关键字：配网；自动化；通讯技术；电力通讯
1配网自动化通信方案研究
配电网自身的网络结构和地域特点决定了通信网络结构复杂、分布分散、节点多、工作环境差等等特征，使得通信技术的选择异常复杂，目前配网通信系统在使用的技术方案有光纤通信、中压载波通信、无线公网通信、无线专网通信等等，如图1所示：
.png)
图1配网通信技术示意图
1.1光纤通信技术
电力通信网采用光纤通信已有很长时间，技术上已经非常成熟。光纤通信具有安全性高、可靠性高、实时性强、容量大、速率高等优势。然而由于受到配电网与用电网网架分布广散杂多特征的影响，光纤配网的大规模应用还面临着很多实际困难，光纤通信的建设受以下几方面因素的影响：
1）老城区施工困难：
大城市老城区、密集市区是供电重点保障区域，而且老城区建筑年代久远，结构复杂，导致网络建设有一定困难。另外在这些区域敷设光缆的道路开挖手续难以审批或审批时间太长，导致工期无法保障，常常规划好的工程，需要等上几个月甚至一年以上才可以施工，严重影响网络建设。
2）建设成本高：
城区光缆建设成本过高，导致大部分区域由于投资受限，网络无法实施建设。以广州市为例，每公里光缆建设开挖费约13万元，光缆成本1.5万元，加上其它成本，约每公里15万元。
3）网络结构不稳定：
随着城市的快速发展，城市配电房、开关房新增、变换等情况时有发生，导致配网光缆建设变动频繁，投资成本浪费。
1.2中压电力载波通信
中压电线载波通信是以中压配电线作为信息载体的通信技术。其优点是可以利用现有的配网输电线路进行通信，不需另铺专用通信线路，具有投资成本低、易于建设等优势。但受限于其技术体制的影响，实际应用中它有如下缺点：
1）载波通道衰耗变化剧烈：
与输电线路相比，配网线路通道虽然传输半径不大，但配电网在变电站侧一般不装设阻波器，线路上的衰耗很大，进而影响载波通信的传输质量。
2）配网线路干扰严重：
配网线路载波通道经常受到背景噪声和尖脉冲的干扰，干扰源源包括设备开关切换、用电设备以及电力线耦合的外界电磁波等。因为通信环境条件很差，必须要物理层调制技术及链路技术协调配合，才能保证误码率的要求。
3）网络可扩展性差：
随着城市建设发展，配电房、开关房新增、变换等情况经常发生，载波通信网络不能适应线路拓扑结构的变化。
4）网络可靠性不高：
载波通信通道与配网送电线路共用同一载体，配电线路的开关开合往往会造成通信故障；而且载波通信支持星形、链型组网，但不支持环形组网，无法实现环形保护。
5）建设周期受停电因素影响：
载波设备的安装方式有注入式和卡接式两种，前者受干扰小、信号好，但施工需要停电；后者施工不需要停电，但受干扰大、信号差。为保证通信质量，实际使用多采用注入式安装，因此施工多要涉及停电，比较麻烦。
1.3无线公网通信
无线公网是指由公网通信运营商建设并且对公众开放的通信网络。目前国内无线公网通信采用的技术包括2G系统的GSM体制GPRS/EDGE和基于CDMA体制的CDMA20001x，以及3G系统的WCDMA、TD-SCDMA、CDMA20001xEVDO。目前各大城市均有WCDMA和TD-SCDMA覆盖网络，公网运营商采用双模终端，实现2G网络补充3G网络覆盖的方式运营。
无线公网对用户的数量没有限制，用户无需建网和维护，具有建设周期短、业务开展快、初期网络成本低等特点。但是电力系统业务与公众用户共用同一个网络，同时也没有针对自动化业务高实时、高可靠性的专用保障措施，具有种种局限性，主要体现在：
1）无法传输“控制类”类业务：
根据电力系统相关规定，“控制类”业务必须采用电力通信专网，不可用公网网络承载。因此无线公网无法满足“控制类”业务的通信需求。
2）安全保障体制不完善：
公网的加密技术面向所有业务，而且其验证规漏洞很多，攻击者可以伪装成一个基站，监听过往用户传送的数据；同时公网的基站建设在民用建筑上，传输、供电、防盗、防雷等抗毁性措施相对较差，导致设备故障率高，影响业务通信。
3）网络通道不可控：
公网的网络容量是有限的，一旦发生紧急情况，运营商角度将在两种业务的取舍中无所适从。如果优先保障电网业务，则公众业务将受影响；如果有限保障公众业务，则正常的电力系统通信会受到影响，甚至发生停电事故。由于无线公网服务于民众，网络通道受政府机构、军队等单位的影响较大，区域GPRS网络临时被关闭时有发生，导致片区低压集抄业务全部中断。此外，每年在部分区域，学校、政府机构、保密部门等企事业单位有意制定的信号屏蔽等也将导致网络中断，连带影响整个基于公网的智能电网业务不可用。
