国网浙江：2024面向新型电力系统的配电通信网建设与思考研究报告

电网面向新型电力系统的配电通信网建设与思考电网国网浙江信通公司2024年6月一章节预览—背景现状技术思考新型能源体新型能源体系2024年是深入实施“四个革命、一个合作”能源安全战略十周年四方面凸出特征2023年，全国风电光伏装机超过10.5亿千瓦(总装机29.5亿千瓦)加快能源生产消费加快能源生产消费绿色低碳转型提升供应链弹性韧提升供应链弹性韧性和安全水平现代化交易规模和比例展动能和活力新的产业体系新的系统形态新的治理体系新的能源结构弹性韧性的新的产业体系新的系统形态新的治理体系新的能源结构弹性韧性的供应链高水平科技新型电力系统“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。是以承载实现碳达峰碳中和，具有清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动基本特征的电力系统。通过源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动和源荷互动等多种交互形式，从而更经济、高效和安全地提高电力系统功率动态平衡能力，是构建新型电力系统的重要发展路径。新型电力系统的主战场之一，就是配电网配电网作为电网的重要组成部分，主要作用是为各个配电站和各类用户提供电源，与广大群众的生产生活息息相关。需求应运而生新型电力系统实现数字技术与能源技术深度融合传统电力系统传统电力系统信息流储能火电等电网源随荷动负荷常规负荷负荷常规负荷智能负荷用户侧储能荷随源动电源发电侧储能源随源动荷随荷随源随网动交直流混合配电网电网侧储能网随网动源网荷储架构图数字化信息流伴随能源流，实现源源互补、源网协调、网荷互动、网储需要高可靠通信网支撑。云管边端业务架构，集约化管理是趋势电力云输变配监控管理电力传输通信网电力接入通信网双碳新能源调度多能互补、智慧调控…数字化集控站变电站智慧视频、远智能配网配电深度感知、精准地域分散分布，管理统一拉通，形成紧密连接大电网，充分扩展资源池，实现主动防御，需要确定性通信网支撑。5G推广应用组网络安全组5G推广应用组网络安全组序号1网络规划建设组2任务2:在具备频率条件地区开展无线专网建设，同时继续向工争取在更多的地方开展无线专网试点建设。浙江参与3网络安全组45G推广应用组任务1:利用5GRedcap(裁剪冗余功能)实现轻量化应用，降低应用成本和终端功耗，实现5G规模化应用。在新型电力负荷管理系统、配电自动化系统等涉控系统进行试点。浙江参与5任务2:采用自建电力核心网和传输通道，仅利用运营商的基站无线通道，实现6试点攻坚组任务1:研究采用自建电力光纤和复用电信运营商入户光缆的共享光纤方式，实7任务2:研究柔性调节用户空调负荷方案和技术，实现空调负荷柔性控制，并开序号8HPLC优化提升组任务1:研究HPLC优化提升及多业务承载能力，同时引入5G编码调制、MIMO9通信技术创新组任务1:全面开展OSU承载保护与安控业务测试验证，明确OSU在电力通信应用任务2:开展SPN技术在电网的适应性研究，进一步开展安全性测试论证，编制任务3:论证性试点SPLC、EUHT、星闪、小型化SPN等新技术在配电通信网的任务4:开展量子加密通信技术承载涉控业务的应用模式研究论证和关键技术攻关，依托新型电力负荷管理系统完成安全性与适用性测试验证。浙江牵头任务5:开展授权频段台区无线通信技术测试验证，与HPLC互为补充，提升台区通信能力。浙江参与。浙江参与任务6:推进EPDT电力无线专网研究，试点为新型负荷管理系统、配电自动化“三遥”、分布式电源调控等涉控业务提供安全的通信通道。浙江参与9业务需求分析业务维度业务维度配电通信网所承载的控制、采集两大类业务通信需求。控制类业务带宽要求较低，对时延、可靠性、安全性要求较高；采集类业务分布泛在，对通信信号覆盖要求较高。