刘林1, 祁兵1, 李彬1, 叶欣1, 梅文明2
1．华北电力大学 电气与电子工程学院,北京市 昌平区 102206
2．国家电网有限公司,北京市 西城区 100031
LIU Lin1, QI Bing1, LI Bin1, YE Xin1, MEI Wenming2
1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China
2. State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China
刘林(1994),男,博士研究生,主要从事电力通信网优化、电气与信息交叉学科研究工作,E-mail：bihdliulin@163.com;
祁兵(1965),男,教授,博士生导师,主要从事电力节能、自动需求响应相关技术研究工作,E-mail：bellqi@sina.com;
李彬(1983),男,博士,副教授,通信作者,主要从事电力通信、电气信息技术相关研究工作,E-mail：direfish@163.com;
叶欣(1996),女,硕士研究生,主要从事电力通信网研究;
梅文明(1983),男,博士,高级工程师,主要从事可再生能源与清洁能源研究、电力系统分析等。
基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金(面向能源互联网的电力骨干通信网优化研究(2019QN109),广域需求响应无风险预置资源配置技术研究(2019MS004)); Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2019QN109, 2019MS004);
文章编号: 1000-3673（2020）08-3114-15 中图分类号: TM721
摘要电力物联网是智能电网向能源互联网发展的关键环节,承载电力物联网新业务的电力通信网是沟通整个能源互联网生态圈的桥梁。为了适应电力物联网新业务的发展,对电力通信网的需求及发展趋势进行研究。先综述了电力物联网的研究现状,接下来结合电力通信网的实际情况,提出了适应电力物联网的电力通信网新架构。然后以典型业务为例,分析了电力物联网的通信需求,从面向电力物联网新业务的电力通信网关键技术应用和电力通信网发展趋势2个方面对电力通信网的发展进行探索。
关键词 : 能源互联网; 电力物联网; 电力通信网;
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2020.0013
ABSTRACTThe electric internet of things is a critical step in the development of the smart grid to the Energy Internet. The electric power communication network (EPCN), which carries the new service of electric internet of things, is a bridge to connect the entire Energy Internet ecosystem. To adapt to the development of new services in the electric internet of things, this paper studies requirements and developing trends of electric power communication network. This paper first reviews the current research of the electric internet of things. Next, based on the actual situation of EPCN, we propose a new architecture for the electric power communication network that adapts to the electric internet of things. Then, taking the typical service as an example, the communication requirements of the electric internet of things are analyzed. The future of the electric power communication network supporting the electric internet of things is explored from the two aspects: the application of critical technology and development trends of the electric power communication network.
KEY WORDS : energy internet; electric internet of things; electric power communication network;
0 引言国家电网有限公司印发的2020年重点工作任务通知(国家电网办[2020]74号文)中明确指出,要将全力推进电力物联网高质量发展作为本年度国家电网的重点工作之一[1]。电力物联网利用“大云物移智链”等先进的现代信息通信技术,实现电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度等各个环节的广泛互联以及人机交互,能够有效支撑电力系统实现信息物理深度融合[2]。电力物联网的建设对于推动能源企业的转型具有重要意义,是能源互联网发展中的关键一步。
