智能电网下的电力通信网络研究

摘要：为满足智能电网发展各阶段对电力通信网络的需求，高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网数据获取、保护和控制的基础，因此建立高质量的通信系统是迈向智能电网的第一步。本文结合电力通信网的现状和挑战，提出了电力通信网络的演进方向和电力通信主配网一体化建设方案，本文成果可以作为电力通信网规划建设的参考。

0 引言

智能电网是中国电网乃至世界电网未来的发展方向，而建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网数据获取、保护和控制的基础。随着智能电网在中国的建设发展，电力系统主干通信网和配电通信网之间的联系日趋紧密[1] [2]。电力通信网的建设不但要满足主网的业务需求，同时需要满足配网业务的需求。具有通信需求的站点不仅仅是调度中心、变电站、电厂，还包括新能源发电站、分布式电源、微网、用户端等，将对现有电力通信网络体系产生较大冲击。这就要其在建设电力系统通信网时，要将主网和配网统一考虑，形成主配一体化的建设方案，为智能电网的建设提供通信支撑。

1 电力通信网现状

电力通信网以MSTP光通信为主，在此基础上发展业务网和支撑网等。光纤通信和电力系统独有的电力载波通信、微波通信等作为电网的主要通信手段，并采用卫星通信、公网通信作为应急通信或辅助通信手段[3]。

近年来，随着通信技术的蓬勃发展，电力通信网在通信技术体制、网络规模发生了根本性的变革，光纤、数据网络等宽带通信技术发展迅速，成为主流。微波、载波等通信技术逐步萎缩。目前，继电保护、安全自动装置、自动化已普遍使用光通信技术，通道的可靠性极大提高，挣脱了带宽、时延、可靠性的束缚，跨区域的控制成为可能，跨系统的监视、分析成为现实。电流差动保护、新EMS系统等新的电网控制技术得以广泛推广。光纤网络覆盖范围的不断扩大，为通信网络完善架构、提高业务承载能力、加强网络的可靠性及安全性奠定了坚实的基础。

目前传输网、业务网和支撑网已经实现了网、省、地三级互联，部分地区已经延伸到县级单位。通信资源得以共享，有效缓解了同一变电站重复建设通信系统的问题，大大节约了建设成本。

公网通信主要应用在应急通信、农网信息化、配网自动化及营销自动化以及日常办公。在应急通信中通过租用光纤、电路资源作为电网实时控制业务的备用通道;通过租用电路资源实现农网信息化;通过租用公网GPRS/CDMA无线通信资源解决配变监测、大客户负控、低压集抄等通信问题;以及实现办公互联网接入、办公电话外线、传真、移动电话等[4]。

2 电力通信网面临的挑战

2.1传输网面临的挑战

电力通信网面临智能电网业务带来的巨大挑战，目前主要有以下几个方面[5]：

1)传输带宽需求压力增加。随着智能电网业务广泛使用，全景可视化、远端呈现、预警、数据容灾等业务的广泛应用，信息上行传输的需求增加，骨干通信网络的调度颗粒、传输容量大大增加。

2)对于分组业务的支持力度不够。未来面临大容量的分组传输需求，MSTP基于SDH技术，采用刚性管道进行数据传输，对于大量高速分组数据信号(GE以上)效率低，成本高，无法提供差异性服务。

3)通信网络的智能化程度不高。目前网络资源的统计、端到端业务的开通完全靠人工管理，当传输网络规模达到一定程度时，网络资源合理分配和管理将面临挑战。网络演进现在更加关注业务、智能、管理，提升网络的管理和维护能力。同时通信网络需要具备业务感知和预警功能，这需要提高通信网络的信息化和智能化水平。

4)业务多样性需求增加。电力系统通信业务正处于从TDM业务为主方向向数据业务为主的转型期，将面临TDM业务与数据业务长期共存的局面。未来电力通信需要一种能够有效传输分组业务，并提供电信级OAM和保护的分组传送技术。

5)配用电通信网基础薄弱，迫切需要建设配用电通信网。配用电通信网是电网智能化的重要支撑，承载着多种智能电网功能，是电网与用户的直接通信联系接口。由于以往配用电通信需求较小，网络复杂，技术多样化，多采用公网技术，无法满足双向通信、高效接入、实时、可靠、宽带等需求。因此配用电通信技术水平将是智能电网对用户的最直接印象，也是智能电网建设的重要环节