远程通信维度远程通信维度营销专业目前均为四区业务，现有通信技术基本满足业务要求；生产专业业务涵盖一区/四区，需考虑通信技术选型。本地通信维度本地通信维度营销专业低压侧终端点多面广，节点与节点之间通信距离一般不超过500米，对本地通信的要求更侧重其经济性与可用性的平衡；生产专业低压侧终端数量较少，节点与节点之间距离较大，对本地通信的要求更倾向于在兼容营销现有本地通信网络基础上，侧重通信新代集控系统新代调度主站输电全景监控系统用电信息采集配电自动化主站物联管理平台管管边电力骨干通信网运营商回传网端充电柱网关FTU终端DTU充电柱网关脉冲信号脉冲信号脉冲信号RS485测监测装置配电网物联端侧端端是指端侧设备。部分为采集类传感器，具备感知能力；另一部分为闸刀智能电表智能电表负荷投切智能电表电能质量在线监测装置微功率无线智能析路器智能电表数据采集器电力二次线脉冲信号电力二次线脉冲信号微功率无线/HPLC电力调度开关动环传感器无人机解决通信覆盖需求问题端侧设备作为边侧设备下行延伸的主要感知、控制载体，由于监测主体分布极不规律，因此形成了错综复杂的现场通信环境和场景环境传感器变电站内监测配电台区向下延伸配电台区向下延伸常见速率为最高10Gbps。几米数百米(空旷区域)配电网物联边侧—是指边侧设备。从架构来看，泛指网关FTU终端DTU终端TTU终网关FTU终端DTU终端TTU终端RTU/AGC/AVC分布式光伏监测五电站房视频监测融合终端集中器充电住共中器负控终端具备控制能力的边侧设备介绍□DTU一般安装在常规的开闭所、配电站内，除了常规的对开关设备的数据的采集与计算外，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电，部分DTU还具备保护和备用电源自动投入的功能。□FTU是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等，可以配合配电子站、主站实现配电线路的正常监控和故障识别、隔离和非故障区段恢复供电。口能源控制器是营销专业的负荷控制终端，一般安装在大型商场、写字楼等地段，用来完成非生产负荷调控。其具备空调温度调节能力，可以帮助楼宇完成节能减排。配电网物联边侧是指边侧设备。从架构来看，泛指网关FTU终端DTU终端TTU终端RTU网关FTU终端DTU终端TTU终端RTU/AGC/AVC能源控制器测边缘计算上述边侧设备除了完成云端主站与端侧设备之间的汇聚上送、信令下发功能外，另一个重要能力就是边缘计算能力。相对于云端计算、存储资源的充足，配电网边缘计算节点的硬件方案上一般采用各方面资源有限的嵌入式架构。而为了满足配电网在边缘计算节点业务部署的应用灵活迭代和资源高效利用，在技术架构方面采用与手机开发类似的设计理念，即“硬件平台化，软件APP化”,通过软硬件解耦的思想，将硬件封装为一个平台，软件上的多样化配电网物联管侧侧节点与云主站的通信，包括了骨干通信网和远程通信(光纤专网/无线专网/无线公网)电力骨干通信网运营商回传网光纤专网(EPON/工业以太网)无线专网(1.8GHz/230MHz)无线公网(2G/3G/4G/5G)调度中心调度中心变电站变电站直调电厂浙江已围绕变电站、地市县供电公司构建一张由光纤为核心载体的传输网，即电力骨干通信网。浙江已围绕变电站、地市县供电公司构建一张由光纤为核心载体的传输网，即电力骨干通信网。变电站省调省调地网地调直调电厂220V变电站变电站调度中心而随着变电站电压等级的下降，一直到配电网的负荷侧，会随着通信条件，使用调度中心而随着变电站电压等级的下降，一直到配电网的负荷侧，会随着通信条件，使用ONU-OLT的分光传输结构，辐射到各个配电站房、环网柜等配电节点。四级骨干网变电站管是指通信管道。主要负责边侧节点与云主站的通信，包括了骨干通管是指通信管道。