电力物联网已经成为工业界和学术界的共识,引起了广泛关注。电力物联网体系架构可以基于软件定义网络(software defined network,SDN)[3]或基于雾的分层分布式结构[4]来建立。按照电力物联网的分层体系,可以将其划分为感知层、网络层、平台层、应用层4层。电力物联网的应用层包括综合能源交易[5]、分布式能源管理及交易[6-7]、需求响应[8]、储能管理[9]、电动汽车车联网[10-11]、虚拟电厂电力交易[12]、输电线路无人机巡检[13]等业务。电力物联网的平台层包括国网云平台[14]、配电网状态监测平台[15]、多站融合平台[16]、智能变电站平台[17]等各种一体化平台的建设。电力物联网的网络层涵盖电力北斗定位授时[18]、基于排队论的配电网通信架构[19]、软件定义网络[20]、异构网络通信[21]、电力线载波通信(power line communication,PLC)[22]、低功率广域网(low-power wide-area network,LPWAN)[23]、窄带物联网(narrowband internet of thins,NB-IoT)[24]以及5G[25-26]通信技术的应用等方面的研究。电力物联网感知层则对边缘节点智能化[27-28]、物联网协议研发[29]、智能电表的功能拓展[30-31]等智能感知及传感技术进行研究。此外,有专家从电力物联网信息物理融合的角度,计及电网与通信网的相互依赖关系,对级联故障避免[32]、鲁棒性路由[33]、配用电网通信拓扑生成[34]、传感网部署及信道分配[35]等进行研究。对电力物联网安全性的研究主要从电力物联网的网络安全架构[36]、可信任身份认证技术[37]、资源受限的密码算法[38]、区块链技术[39-40]及机器学习算法[41]等方面来解决用户隐私保护和能源安全的问题。
电力物联网新业务将主要通过电力通信网进行承载,可靠的通信网络是保障电力物联网全面感知大数据汇聚和控制指令准确下发的关键。随着高比例清洁能源、海量电力传感器及智能配电终端的接入,电力物联网感知信息的数据量和维度都呈现爆发式增长[42]。国家电网公司“十三五”通信网规划报告指出,预计2020年公司总部断面业务带宽流量达到133.6 G,其中,电网生产业务47 G,企业管理业务86.6 G,省际骨干网利用同步数字体系(synchronous digital hierarchy,SDH)、光传送网(optical transport network,OTN)双平面承载,SDH容量达到10 G,OTN平台容量不低于400 G。省级电力公司断面业务流量平均值在80.9 G,其中,电网生产业务55.4 G,企业管理业务25.5 G。总部到分部、分部到省、省到地市可通过10 G SDH+ OTN双平面满足业务承载需求,地市到县可通过双10 G或2.5G SDH单平面,核心层双设备配置满足业务承载需求[43]。目前我国电力通信网仍存在骨干网部分区段容量不足、地市骨干网结构有待优化、租用覆盖的站点通信支撑能力有限、10 kV通信接入网建设需进一步统筹优化等问题。为解决上述问题,推进电力物联网的发展,国家电网办[2020]74号文指出,要进一步完成OTN网络扩容建设和地市传输网优化改造[1],随着电力物联网无线业务需求的日益增加,国家电网公司共享资源助力新基建,持续推动电力通信网的5G网络建设,2020—2022年,国家电网或将投资千亿资金用于5G相关的建设[44]。我国科技部2020年国家重点研发计划申报指南,指出电力通信网的发展将在通信与计算融合的异构网络和高可靠超多跳安全自组织网络技术等领域持续开展研究[45]。然而,由于外在不可抗力的破坏、传输带宽的限制、设备故障等现象时有发生,造成业务中断,无法满足电力物联网对设备智能化水平和网络资源调配能力的高要求,电力通信网亟需加大建设与整改力度,以迎接电力物联网的到来[46]。电力通信网分为接入网和骨干网。已有学者从电力通信网接入网的角度对5G在电力物联网中的应用进行展望,主要侧重于将5G技术特点与电力物联网的场景进行匹配[25-26],但是未考虑5G如何与电力通信网对接的问题以及接入网流量大规模增加对电力通信骨干网带来的影响。目前电力通信网研究主要集中在电力通信网的路由均衡[47-48]、网络保护[49-52]、风险优化[53-54]、关键节点辨识[55]、时延分析[56]等方面,没有考虑电力物联网新业务的通信特征,并且电力物联网新业务的发展将导致电力通信网的流量显著增长,电力通信网亟需进行升级和改造,因此本文从支撑电力物联网新业务的角度对电力通信网的需求及发展趋势进行梳理。
1 面向电力物联网新业务的通信网发展现状及需求分析电力物联网新业务将依托电力通信网进行承载,电力通信网对整个能源互联网系统起到桥梁的作用。本文主要研究面向电力物联网新业务的电力通信网,属于电力物联网4层架构(感知层、网络层、平台层和应用层)中的网络层。本章首先分析电力物联网的新业务,然后概述电力通信网的发展现状,最后结合以上两者对发展电力物联网新业务的通信需求进行分析。