6)信息安全保证能力不足。未来智能电网中可控设备越来越多，为了避免由于通信层面出现漏洞而使电网受到攻击，通信网的信息安全则十分重要。

7)QoS保证机制不完善。未来智能电网中多种智能化业务都由通信网进行接入，多种业务的通信性能、可靠性、安全性等级均不相同，必须具有针对业务的QoS保证机制，以完善业务的优先级划分及防止业务之间在通信层面相互影响。

为了更好的解决以上问题，需要在现有通信体制进行优化和演进。对于电网企业来说，随着企业Internet、电力信息网、数字化电网、实时监控系统的进一步建设，传输带宽需求将大大增加，配用电通信网基础薄弱，现有电力通信网体系架构将面临挑战，目前，尽管电力系统关键业务对10G\40G和100G业务需求不是十分迫切，但网络大容量传输的需求发展趋势不可阻挡[7][8]。

2.2数据网面临的挑战

数据网分为调度数据网(主要是调度电话)和综合数据网(只要是管理和信息化业务)。不是仅仅包括调度数据网。

为实现智能化调度及配用电，面向的调度对象将是更大范围的复杂系统，众多分布式能源及各类用户的接入，调度点和用户大量增加，网络间的联系、相关性更加紧密，系统安全性可靠性更加重要[9][10];电网智能化功能的实现，需要对电网进行大规模、全过程的监视、控制、分析，电网计算将向动态、超实时的方向发展，大量的电网状态信息将通过电力系统数据网进行传输与交换，伴随公司现代化电网建设、信息建设，公司系统需逐渐形成指挥畅通、运作灵活的信息化工作平台;在电力市场建设的过程中，各级电力调度交易中心大规模数据中心和应用系统的建设也将大力建设，对电力系统数据网的传输容量和可靠性都提出了更高的要求。智能电网中电力二次系统对数据网也提出了新的需求：

1)要求更高的可靠性。电力系统通信专业更高的保障要求，要求电力系统调度数据网具备更高的网络生存性及业务恢复能力。

2)对电网各个节点进行状态信息的采集，在局部或全网内进行电网状态信息的实时交换，要求电力系统数据网具有更高的综合接入能力及实时性保障。

3)对电网全面监控与管理，将有更多的数据汇集到调度中心，大量数据的传输需要更高的带宽保障。

4)变电站之间需要大量的数据交换。传统的变电站与变电站之间基本上没有数据交换，站站之间仅仅传输数据量很小的保护及安控信息。

5)数据网的安全性问题。

未来电力系统新业务中大量的信息化业务对通信网的带宽提供能力提出了更高的要求，信息化业务已经成为电力通信网带宽的主要消耗业务，并且呈现逐年递增的趋势;大量与公司现代化建设的新应用：视频应用、数据中心、容灾中心等的建设，要求具有高带宽支撑;各级骨干节点数据交换的颗粒度增大。

3 主配通信网一体化建设方案

随着智能电网的建设，现有电力通信网将面临的挑战，骨干通信网要求具有更多更丰富有效的接入接口，配网通信要求信息的高速传输，主配通信网相互渗透，主配通信网将作为一盘棋统一规划设计，要求通信技术、通信介质、维护管理、网络安全、接口管理、业务配置、网络互通等均需要整体考虑，从而高效、充分利用通信资源，满足业务可靠、稳定传输要求[11]。因此主配一体化通信将是未来电力通信网的重要发展方向。本文主要提出以下两种设想。

3.1演进方案一

省级通信网新建OTN，市级骨干通信网SDH/MSTP与PTN网络并存，配网采用PON技术和无线技术。主配通信网一体化演进方案一的示意图如下图1所示：

图1 主配通信网一体化演进方案一

该方案具体内容为：

(1)省级通信网网络节点选择500kV变电站和省调中心，采用OTN技术组网，与广东现有通信网并存，共同分担业务或相互提供备用通道。省级通信网能够提供超大带宽，能够满足中长期的带宽需求。待OTN网络成网后引入ASON控制平面。

(2)市级通信网可在升级现有通信设备带宽的同时，在对IP数据需求较大的站点部署PTN网络，解决智能电网下IP数据业务的灵活接入和高效处理能力。PTN与SDH/MSTP网络共同为电力业务提供通道，PTN主要承载IP数据、视频、VoIP以及非实时性的网络业务，SDH/MSTP网络主要承载继电保护、安稳系统、PCM、调度电话、远动和专线等小颗粒业务。同时，PTN和SDH/MSTP相互备份，提高业务的可靠性。

(3)在配网通信中，优先采用光纤通信技术，应用无源光网络和工业以太网技术复合组网，无源光网络技术承载多终端点采集与监测信息，工业以太网技术用于高可靠性、实时性要求的控制类信息。在光纤无法应用的场景，应用无线、电力线载波手段进行延伸或应用公网无线通信技术进行补充，同时应避免应用较高水平的配用电功能。3.2演进方案二

