电力通信：智能配用电通信系统需求分析

摘 要：智能配用电主要包括智能配电系统和智能用电服务系统两个方面，其中智能配电包括高级配电自动化，智能用电主要是用电信息采集和用户互动等方面。智能配用电通信系统与传统调度自动化系统所用通信的最大区别在于通信节点多、网络拓扑复杂、承载业务多样、可选择通信方式多。本文主要分析智能配用电通信网技术需求，包括配用电通信业务，业务数据流特点,给出业务带宽需求的计算通用方法，为配用电通信系统的规划建设提供参考。

1 引言

配用电环节是整个智能电网将用户和电网衔接起来的关键环节，通过它将可靠的电能量直接送达至分布于城市和农村的用户，实现和保障对用户的可靠供电、供电质量和双向交互。智能配用电系统包含智能配电系统和智能用电服务系统，配用电环节包括大量的通信节点，包括配电变电站、馈线开关设备、中压开关站、配电室、以及近年来试点建设的各种分布式电源，电动汽车充电站、充电桩、用户智能电表、用户侧智能交互终端等，均需要建设适用的通信通道用于监视和控制[1]。本文分析配用电通信需求，包括配用电通信业务，业务数据流特点，给出业务带宽需求的计算通用方法。

2 业务需求

2.1业务分类

配用电通信网的业务以数据业务为主，其他还包括一些语音业务和少量的视频业务。数据业务涵盖所有配用电终端及变电站;语音业务主要是供电所和供电局之间;目前视频业务开始有一定需求。由于配电自动化、用电信息采集及相关智能配用电的特点，数据业务与公网业务相差比较大，数据业务主要是以周期性数据为主，而公网主要是随机性数据业务，并且数据业务主要是上行数据，而公网业务数据主要是下行数据。配用电通信业务分类如下表1。

表1 配用电通信网业务分类

2.2 业务特点

智能配用网核心业务主要是数据业务， 数据流包括周期性数据流、随机性数据流和突发性数据流[2]。

(1)周期性数据流属于典型的时间驱动型数据，即通信报文按预定时间定时触发，报文大小和分组长度可以事先确定，一般为定长。智能配用电网中，自动化系统对远方终端多具有主从式数据召测功能，比如配电自动化系统周期性状态扫描，用电信息采集定时任务采集等。周期性数据流的数学模型如下式:

式(1)

式中L为报文长度，P为数据流产生周期，T为报文端到端时延要求。

(2)随机性数据流由事件触发，如用电异常告警，配电故障告警等。终端数据在任一段时间内，数据以概率分布特点产生，由于报警主动上报类型不同，报文长度可固定也可随时间变化，数据前后到达无任何相关性，时间t出现报文总数可用参数为λ泊松过程描述：

式(2)

(3)突发数据流表现出自相似的特点，可以用重尾分布和ON/OFF模型描述。单个数据源的ON状态持续时间描述为τ(i)：

式(3)

τ(i)服从简单的重尾分布。ON状态持续时间描述为θ(i)：

式(4)

多个ON或者OFF数据源叠加后，即形成自相似特性的突发性数据流。

(4)另外，智能配用电通信网承载的业务还包括语音业务、因特网业务和视频监控业务等，电力通信系统包括调度数据网和综合业务数据网，前者主要承载生产控制类实时性要求较高的业务，后者承载管理信息类业务。对用智能配用电通信来讲，同样需要这两方面的业务特点来描述相关业务属性。

3 网络模型与性能需求

3.1网络模型

如图1 所示，按照智能配用电业务分布、业务流向特点可以把智能配用电通信网络分成三个部分：用户侧网络、智能配用电接入网和远程网三个部分。从通信视图看，这三个部分是智能配用电通信网络模型的三个主要对象。

用户侧网络包括家庭能源服务通信网络、小区能源服务通信网络、楼宇能源服务通信网络、工厂/工业园区能源服务通信网络等。这些网络主要实现用户侧各种智能设备的通信连接。用户能源服务网关和智能电表是用户侧网络通信数据流的汇聚节点。

电力变电站(35kV或者10kV的变电站)到用户配电变压器之间的通信网由于其特点相对一致，可以归类为接入网。目前电力通信接入网具有光通信、无线通信和电力线载波等多种技术。用户和第三方能源服务商主要通过公网连接，和配用电自动化系统主要通过电力通信网连接。

远程网指从变电站(35kV或者10kV的变电站)到各种配电自动化系统、用电信息采集系统主站的通信连接。

图1 智能配用电网网络模型

3.2系统性能需求

配网通信主要采用光通信、无线通信、电力线载波通信3种技术，为智能配电网监测、控制、用户互动等业务提供安全可靠的通信手段。配电通信网各类业务的覆盖面、通信通道需求各不相同，因此配网通信系统性能需求方面要综合各种技术和业务来综合分析，主要包括可靠性、可扩展性、安全性及其他性能，国外也在这方面开展了大量研究[3,4,5]。

(1)可靠性

根据电力通信的可靠性要求，通信系统网络安全高效的运行，需要网络架构及网络设备可靠性的支持。网络可靠性主要指当设备或网络出现故障时，网络提供不间断的指标，同时考虑通道备用且具有自愈功能，通信设备、通信电源、机房环境等基础设施也应有一定的可靠性保障。

对于无线系统，通过采用智能天线等专利技术，最大限度地降低了多径干扰，从而有效降低了系统的发射功率。智能天线的使用使得信号波束仅指向终端方向，其他方向信号非常弱，减少了对人体的辐射。采用多通道的设计，极大的提高了系统的可靠性，在个别通道故障的情况下，系统仍然可以工作。