主要负责边侧节点与云主站的通信，包括了骨干通信网和远程通信(光纤专网/无线专网电力骨干通信网运营商回传网无线公网(2G/3G/4G/5G)/无线公网)终端层终端层浙江移动无线接入同传输网和核心网浙江电力定制网无线通信管道主要分为两部分，第一是电力自建无线专第二是运营商提供的无线公网。浙江目前在用集中器超配电网物联云主站新一代集控系统新一代调度主站新一代集控系统新一代调度主站输电全景监控系统用电信息采集配电自动化主站物联管理平台物联管理平台。业务系统用于业务数据的处理、展示等；物联平台用于物联终端状态管理。解决部分智能终端管理需求问题物联管理平台对总部来说，总部、省侧两级物联管理平台之间通过远程调用、消息总线和文件复制等方式实现物联管理数据传输和协同计算；对省侧来说，物联管理平台纳管全省智能物联设备，具备终端性能远程监控、终端固件升级、终端APP应用下载、业务数据同步等功能。全网物联调控全网物联调控全网物联模型管理全网物联模型管理全网物联应用管理全网物联应用管理运行监视管理运行监视管理设备运维管理设备运维管理连接管理连接管理主要实现物联管理平台与边侧设备的连接通道适配与建立、安全认证及端口容量扩展等主要功能。目前，物联管理平台支持IPv4、IPv6通信连接，实现边侧设备、端设备间拓扑的自动发现与管理，并支持通过备到物联管理平台的连接管理。对于存量非智能终端，也可以通过定制化接口方式接入物联管理平台。38674.6公里，丰无线虚拟专网终端承载数量配电通信光纤专网光缆建设里程无线虚拟专网终端承载数量台台1368万无线虚拟专网终端承载数量远程有线通信技术简介xPON(PassiveOpticalNetwork,无源光网络)系统包括EPON、GPON等，是由光线路终端(OLT)、光分配网(ODN)、光网络单元(ONU)组成的面向工业控制应用的光纤宽带传输系统。xPON系统光信号在封闭介质内传输，安全性较高。各个ONU与OLT设备之间通过无源分光器采用并联方式组网，一个或多个ONU故障或掉电不会影响xPON系统最大传输距离可达20千米。内容内容标准传输速率固定上下行Gbps可选择技术特点成本较低变电站交换机分支箱分光器机配电室开关站 分光变电站机变电站交换机分光器分光器环网柜分光器分支箱交换远程有线通信技术简介xPONxPON的技术特点远程无线通信技术简介4/5G电力虚拟专网4/5G电力虚拟专网目前浙江主要在用的远程无线通信技术为运营商提供的4/5G电力虚拟专网。相较于光纤通信，无线通信具有安装方便、成本低、抗自然灾害能力强等优点，是对光纤通信的很好补充。尤其对于城市郊区、农网中一些偏远的站点来说，敷设光纤成本比较高，无线通信是一种很好的替代解决方案。在原有4G电力虚拟专网基础上，运营商5G硬切片技术也为部分涉控业务终端接入主站提供了新思路。5G网络硬切片技术是将一个物理网络切割成多个虚拟的具有近似物理隔离强度的端到端网络的技术。目前5G硬切片网络通过电力终端到运营商基站空口的RB资源静态预留技术、运营商传输网的FlexE技术、电力侧的UPF下沉技术，来保证数据间的隔离。无线安全接入区无线安全接入区地级业务系统地级业务系统三负控终端基站三负控终端基站运营运营商传输网络无线安全接入区N0地级业务系统生产控制大区s生产控制大区无线安全接入区基站用采终端无线安全接入区基站省缓业务系统管理信息大区A基站合终端运营商4G核心网基站合终端远程无线通信技术简介无线专网无线专网电力无线专网电力公司主导建设、专用于电力业务，采用广域无线接入技术的通信网络系统。国网系统内主要的电力无线专网分为230MHz离散多无线通信系统和LTE-G1800MHz电力无线通信系统，前者是基于223.025MHz~235.00MHz频段电力授权的离散25kHz频点，采用离散载波聚合及动态频谱专网。