配电物联网本地通信技术应用分析

孟祥亮，张 帅

（国网信息通信产业集团有限公司，北京 昌平102211）

配电物联网是传统工业技术与物联网技术深度融合产生的一种新型电力网络形态，通过配电网设备间的全面互联、互通、互操作，实现配电网的全面感知、数据融合和智能应用，满足配电网精益化管理需求，支撑能源互联网快速发展，是新一代电力系统中的配电网[1]。在应用形式上，配电物联网具有终端即插即用、设备广泛互联、状态全面感知、应用模式升级、业务快速迭代、资源高效利用等特点[2]。

配电物联网包含“云、管、边、端”4层架构，其中“管”层作为配电物联网“云、边、端”的数据传输通道[3]，承载着配电物联网各类业务，是配电物联网建设中的重要内容。“管”层采用“远程通信网+本地通信网”的技术架构，通过通信通道IP化、物联网协议、物联网信息模型，实现通信网络自组网、设备自发现自注册、资源自描述，支撑边端设备的即插即用，满足配电业务处理实时性和带宽需求[4-6]，其中远程通信接入网涵盖的通信方式主要有光纤通信、无线公网（3G/4G/5G）、无线专网；本地通信接入网的通信方式主要有电力载波通信和微功率无线通信[7]。随着配电物联网建设的不断推进，新型业务的不断涌现，对业务数据传输的可靠性、安全性提出了更高的要求。由于当前配电网中业务复杂、设备种类多样、各类通信组网技术在技术特点、承载业务及适用场景等方面都存在较大差异，对于采用何种通信组网技术承载特定业务，满足配电物联网业务灵活、高效、可靠、多样的通信接入需求是配电物联网“管”层建设面临的难题。本文针对配电物联网的发展特点，结合配电物联网端边通信的差异化需求，对现有本地通信技术的应用进行了详细分析，研究各类通信组网技术的原理、特点及应用场景，给出了通信技术的适配原则及应用建议。

1 配电物联网通信架构

配电物联网通信架构包含两部分：远程通信接入网、本地通信接入网。远程通信接入网指末端业务终端（如传感器、表计、DTU、电动汽车充电桩等）或边缘汇聚终端（如集中器、边缘物联代理装置、输电线路状态监测代理等）直接与骨干通信网连接的通信接入网络，主要采用光纤通信、无线公网通信、无线专网通信等，主要满足配电云平台与边缘计算终端之间高可靠、低时延、差异化的通信需求；本地通信接入网指末端业务终端与边缘汇聚终端连接的通信接入网络，主要采用低压电力线载波、微功率无线通信等，满足边缘计算终端与低压智能设备之间的业务数据可靠传输通信需求，如图1所示。

远程通信网的通信方式主要包括光纤（EPON技术、工业以太网）、电力无线专网、无线公网4G/5G、北斗卫星通信等通信方式，为配电云平台与边缘计算终端的信息交互提供可靠的通信信道，通信方式应根据设备的实际应用环境进行适配。

本地通信网的通信方式主要包括高速载波通信（HPLC）、微功率无线（RF（470 MHz）[8]、Wi-SUN RF（920 MHz）[9]、Zigbee[10]、LoRa[11]等）、HPLC+RF双模通信[12]等通信方式，通信方式应根据边缘计算终端、出线开关、无功补偿装置、分支开关、进线总开关、分布式电源、充电桩、传感类设备等设备之间的实际应用场景进行适配。

图1 配电物联网通信体系架构

2 本地通信需求分析

配电物联网本地通信主要满足边缘计算终端与低压智能设备之间的通信需求，台区下所属的感知层终端具有类型多、通信方式与通信协议多样化等特点，本地通信技术的适配应结合设备的数据传输特性及台区的业务需求进行。