(2)可扩展

通信网络作为智能电网的基础，其建设应有长期发展规划。因此，建设中应当从技术体制、应用需求、通信光纤传输基础、无线信道资源使用到通信业务接口综合考虑其可扩展性。

可扩展性需求主要是为了适应以后用户的增加，通信业务的增长以及功能的扩展。可扩展到底需要多高并不是凭空设想的，而是根据目前的应用需求，建设规模等，最重要的是考虑到未来的规划设计，如“十二五”规划等。

从技术体制和应用需求来说，目前的配电自动化和用电信息采集业务是分开的，并且电力业务和三网融合的业务也是必须物理隔离的，所以对于通信系统的建设需要建立不同的通信网络。对于可扩展性，主要是考虑业务的增加，比如智能用电的数据业务、语音业务和视频业务，因此可扩展性要求通信系统架构合理，网络拓扑可以方便扩展。

从光纤资源和无线信道资源来考虑，由于业务需求的增长，尤其是视频业务的传输，必然会带来通信带宽的增加，对传输信道的可扩展性，在建设初期就要考虑到。对于光缆可以增加其铺设数量，无线资源具有有限性，需要储备电力系统的专用无线频段。

(3)可管理

配电和用电环节由于过去自动化程度较低，接入网发展相对滞后。配用电通信网具有分布广泛、终端节点众多、承载业务类型丰富多样、多种接入技术混合应用、现场运行环境恶劣的特点。随着配用电通信接入网的大规模建设，配用电通信网络的管理、维护等工作更加复杂和困难，因此建立体系完善、运行可靠的可管理、可维护的配网通信综合网管系统非常有必要[6。

配网通信综合网管系统是一个位于各类终端接入设备网管之上统一、集中的网络管理平台。实现对配用电通信网络的实时监视、资源管理、运行管理等功能，向上能接入到所属省级骨干通信管理系统。配网通信综合网管系统功能在资源管理、实时监视、运行管理等三大应用与骨干通信网管理系统类似，但是在管理对象、拓扑呈现、运行方式管理、实时监视等方面存在较大差异。

(4)安全性

安全性不仅仅局限于其自身网络的安全，更包括其上层承载的电力终端设备、业务系统的安全性以及对电力当前主干网络带来的影响。

从通信设备本身安全考虑。根据《电力二次系统安全防护规定》及《电力二次系统安全防护总体方案》的要求，电力二次系统安全防护工作应坚持安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证的原则。智能配电网中的纵联保护、配网自动化、能源站监测、负荷控制等业务属于电力监控系统的范畴，大多使用专用网络的生产控制大区来承载。通信安全是指电力通信网络的安全，重点关注物理层、链路层、网络层，具体是指在利用网络提供的服务进行信息传递的过程中，通信网络(即承载网和业务网)的可靠性、生存性，网络服务的可用性、可控性。目前，通信系统信息化程度愈发提高，如开展大规模网管系统的部署等。通信系统的安全需要考虑大量的信息安全因素，关注各种通信网监测，运行管理信息在采集、传递、存储和应用等过程中的完整性、机密性、可用性、可控性和不可否认性。

(5)时间同步

时间同步系统对电力信息时间保障、以及通信系统自身正常工作都有重要影响。各节点不仅对时间同步的需求量大，而且对时间精度要求较高，基本达到微秒级别，且设备时间接口类型多样，电力管理业务对时间同步的需求主要在省电力调度中心和各供电局调度中心，时间精度要求基本在毫秒级别，设备时间信号为网络时间协议(NTP)。

(5)经济性

配用电网设备数量十分庞大，智能配电通信网应根据业务发展情况，需要区分保障和覆盖不同类型的通信节点，合理设计优化的混合组网方案和制定合理的运行方式是提高配用点通信网业务承载量从而提高其经济性能的关键。

4 通信系统流量计算方法

用户侧网络业务流量计算步骤包括：(1)建立用户侧网络承载业务系统的功能和性能需求;(2)确定通信终端节点用户侧智能设备的通信数据量;(3)确定汇聚节点智能电表、能源服务接口装置、用户侧能量管理系统的通信汇聚端口流量模型;(4)确定汇聚节点智能电表、能源服务接口装置、用户侧能量管理系统的通信上联端口流量模型。

接入网络业务流量计算步骤：(1)建立用户接入网承载业务系统的功能和性能需求;(2)用户侧网络业务流量计算第4步确定接入网通信终端节点通信数据量;(3)确定配电通信终端节点通信数据量;(4)确定汇聚节点变电站通信节点汇聚端口流量模型;(5)确定汇聚节点变电站通信节点上联端口流量模型。

远程网业务流量建模：(1)建立远程网络承载业务系统的功能和性能需求;(2)接入网络业务流量计算步骤5步确定通信终端节点的通信数据量;(3)确定汇聚节点配电自动化系统通信前置机、用电信息采集系统前置机的通信汇聚数据流模型;(4)建立用远程网络业务流量矩阵。整个流程如下图2所示。

图2 智能配用电通信流量计算流程

5 结束语

本文把智能配用电通信系统的业务分为配电自动化、用电信息采集、管理信息类和智能化业务，分析了配用电通信业务数据流特点，包括周期性数据、随机性数据、突发性数据、语音数据、因特网数据、视频监控数据等的特点和数学模型。提出通信系统模型，结构上分为远程通信，接入网和用户侧通信网络，分析了通信系统的性能，包括可靠性、安全性、可管理等方面。最后依据分析结论提出一种智能配用电通信系统业务带宽的通用计算方法和计算流程。