后者是基于1785MHz~1805MHz频段，采用LTE技术，为电力业务终端和业务系统提供宽带通信传输服务的通信系统，例如江苏的1.8GHz无线专网，实生产控制大区管理信息大区生产控制大区管理信息大区AM系统防火墙*2网管设备接口服务器交换机*2体化设首*2传输网第型光电业务终端业务终端优点缺点物理隔离性强建设及后期运维成本高抗干扰能力强政策不支持继续建设网络时延：50～100msLTE技术无法持续演进单基站城区可覆盖3～5km,产业链发展处于停滞状态电力自主可控能力强使用离散频点，通信质量不高本地有线通信技术简介RS485是用于串口通信的接口标准，属于物理层的协议标准RS485采用两条差分电压信号线进行信号传输，由主机、从机和连接电缆组成，发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原为TTL电平信号。RS485可采用点对点RS485使用场景最多的是电力二型集中器与电表的连接。目前据统计，浙江有273万二型集中器通过RS485的方式挂接了1996万块智能电表，平均每台集中器对应7块电表。其次，在新型电力系统建设过程中，RS485也作为光伏逆变器、充电桩等设备就近有线接入采集器的方式之一。优点缺点成本低抗干扰能力强仅支持半双工通信模式抗噪声干扰性长距离传输，最远1.2km仅支持串行布线最高传输速率10Mbps主机轮询，实时性一般主机主机从机点对点组网示意图线型组网示意图线型组网示意图AAB总线式组网示意图本地有线通信技术简介输速率高等特点，数据链路层可提供10kbps至1Mops的用户数据传输速率。同时可配置4个通信频段，以适应多种低压电网通信环境。HPLC通信网络中，中央协优点缺点成本低抗噪声干扰性不佳物理隔离性强传输速率有限端对端时延<500ms最大组网节点数达1000个HPLC组网示意图配代n候用户电配代n候用户电优点缺点非授权频段，安全性低微功率无线功耗低复杂环境下无线传输距离有限自主知识产权优点缺点基于IEEE802.15.4需要外部供电通信速率最高可达1.2Mbps实践中发现取电困难最大支持24跳的中继单跳最大为200米支持FSK和OFDM穿墙能力有限具备MESH能力Wi-SUNmesh网络组网示意图本地有线通信技术简介技术分析：LoRa是由美国Semtech公司推出，是一种基于网络带宽峰值速率为37.5kbps,体验速率10kbps。终端到网关时延小于300ms,端到端时延为秒级。城区最大覆盖范围可达3千米-5千米，郊区可达10千米-15千米。其关键技术汇总如下：2、扩频技术：这是LoRa通信的核心技术之一。它使用一个宽带信号来传输窄带信号，这个宽带信号被3、LoRa调制技术：LoRa采用特有的调制技术(CSS技术),与传统的ASK、FSK、PSK调制方式不同，优点缺点成本较低存在技术自主性风险技术成熟非授权频段，安全性低优点缺点成本较低存在技术自主性风险技术成熟非授权频段，安全性低功耗低通信速率低传输距离传输远5、前向纠错技术(FEC):为了提高传输的可靠性和抗干扰性，LoRa还采用了前向纠错技术。本地无线通信技术简介绿洲物联平台*无线业务中心(含AC)'AS服务器综合网管系统WAPI(WLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure)是由中国自主创新的一种无线局域网安全协议，基于IEEE802.11绿洲物联平台*无线业务中心(含AC)'AS服务器综合网管系统WAPI基于三元对等网络安全架构的实体鉴别技术(TePA-EA),在网络架构上引入在线可信第三方(AS鉴权服务器),可有效弥补Wi-Fi在网络架构和协议设计方面的缺陷和漏洞安全性较高。汇聚交换机工业交换机/汇聚交换机工业交换机/POE)室外oT网关室外普通AP室外高密AP室内高密AP室内普通AP室内IoT网关(支持级联组网)运输机器人高清摄像机枪机温湿度传感器人员定位标签移动办公WAPI和WIFI的区别巡检机器人安全加密鉴权服务器AS维护证书单向认证标准与认证中国自有知识产权标准缺点部署有一定的难度，需要架设AS服务器，成本高于WIFI适用场景有安全要求的封闭固定场所家庭思考2.0SU主配融合创新应用1.