省级、市级骨干通信网新建OTN，最终开通ASON控制平面，配网可以租用公网或者采用PON技术和无线技术光纤化。主配通信网一体化演进方案二的示意图如下图2所示：

图2主配通信网一体化演进方案二

该方案具体内容为：

(1)省级通信网网络节点选择500kV变电站和省调中心，采用OTN技术组网，与广东现有通信网并存，共同分担业务或相互提供备用通道。传统的WDM设备可以提供大带宽，但是没有足够的维护调度能力，如果采用OXC+WDM方式又会带来维护及投资的上升。因此，省级通信网引入OTN将较好地适应宽带业务的发展。能够满足中长期的带宽需求。

(2)市级通信网在220kV和调度中心建设OTN通信网。市级OTN光传送网除了可以实现GE/10GE/40GE、2.5G/10G/40G POS等大颗粒电信业务传送外，还可以接入其他宽带业务，如STM-1/4/16/64 SDH、ATM、FE、ESCON、FC等等;对于以太网业务可以实现二层汇聚，提高以太通道的带宽利用率;可实现波长/各种子波长业务的疏导，实现波长/子波长专线业务接入;OTN还可组件mesh网络，提供高效的保护恢复能力;使传送网络的层次更为清晰。

(3)在配网通信中，优先采用光纤通信技术，应用无源光网络和工业以太网技术复合组网，无源光网络技术承载多终端点采集与监测信息，工业以太网技术用于高可靠性、实时性要求的控制类信息。在光纤无法应用的场景，应用无线、电力线载波手段进行延伸或应用公网无线通信技术进行补充，同时应避免应用较高水平的配用电功能。

3.3方案比较

方案一与方案二各有优势和缺点，差异在于市级骨干网的技术体制不同。

方案一中，省级骨干网的传输带宽满足中长期的业务需求，市级骨干网中PTN具有高效的IP数据处理能力，能够承载各种类型的业务，提供不同的QoS服务，理论上能够满足智能电网新业务的灵活接入要求。但是目前该技术标准尚不完善，厂家设备存在较大差异(有基于传送技术、有基于以太网技术、以及双平面技术等)，且尚未有大规模成功运行的案例。鉴于电力通信业务的安全可靠性要求，建议短期内暂不采用方案一。

方案二中，全网将统一技术体制，为维护、管理带来了便捷性，但是OTN的大颗粒调度始终不适合电力通信业务，另外OTN受光纤衰减、色散、偏振模色散及光信噪比等因素影响，对现场线路的性能指标及线路距离有重要的限制。在线路设计中需全面考察后确定。OTN实现了高速传输，但对多业务的灵活接入支持能力有限。

PTN技术完善后，方案一将是满足智能电网分组业务灵活接入的理想方案;或者OTN具备多业务灵活接入和灵活调度功能后，OTN技术下沉，方案二将是终极解决方案。但是目前看来，方案一具有良好的发展前景。

4 结论

电力系统业务对网络传送能力的迫切需求是网络技术发展、网络建设的根本动力，电力通信网做为基础的承载网络必须适应上层业务的转型和发展。智能电网的对现有电力通信网络体系产生巨大冲击，提出了更高的要求。骨干通信网要求具有更多更丰富有效的接入接口，配网通信要求信息的高速传输，主配通信网相互渗透，主配通信网一体化将是未来电力通信网的重要发展方向。

参考文献：

1.张海懿，下一代光传送网发展新趋势及标准化新进展.通信世界[J].2007，01。

2.黄盛等，数字电网技术与电力通信平台，电力系统通信[J]，2008，6

3.张伯明 《智能电网调度自动化发展方向及关键技术研究报告》 2009.12

4.杜志杰，电网调度自动化发展趋势研究，科技创新导报[J]，2008，No.25

5.苗新，张恺，田世明，等.支撑智能电网的信息通信体系[J].电网技术，2009，33 (17)：8-13.

6.焦晓波，周雅，电力通信系统下一代光网络的分析与探讨[J]，信息系统工程,2009。

7.黄晓庆，唐剑锋，徐荣，PTN-IP化分组传送[M]，北京邮电大学出版社.

8.贾董鹏.工业以太网技术在电力配网通信中的应用，科技信息[J]，2009，33

9.钟元高.配网通信系统方案研究.电力系统通信[J].2008，29，12

10.马虹，现代通信交换技术[M]，机械工业出版社。

11.吴时霖，数据通信与网络(原书第4版)，机械工业出版社。