4）终端在线率及通信成功率低：
GPRS是一个采用GSM技术体制实现的低速分组数据业务系统。系统中语音和数据使用相同的网络资源，并且语音相对于其他业务有优先权，因此如果发生语音业务负载过高的情况，数据业务就无法得到保障，甚至在业务传输过程中如果临时业务时隙被GSM语音用户抢占，业务将即时中断。
此外，无线公网的基站建设在民用建筑上，传输、供电、防盗、防雷等抗毁性措施相对较差，导致网络设备故障率高，影响业务通信。
经过系统统计，目前配用电网在用的无线公网（GPRS/CDMA）系统的一次通信成功率低于90%，无线公网GPRS终端在线率（终端在线时长/总统计时长）约为85%，无法满足电网对于业务终端100%在线率要求。
1.4无线专网通信
当前广域覆盖的无线宽带技术中，主要是OFDM技术为基础的McWiLL、WiMAX、TD-LTE和FDD-LTE，基于此类技术的无线专网主要优势如下：
1）带宽容量大：
单基站吞吐量可达15M，终端的速率可达2M。在使用5M信道带宽情况下，可支持15Mbps的数据传输速率，可以满足配网自动化业务宽带化发展各种业务需求。
2）安全性高：
无线宽带技术已在通信系统的认证性、机密性、完整性、可用性和不可否认性几个方面具备很成熟的标准、技术和加密算法，如：利用身份认证技术在接入过程对用户身份和基站身份进行双向认证，确保接入的用户和进行服务的基站都是授权身份等，可提供可靠的系统安全性保障。另外，无线专网设备基本安放在配电所/房，对于网络设备安全性保障明显优于公网设备，可以有效防范欺骗、窃听、拒绝等网络攻击。
3）建设方式简单：
不需要线路进行改造，建设周期短。建设电力无线宽带专网存在的主要问题是：需要申请电网专有的无线频率资源，国家对相关频率资源申请的批复把关严格，存在申请不到足够频谱带宽的可能。
2无线专网通信技术研究
2.1专用通信网的形成与发展
专用通信网是指为满足一些企业单位内部的组织管理需求，利用无线宽带技术建设的通信网络，它往往根据企业的具体业务进行针对性的定制，以解决其生产调度之类的需求。专用通信网的产生原因一般有三点：
1）内部生产和管理对通信有特殊的需求；
2）公用网络的现状不能满足企业需求；
3）租用公用通信网络的费用较高，自建专网具有更好的性价比。
电力通信专网的建设主要属于原因1，即电力保护、调度控制、应急通信等业务对网络的安全性、时延、路由、通道可用性等有严格要求，公网难以满足此要求，只能建设专网并有专门机构管理，才能确保电网安全、可靠运行。
专用通信网的地位和作用
虽然专用通信网不面向公众开放，属于行业专用，但它社会经济发展也具有很大的影响。用通信网不仅可以满足行业的特定需要，还可以起到促进电信市场和技术发展的作用。
2.2无线专网技术与无线公网的不同
无线专网技术与无线公网技术，其不同性主要体现为：
1）网络容量规划目标不同：
无线公网以资源利用最大化为规划目标，基于统计用户的利用概率规划网络容量。其使用的网络容量单位是Erl（爱尔兰），一般按平均每用户0.025Erl（即平均每用户每小时通话1.5分钟）来规划网络容量。这种规划容量的方式仅适用于普通用户的一般时间，在很多情况下都容易出现网络拥塞情况。无线专网以业务实际需求及其发展为规划目标，基于现有用户容量和吞吐量的需求，并考虑一定时期的业务发展来规划网络容量，确保业务的实时在线运行。
2）业务模型不同：
无线公网的发展是根据公众的业务模型而开发的，强调下行流量的增大，而上行流量一般偏小。无线专网上下行通常采用同样的技术体制，可以根据不同行业的模型，自动调整上下行业务比例。
3）关注的内容不同：
无线公网自始至终都是以语音业务为基础，由于语音业务具有实时感知性，因此对于公网运营商来说，客户在语音质量发生弱化的情况下产生的投诉将极大影响公网运营商的社会形象及企业效益，因此语音业务对于传统的公网运营商来说具有绝对优先权。无线专网首先考虑满足专网用户的数据业务，如智能电网中的“三遥”、“保护”等业务，其次才是对语音业务的QoS控制、时延等方面进行考虑，因此专网建设将以数据业务优先级高于语音业务作为策略。
4）专网追求更高的频率利用率：
相对而言公网的频率资源更丰富，因此频率规划方面不是非常强调频谱效率。无线专网往往频率有限，需要更加着重频谱效率，通过提高频谱利用效率能够在有限的频谱资源下，提供更高的数据吞吐量，在降低了企业业务频谱资源申请难度的同时，保证了企业业务的有效开展。