硬隔离2.0SU主配融合创新应用建设实践一体化的台区停电告警与定位研究一体化的台区停电告警与定位研究设思路7.高可信自主可控无线局域网研究实践配网主站传输网奥体变视频/物联莲花开关站传送接入一体化全光网络架构业务匹配性验证电力云电力云配网主站配网主站授时中心云端、终端建立总线式管道云端、终端建立总线式管道业务带宽升级无损；原…数字光网原变电站/配网/巡线办公园区试点设备类型覆盖电力通信网的所有层级，端到端硬管道匹配业务云边协同思路，实现场站内业务综合承载减少设备部署A平面 升级E系列设备平台，现网部署设备已经具备OSU能力平台已支持B平面M/E系列设备平台，现网部署设备已经具备OSU能力E交叉板EE仪表标准产业建议标准产业建议多混平台点应用范围2.OSU主配融合创新应用省域全光通信网规划方向展望核心层带宽100G或N*100G,汇聚层省级OTN网络向地市、县域通信站点实现变电站、配网内接入网和传输推进现有网络平滑演进到OSU全光网，带宽100G,接入层带宽10G。延伸，覆盖至终端变电站。网握手，打造确定性网络架构。实现全光直达，降低功耗。500kV及以上地/县调接入·覆盖地市公司(核心层)、县/区公司及第二汇聚点(汇聚场站接入硬隔离PON网络·覆盖配网及变电站(III/IV区),终端变电站站和配网可共享OLT光随电走，电到光到(有电就有光)实现光到电到(控制指令光速下达),为新型电力系统打造超前性能全光网络OSU演进策略：A平面保稳先切多混平台，B平面创新承接新增业务A平面AOSU切换混平台十四五B平面设备平台OTN/SDH+OSU多混平台十五五板卡四大功能集成四大功能集成建立网络结构适应性强、演进持续性强的平台整合多品牌设备统一接入，实现全网业务实时监控一监控全网ONU状态，通过ONU运行状态，在拓扑对配网数据进行汇总分析，展示所有的资产设备数据对配网数据进行汇总分析，展示所有的资产设备数据并监控设备运行情况，轮播显示每个区域的告警设备聚焦关键指标，实现故障快速定位厂家网管中的ONU以接入顺序进行排列，无法显示具做法与成效聚焦关键指标，实现故障快速定位原网管根据ONU名称定位到相应OLT,再进入两台截止目前监测型5386户，空调额定功率312.8万干瓦，可调能力78.2万干瓦(电话通知或现场督导);调控型用户7248户，空调额定功率互联网新型电力负荷管理系统互联网新型电力负荷管理系统(空调负荷管理模块)聚合商无线虚拟专网/无线专网/光纤远程通信空调控制网关量测控制单元业务终端空调设备/系统聚合平台型环境温湿协议转宗分体式空调智能插座量测控制单元专变采集终端用户BAS或者空调群控系统空调设备/系统本地通信边缘汇聚4.空调负荷柔性控制监测型1)业务需求：监测空调负荷数据、空调设定温度或室内环境温度。为系统或智慧能源单元评估空调运行状态、计算空调负荷调节能力提供更充分的数据支撑。2)主要业务模式：a)负荷监测仪、温湿度传感器经由I/Ⅱ型集中器汇聚后上传新型电力负荷管理系统；b)专变采集器采集数据后直接上传新型电力负荷管理系统。3)通信需求：采集频率为15分钟/次，采集时延不超过3分钟。新型电力负荷管理系统平台Ⅱ型集中器安全接入区专变采集终端4G电力虚拟专网RS485总线通信负荷监测仪I型集中器负荷监测仪安全运营商关无线遇无线遇智能插座温度传感器协议转换网关空调通信网关4.空调负荷柔性控制聚合商云平台聚合商云平台新型负控新型负控商业用户④①用户签约---→①用户签约---→③③通信技术选型(1)远程通信Lora、WiFi等通信技术与智能插座互联，智能插座通过内嵌38kHz红外光电收发器实现对空调的柔性控制。