基于智能电网通信工程中关键性技术的研究

李 磊，李 毅

（国网江苏省电力有限公司 徐州供电分公司，江苏 徐州 221000）

0 引 言

电力通信网是电力行业的骨干，其作为智能电网建设的重要环节，在网络传输和网络运营等方面发挥着重要作用，从而满足电力系统特定领域的通信需求。

1 通信性能指标

1.1 信息沟通有效性的关键指标

在通信系统中，标准的有效性和可靠性被用来表示系统的质量。通常，信号的带宽越低，信道效率越高，同样广播频道越多，可以使用的频道越多，效率就越高。对于一套数字通信系统而言，衡量该系统通信效率的主要指标即信号传输速率，主要包括传码率和传信率[1]。

1.1.1 传码率

传码率（RB）指单位时间内发送的最大码元数，单位为波特。其表示为：

式中，TB为单个码元的传输时间，单位为s。

对于任意进制码元RBM转化为二进制码元RB2的情况下，其关系为：

1.1.2 传信率

传信率（Rb）指单位时间传输的信息量，单位为b/s。传信率Rb与传码率RB之间的关系为：

系统可靠性是衡量系统质量的另一个通信指标。模拟通信系统的可靠性用信噪比表示，其值为信号功率与噪声功率的比值。数字通信系统的可靠性则用误码率来表示，其值为接收到的误码数与信号码数之比，即数字信号在传输过程中出错的概率[2]。

1.2 电力系统通信技术

电力通信网络中常用的传输方式有光纤通信、电力线通信以及无线通信[3]。图1为电力信息的主要通信方法示意图。

图1 电力信息的主要通信方法

1.2.1 电力线载波通信技术

电力线通信（Power Line Communication，PLC）是一种通信方法，使用专为通信而设计的电力线，用于电力系统。电力线通信利用电力线传输信号，将信号发送到到电力线上，从而沿电力线实现信息传输[4]。

电力线载波通信可分为传输线通信、配电线通信以及低压配电线通信3类。其广泛应用的主要原因是连接方式依赖于现有的供电网络，无需改造通信网络即可实现信息传输。电力线通信的主要优点如下：（1）电力线网络基础建设充分，无需另设通信线路，电力通信的应用领域也很广，此法经济、快速、安全且可靠；（2）电力线通信技术发展多年，应用非常广泛，具备全套相应的技术标准和管理程序；（3）电力线数据传输技术的发展也促进了这一领域研发企业的发展，如深圳力合、青岛东软等，设备的发展和升级反过来又使能源技术的使用更加普遍；（4）电力线连接受高压电保护，信息不易被盗[5]。

在实践中发现，电力通信技术有如下缺陷：（1）电力线通信带宽受供电系统的限制，信息传输速率较低；（2）信道中的时变衰减很大，信号随时间发生显著变化，影响信号传输；（3）强噪声干扰。主要干扰发生在电力系统中所有负荷通过电力线传输数据的过程中，各种电气设备（电阻、电感以及电容等）和电气设备的频繁开断、短路，对电力线路造成严重干扰[6]。

1.2.2 无线通信技术

电网的无线通信主要有微波通信和移动通信两种。在智能电网通信中，微波通信主要由数字中继器来进行，通过传输数字微波信号实现各个站点之间的信息传输，在无线电空间中可以传输多个不同信道的信息[7]。数字微波中继模式如图2所示。

图2 数字微波中继模式

移动通信即借助移动通信网络进行的信息通信。对于智能电网的信息传输来说，通过终端设备连接移动通信网，实现电力信息系统的通信。移动通信之所以得到如此广泛的应用，离不开其以下诸多优点[8]。

一是低成本，无线传输可以借助移动通信网络来实现，无需架设专用通信网络，简便可行，价格低廉。二是施工时间短，产生无线连接只需几天或几周时间，因为内置在特殊无线传输模式下的数字传输单元不需要维修，因此只需将天线安装在适当的高度连接即可工作，减少施工时间。三是适应性强，移动通信很少依赖于地理区域。四是良好的可扩展性，扩展无线连接非常方便。所要做的就是在这个地区创建无线基站，然后将新的通信设备连接到无线基站。

除了上述优点外，移动通信还有以下缺点。一是信号不能有遮挡，移动通信的两个通信点之间有遮挡时会影响信号的强度，因此应清除线路之间的建筑和树木等障碍物。二是通信距离有限，根据通信视距和现有民用地面无线通信系统的特点，无线通信距离较短，且受到气象等条件的限制，有效通信距离经常发生波动。

1.2.3 光纤通信技术

光纤通信是指信号通过光纤传输的通信方法。信源侧将电信号调制为光信号，从而发送到光纤中传播。在光纤传导信号的过程中，光信号会产生距离衰减，在超过一定的传输长度后信号强度不足，则导致误码。在此过程中，光纤中继器接收尚未严重衰减的信号并进行增强，以增加信号的传输距离。到信宿端，光信号重新转换成电信号，恢复原来的信号[9]。

1.3 智能电网中光纤通信的类别

1.3.1 SDH光纤主干网

SDH即同步数字光通信系统，具有统一的线路编码、波特率以及接口标准，实现了光纤通信网络的标准化，适用于各类不同光通信设备的互联。此外具有单比特率，实现了多路复用和分支，为通用光纤接口制定了标准。

在数字传输系统中，有两条数字传输链，其中一条称为准同步数字体系（Parasynchronous Digital Hierarchy，PDH），另一条为同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）。由于SDH技术具有接口丰富、标准完善以及稳定性强等优点，因此广泛应用于电力系统信息传输网的建设。