2.1 配电业务需求

根据配电业务场景具体内容将业务数据分为：电气量类、状态量类、环境类及信息类，如图2所示。

电气量类：三相电压/电流、三相有功/无功功率、频率、总有功功率、总无功率功率、三相功率因数、总功率因数、无功补偿投切容量、无日/月冻结历史数据等（分钟级传输）；开关位置、无功补偿投切状态、控制命令（秒级传输）、剩余电流动作保护器的分/合状态、剩余电流值；三相电压/电流不平衡度、电压偏差、频率偏差、电压合格率统计、配变负载率（分钟级传输）。

状态量类：油浸式变压器的油温和瓦斯保护状态、有载调压/调容变压器的档位状态、干式变压器的绕组温度、风机状态等（变化告警秒级传输，非告警状态分钟级传输）。

环境类：温度、湿度、水位、门禁、烟雾、气体、凝露、视频等（告警秒级传输、状态分钟级传输）。

信息类：故障告警信息、停电事件、异常事件等（秒级传输）；设备注册信息、低压拓扑信息、三相不平衡异常事件等（分钟级传输）。

图2 配电业务数据示意图

通信时延：要支持故障事件告警、停电事件、三相不平衡异常事件等告警类数据的秒级的传输时延。

通信带宽：须要支持实时数据（三相电压/电流、有功/无功功率、功率因数）的数据刷新（1/5/15 min等）。

每台区的配电设备数量按40只估算，除主动上报外，每个业务包含不同次数的通信交互。

配电业务数据统计、通信需求分别如表1、表2所示。

2.2 营销业务需求

目前营销的用电信息采集业务主要包括日冻结数据采集、费控下发、停电信息及时上报、全事件上报、电动汽车有序充电、户变关系识别、台区精细化线损、电能质量监测、多表合一等。业务与所对应的数据采集项如表3所示。

营销业务通信需求总结如表4所示。

3 适配原则及技术要求

3.1 适配原则

配电物联网本地通信应坚持“集成整合、无缝衔接、业务透明、监控统一、安全可靠、优质高效”的原则，统一规划和建设“多手段、多功能、全业务、全覆盖”的低压侧通信接入网，结合配电物联网本地通信业务实际需求因地制宜选择电力线载波、微功率无线、电力线载波+微功率无线双模通信技术。

表1 配电业务数据统计表

由于HPLC 通信方式会受到线路停电的制约，故对于停电类告警事件业务，建议采用微功率无线的通信技术或HPLC+RF双模通信技术。

由于主动上送类业务（如：异常事件、告警信息等）及控制类业务对实时性、可靠性要求高，建议采用HPLC+RF的通信技术。

对于高频次实时数据的采集，建议采用HPLC的通信技术。

对于状态监测、环境监测类业务的传感器类设备的通信建议采用微功率无线的通信技术（RF、LoRa、Zigbee等）。

对于历史数据、统计数据及文件传输等业务，传输频次较低、数据量较大，建议采用HPLC 通信技术或HPLC+RF双模通信技术。

3.2 技术要求

HPLC通信应满足Q/GDW 11612.41《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范第4-1 部分：物理层通信协议》和Q/GDW 11612.42《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范第4-2 部分：链路层通信协议》中的相关技术要求。

微功率功率无线通信应满足《DL/T 698.44 电能信息采集与管理系统第4-4 部分：微功率无线通信协议》中的相关技术要求。

HPLC+RF双模通信应同时满足上述技术要求。

4 结束语

在配电物联网建设深入开展的背景下，针对配电物联网本地通信建设面临的难题，本文深入分析了配电物联网业务的通信组网需求，研究了配电物联网本地通信多种通信技术，围绕技术特点、应用场景等内容进行了对比分析，给出了适配原则及应用建议，对统一配电物联网的通信组网建设方式，推进配电物联网的标准化工作，指导配电物联网本地通信网组网设计，保证配电物联网高效、可靠运行具有重要意义。

表2 配电业务通信需求列表

表4 营销业务通信需求列表

表3 营销业务数据统计表