5）网络覆盖关注点不同：
无线公网在大城市建网时，基站密度非常大，但对于公网运营商来说，对于覆盖的关注主要考虑到同心圆规划，对于重点地区、重点人群进行重点覆盖保障，而对于相对次要的地区，如农村、郊区等地方的覆盖的要求则明显弱于中心城区，因此从公网建设的投资收益比来看，公网建设更关注于能够产生较大企业效益的地区覆盖度。
无线专网着眼点与公网则有着比较大的区别。以智能配网的无线专网为例，首先无线专网无法建设大量的基站，也没有那么大的容量，但覆盖的目标是所有配电终端100%覆盖，由于智能电网终端的分布较为零散，尤其对于农村、远郊以及野外等公网覆盖相对较弱的地区，无线专网也必须保证能够有效覆盖，因此覆盖是无线专网建设中最重要的问题之一。
6）无线专网安全性提升：
首先是技术体制的安全性提升。以LTE网络为例，在e Node B运行过程中，可能遇到很多安全威胁，影响eNodeB的正常运作。在ITU-T X.800协议和ITU-T X.805协议中定义了五种基本的安全威胁类型，分别为：1）破坏信息或/以及其他资源；2）讹用或篡改信息；3）盗窃或删除信息或/以及其他资源；4）泄露信息；5）中断业务，而针对以上5种安全威胁，ITU-T X.805识别并定义了8种安全措施，分别为：
? 接入控制：保护设备免于非法使用，仅允许授权用户访问被保护的内容。
?认证：对通信实体的身份进行确认，只允许与合法身份的实体建立通信。
?不可否认：通过证据（如操作记录），防止某些实体对特殊操作的否认。
?数据机密性：防止数据被非法泄漏，通常采用的方法是加密。
? 通信安全：信息仅在被认证的实体间传输，防止通信过程中信息被泄漏或者篡
改。
? 数据完整性：保证数据的正确性，防止非法修改、删除、生成或复制，并且提
供对非授权活动的识别。
? 可用性：保证系统可以正常运行，提供业务，不能因为非法操作导致业务中断。
? 私密性：保护密钥、身份信息以及设备或网络的活动信息。
其次，除以上协议所保证的安全机制外，公网设备基本建设在各类民间位置，如民房、室外安放等，安全性相对较低；而无线专网（以智能电网的无线专网为例）的网络设备基本安放在配电所/房，对于网络设备安全性保障明显优于公网设备，因此无线专网具有更为完善的安全机制，能够抵御各种安全威胁，确保行业应用的正常开展。总之，无线专网可定制性高，在行业中可进行针对性建设，具有良好的应用价值。
2.3电力无线专网建设主要问题
1）频率申请问题
我国公网无线领域多使用高频段信号，高频信号在单位面积呢可以获得很大的系统容量，但是其功率衰减很快快，故需要建设很多基站。低频段具有覆盖广、穿透能力强的特点，需要的基站数量较少。目前在我国的900MHz、1800MHz、2100MHz频段资源已基本分配完毕；2.3GHz、2.6GHz频段预留给LTE的TDD和FDD公众网络；其他频段资源多被政府单位和国家部门所使用。
2）覆盖问题
无线专网的基站建设一般在110kV变电站内，由于城市地形变化、建筑物情况复杂等因素，往往对其覆盖范围内的10kV节点存在一定的覆盖盲区，无法做到100%覆盖，需要利用无线公网、光纤通信等技术进行补充。
3小结
配网自动化业务对通信网络的安全性、可靠性等都有较严格要求，而且配用电业务有向宽带化迅速发展的趋势，不适合采用无线公网承载；而采用光纤通信、中压载波等技术都有无法实现短时间广覆盖的问题。同时电网保护、调度控制类业务，对通信安全性要求特别高，对通信的时延、路由要求非常严格，通信的失效可能影响电网的保护执行，导致电网瘫痪；因此，电力通信必须采用专网通信网络承载。
总体上，光纤通信是通信效果最好的通信方式，但价格昂贵，施工困难，工期无法确定；公网通信是最经济的通信方式，但无法满足配网自动化、配网保护与控制业务的通信需求，且网络不受控。因此，未来配网通信技术应是“光纤通信+无线专网”相结合为主，公网无线为补充的通信模式。因此，为支撑智能电网的发展，具有专网专用的、可定制安全策略的、可自主管理的电力无线专网的建设是非常必要的。
论文作者:楼文武
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年22期
论文发表时间:2020/4/23
标签：公网论文; 业务论文; 通信论文; 专网论文; 网络论文; 电网论文; td-scdma论文; 《当代电力文化》2019年22期论文;