(wù)分配獨(dú)占的時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)之間的物理隔離，使“三遙”、風(fēng)控、營銷等業(yè)務(wù)可以通過一根光纖傳輸。

第二是安全可靠。由于采用了無損工業(yè)光網(wǎng)技術(shù)，僅用兩根光纖就可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)“1+1”保護(hù)。

經(jīng)過近兩年的努力，國網(wǎng)山西省電力公司部署了1400多個(gè)光終端，配網(wǎng)站點(diǎn)的通信成功率達(dá)100%。2022年上半年，戶均停電時(shí)間相比去年同期降低了27.9%。

精準(zhǔn)負(fù)荷控制是實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化的重要手段。前提是可獲取實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的用電信息。

傳統(tǒng)電表數(shù)據(jù)的傳輸主要采用無線公網(wǎng)的方式。但是電表通常安裝在電井和地下室內(nèi)，無線信號受建筑物遮擋，很不穩(wěn)定，采集成功率不高。

聯(lián)合創(chuàng)新小組進(jìn)行了國內(nèi)首次光纖到表的互通嘗試。通過與電信運(yùn)營商共建共享的合作模式，光纖從配電室延伸到電表，實(shí)現(xiàn)了電力計(jì)量數(shù)據(jù)的高效、可靠傳輸。

這項(xiàng)光纖到表的試點(diǎn)工作覆蓋了8個(gè)臺區(qū)的2600塊電表。一年以來，所有的數(shù)據(jù)采集、傳輸成功率達(dá)100%。

打開物理世界與數(shù)字空間實(shí)時(shí)交互的“新通道”

聯(lián)合創(chuàng)新小組將合作的創(chuàng)新和實(shí)踐成果進(jìn)行了總結(jié)提煉，形成《F5G電力全光網(wǎng)架構(gòu)與技術(shù)白皮書》，提供給業(yè)界同行參考。白皮書中，提出了基于F5G技術(shù)的電力通信目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)，詳述了在新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)。

F5G電力全光網(wǎng)架構(gòu)融合的SDH、OTN、OSU多種技術(shù)，可以靈活承載各種業(yè)務(wù)，滿足從2M—100G任意速率的業(yè)務(wù)接入的傳輸需求。未來，隨著通信技術(shù)的不斷成熟，接入網(wǎng)絡(luò)將集通信、感知、計(jì)算能力于一身，通過亞毫秒級時(shí)延、厘米級定位、毫米級成像、光纖精密感知等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“通信感知融合”，打開物理世界與數(shù)字空間實(shí)時(shí)交互的“新通道”。

國網(wǎng)山西省電力公司將秉持開放合作、創(chuàng)新進(jìn)取的精神，與華為及業(yè)界同仁一起，為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建安全可靠、技術(shù)領(lǐng)先、面向未來的下一代電力通信網(wǎng)。■