通道及终端安全防护方案-监测型&调控型线虚拟专网承载电力监控类业务安全防护规范》进行防护加>5G采用软切片：无线接入网采用机密性和完整性保护；承载网采用三层网络VPN逻辑隔离；核心网宜采用专用>4G采用APN+VPN,与安全接入区之间采用有线专线承载网：三层网络VPN逻辑隔无线接入网：机密性和完整性;禁用蓝牙、WiFi等功能；宜部署电力专用鉴权服务器对通信终业务终端侧通信侧安全防护加固平台安全防护方案-监测型&调控型监测型终端的安全防护参照用电信息采集业务执行，调控型按照以下方案开展安全防护。设置管理信息大区涉控调节域：为避免将大量外部资产安全风险直接引入生产控制大区，将低压涉控业务部署在管理信息大区，并参照工控系统安全防护架构，在管理信息大区增设涉控调节域。在涉控调节域部署物联涉控服务：所有对非工空调的控制调节指令均通过物联涉控服务加密签名后下发至边缘设备(智慧能源互动模块)执行，满足非工空调安全防护需求。安全保障措施云端：安全保障措施云端：①新型电力负荷管理系统对控制指令报文签名，调用物管平台北向接口基于https进行通道层加密下发；②物管平台调用反向隔离装置接口，以E文件形式加密传送至涉控调节域的物联涉控服务；③物联涉控服务对控制指令验签；④验签通过后再次对控制指令加密、签名；⑤物联涉控服务将控制指令传至物管连接单元，经安全接入网关通道层加密后，下发至融合终端执行；边缘侧：①终端收到报文，经安全代理将指令发送至边缘框架；②边缘框架对控制指令验签、解密，推送给空调APP;③空调APP将解密后的指令下发至终端执行；涉控调节域物联涉控微服务安全接入网关化主站荷市场正反向隔离装置正反向隔离装置正反向隔离装置非工空调安全接大区所火墙4.空调负荷柔性控制平台安全防护方案—聚合平台型在互联网大区增设公众服务子域。部署WAF、综合防护网关等防护措施，实现全流量解密、监测和分析，数据外发风险监测脱敏水印，承载外部负荷聚合商的安全接入，对外交互边界通过防火墙与其他业务系统进行逻辑隔离。接入防护：边界部署防火墙、流量监测接入防护：边界部署防火墙、流量监测;内部部署综合防护网关，中转业务连接，实现全流量解密、网络行为监测、CPS业务安全监测与分析，阻断外部威外发防护：在综合防护网关上部署数据防泄漏组件，实现对外发布数据的敏感接入时的流量监测及外发时的数据防泄漏等能力可通过软件定义的方式灵活编管理信息大区管理信息大区负荷调控Ⅲ区应用数据库灭墙中转库数据库互联网大区脱敏数据综合防护网关F解密流量中转服务器负荷管理蜜罐动态授权主机防护流量监测正反隔离调度自动可调负荷防生产控制大区聚合商火墙防火5.低压分布式电源调控刚性调控技术路线集中器配置分钟级轮询策略，按照DL/T698规约，对下利用HPLC通信采集电表分钟级测量数据(并网点电压、电流、功率),对上集中器将采集数据通过4G虚拟专网上传至营销系统，营销系统将数据通过接口转发给调度自动化系统，实现分钟级数据采集。营销采集系统接收调度自动化系统的控制指令，按照DL/T698规约，经4G虚拟专网下发至集中器，集中器利用HPLC通道转发至光伏智能表，通过光伏智能表的跳闸端子配合远程重合闸开关实现刚性控制。营销侧台区侧用户侧调度侧营销侧台区侧用户侧技术路线示意图技术路线示意图光伏智能开关智能电表光伏板光伏智能开关智能电表下行指下行指调控云营销系统台区集中器调度自动化系统调控云营销系统台区集中器5.低压分布式电源调控营销侧台区侧调度侧用户侧营销侧台区侧调度侧技术路线示意图技术路线示意图光伏智能开关智能电表光伏板光伏智能开关智能电表下行指策略下行指无线营销系统台区集中器调度自动化系统营销系统台区集中器调度自动化系统规约转换器低压分布式电源调控——提升方案6.基于电力线感传算一体化的台区停电告警与定位研究监测主站监测主站远程无线远程无线配变台区智能终端台区智能终端总开关监测单元双模)发出的停电信息，通过LTU窄带总开关监测单元出线N出线1智能断路器线路侧分支箱监测支箱断路器开关状态，识别用户智能电表(HPLC/