1.3.2 光以太网

光以太网即基于光纤通信的以太网，它在网络层采用以太网协议，在传输层采用TCP/IP协议，数据传输速率可达10 Mb/s以上。

1.3.3 异步串行光纤环网

基于较小的额外成本，异步串行光收发器可以使用时分复用技术在同一光纤对上进行相对独立的逻辑复用，并提供多达4条的可视指令。

1.3.4 无源光纤以太网

无源光纤基于EPON以太网，但没有用于光传输和分配的源。EPON由线路侧设备光桩头、中间无源光分离器无源光分离器以及用户侧设备光网络单元3部分组成。

光纤通信具有诸多优点，主要包括以下5个方面。一是可用带宽非常宽，单波长光路的数据传输速率为10 Gb/s，波分复用和光时分复用大大提高了传输效率，DWDM带宽可达2 640 Gb/s。二是低损耗，广泛使用的石英光纤可以在200 km的信号传输范围内提供无中继通信，如果先将光信号放大，就可以在没有中继的情况下发送640 km。三是良好的隐私，由于光纤传输信号微弱，泄漏少或无泄漏，因此特殊的信道设备使光纤传输非常安全，保密性好。四是纤维铺设的环境要求低，石英基电绝缘光纤可防止通信线路受到各种电磁干扰的影响，因此适用于高压电力线附近的通信环境。此外，石英光纤电缆具有很强的耐腐蚀性，适用于露天环境下的高速通信需求。光纤复合架空线是由光纤和地线混合而成的电力传输系统架空线，目前广泛应用于电力系统通信网络中。五是体积小，重量轻。当芯数相同时，光缆的重量和尺寸远小于同样芯数的电缆。

除上述优点外，光纤通信还存在以下缺点。一是质地脆，机械强度差，容易折断，因此需要特定的机械支撑和保护。二是分路限制严格，光缆不能分路太多，否则容易断。

目前，光纤通信由于高质量的连接，在国内得到了广泛的应用。2020年，全国新建电信网的光纤线路总计4.7亿芯公里。目前，电力通信网主要采用全介质自承式光缆（All Dielectric Self-Supporting Optical Fiber Cable，ADSS）和光纤复合架空接地光缆（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wires，OPGW）两种类型的光缆[10]。

ADSS不含任何金属材料，其元件强度较大，能承受自身的质量，因此可利用电力线支架直接架设光缆，OPGW可作为电力地线或光数据传输电缆。因此，这两种光缆在电力系统中得到了广泛的应用。

近年来，国家能源通信中心表示，未来建设智能电网的目标将是协助通信网络的发展，并加快电网在能源开发方面的扩张。在全国范围内建设下一代骨干电网，采用光纤连接为主的连接方式。在能源信息传输领域，使用光纤通信系统不仅需要良好的传输介质，而且需要先进的信令规则。

2 基于智能电网通信工程中关键性技术的现状

2.1 物联网技术

在智能电网中，可根据用户体验的各种特点创建多功能应用程序，如分布式能源和智能配电等。通过创建这些应用程序及智能监控服务，不同功能的智能传感器和终端广泛分布在智能电网和工程通信网络的各个领域，实现数据的传输和处理。光纤与无线网络的结合使配电网自动化工程受益匪浅，使人们在技术上对物联网产生了极大关注。在智能电网未来的发展过程中，智能传感器将应用于智能输变电、智能发电以及智能配电等各个领域，在收集、传输及合并数据时不仅需要注意数据的弹性，而且还需要注意数据点的随机误差和人员操作问题。

2.2 安全化技术

智能电网通信项目旨在收集整个网络状态的详细信息，并能够在一次设备和二次设备之间交换信息，实现智能处理和决策，解决网络运行过程中出现的能效问题。在这一阶段，电网公司在建立智能电网通信项目时，划分了多个安全区域，建立了相应的防护，如线路编码、水平隔离以及内外网安全等。根据智能电网在运行中的特点，安全要求包括预警控制、通信管理以及数据传输安全。该应用符合控制级、设备安全级、数据加密级与网络接入级的要求。预警系统的管理和监控可以实时监控各通信设备的工作状态，当设备或数据发生故障时可发出警报，并采取交换设备和搜索虚拟子网等措施，确保电网的稳定。

2.3 参数测量技术

对于智能电网的通信，参数测量技术可以快速地将电网状态转化为数据信息，为智能电网的运行提供数据和信息支持。测量技术主要利用物联网传感器技术对数据进行信息采集和处理。

2.4 云计算技术

电网系统结构复杂，其设计、建造以及维护非常困难，同时涉及有大量的信息和数据。因此，智能电网可借助云计算技术精确探索和计算大量数据，从而为电力调度和检修等工作提供信息支持。

2.5 人工智能技术

在运行智能电网的同时，智能输电非常重要。在分析和建设智能调度的同时，最重要的任务是建立一个优秀的调度智能网络决策支持系统，提高决策水平，优化和合理配置能源系统资源。人工智能技术的不断演进，给电网智能调度提供了新的有力工具，可引入智能电网并进一步开发。

3 结 论

一般来说，智能电网通信工程的主要技术有虚拟化技术、安全技术以及物联网技术。所有这些技术都基于不同的视角，允许灵活定义项目通信资源。在智能电网通信工程不断发展的过程中，应该建立并完善一套智能电网通信标准，从而规范和促进各类信息技术在智能电网中的应用，更好地促进智能电网的平稳高效运行。