1.1 电力物联网新业务场景分析为提升电力能源调度的灵活性和鲁棒性,推动能源行业的变革,建设能源互联网,众多电力新业务都将依托电力物联网技术得以逐步实现。在电力物联网的支撑下,电力系统的发电、输电、配电、用电等各个环节都将演绎出新业务,在对内业务方面,实物资产统一身份编码(identification,ID)、现代电力企业智慧供应链、无人机巡检、营配贯通等业务逐步开展;在对外业务方面,电动汽车服务、源网荷储协同互动、新能源云建设、综合能源服务、多站融合发展、虚拟电厂运营、能源互联网生态圈构建等业务也在全面建设中。虽然电力物联网的新业务会根据政府的政策导向、社会经济的发展水平、电网公司的运行状况等综合因素发生动态变化,但是新业务的发展离不开电力通信网的广泛支撑。本文主要以《国家电网有限公司2020年重点工作任务》提到的电动汽车服务、源网荷储协同互动、新能源云3种典型业务为例,对电力物联网的业务场景进行分析。
1）电动汽车服务。
电动汽车服务将借助电力物联网更好地实现车-桩-人-网的全面协同互动。一方面,与电动汽车充换电有关的电网运营监控类业务依托光纤和PLC等通信技术实现;另一方面,与大规模电动汽车的智能充电调度、电动汽车路线规划、电动汽车参与需求响应以及电动汽车销售、充电、支付等一站式服务有关的新业务都将依托“大云物移”等新技术,通过高频度的车辆信息采集、智能传感、大数据分析、精准调控等步骤,得以迅速发展。
2）源网荷储协同互动。
电力物联网的发展解决了大规模分布式电源、储能设备及用电负荷的广泛接入,并通过负荷聚合商实现批量分散负荷的协同控制。源网荷储的刚性调控与电力智能调度系统主要通过电力光纤专线进行通信,可以在s级和ms级时延响应电网大功率缺额故障、电网故障应急处置、可调节发电资源充裕性不足等场景,为之提供紧急服务,确保供电安全。源网荷储的柔性调控则通过公网/无线等技术进行通信,在常态下通过源网荷储协同优化、冷热电多能互补、min级需求响应等多种柔性调节手段来满足电网时段电力平衡需求或提升新能源消纳效率。
3）新能源云。
新能源云通过电力物联网提供的强大数据感知及接入能力,以光伏和风电为典型代表,通过将风电和光伏发电等项目的规划计划、运行参数、设备状态等数据实时汇集至云平台进行智能分析,精确掌握风机和光伏组件的运行状态,及时感知设备运行故障情况,并结合地理位置信息、能源气象等数据进行多维度联合分析,促进新能源的最大限度精益消纳。基于大量历史数据分析,为新能源电站的规划、建设、运行、维护提供全流程的动态最优化方案。
实际上电力物联网的业务之间并不是独立的,一方面它们共享相同的基础设施(通信网络、计算设备等),另一方面,多个业务系统之间存在相互影响。以上述典型业务为例,电动汽车同时也可以作为充/放电设备,参与源网荷储的互动,新能源云管控的分布式电源设备也可以参与源网荷储协同互动。
1.2 电力通信网发展现状概述电力物联网新业的发展离不开电力通信网的基础支撑,电力通信网包括电力骨干通信网和电力通信接入网两级,骨干通信网覆盖35 kV及以上厂站、各级调度机构及单位办公场所,通信接入网分为10 kV电力通信接入网和0.4 kV电力通信接入网。
1.2.1 电力骨干通信网电力骨干通信网由传输网、业务网和支撑网三部分组成。传输网为整个电力通信网提供底层的数据传输能力,多以光纤通信为主,微波、PLC、卫星通信等为辅,多种传输技术并存,可分为省际、省级和地市3个层级。省际传输网连接国家电网总部、分部、直属单位和各省公司,省级骨干传输网则连接省电力公司及其直属单位、地市公司、省调直调发电厂及变电站等。省际传输网和省级传输网均按照双平面建设,A平面承载生产控制类业务,采用同步数字体系(synchronous digital hierarchy,SDH)技术,核心环为10 G平台,B平面承载管理信息类业务,采用光传送网(optical transport network,OTN)技术体制。地市级传输网按单平面建设,采用SDH技术体制,主要覆盖地市级公司及其下属单位等,当变电站数量大于100座时选用10 G平台,小于100座时选用2.5 G平台。业务网建立在传输网基础上,分别为电网的各种不同业务应用提供服务,包含数据通信网(综合数据网和调度数据网)、调度交换网、行政交换网和电视电话会议系统。支撑网则为电力通信网的运行维护提供辅助支撑,主要包括同步网、网管系统和应急通信系统。
1.2.2 电力通信接入网电力通信接入网由10 kV电力通信接入网和0.4 kV电力通信接入网构成,主要承载与配用电有关的业务。从业务上划分,10 kV电力通信接入网承载配电自动化、电能质量监测、配电运行监控、配变监测、分布式电源控制等业务,并为0.4 kV电力通信接入网所承载的业务提供上联通道。0.4 kV电力通信接入网承载用电信息采集、电力需求侧管理、负荷监控、电能采集管理和充电桩管理等业务。从通信技术上划分,10 kV电力通信接入网采用光纤通信、PLC通信、无线通信等多种技术混合组网。0.4 kV远程信道可选择无线公网、无线专网、光纤专网等,不同地区根据实际情况合理选择。本地信道采用低压PLC、RS-485、无线专网、微功率无线等技术。
1.3 电力物联网新业务的通信网需求分析电力物联网的发展会造成电网及公司管理系统即主要由调度数据网(生产控制大区)和综合数据网(管理信息大区)承载的业务系统的变化。有学者认为电力物联网业务产生的绝大多数信息流原则上只能在电力系统内部流动,其依赖的通信网络一般是电力行业的通信专用网络,在应急情况下也可以临时采用部分公共通信网络[57]。
1.3.1 通信网架构需求根据现行的《电力监控系统安全防护总体方案》(国能安全[2015]36号),电力二次系统分为生产控制大区和管理信息大区,与之对应,电力通信网进行分区,分别用于传输生产控制类业务和管理信息类业务。随着电力物联网新业务的开展,一方面,网络通信流量激增,若所有新业务都通过现有电力通信网进行传输,将导致网络不堪重负,需要大规模的网络基础设施投资;另一方面,电网与能源互联网生态圈企业进行业务及信息交互的需求日趋频繁,增大了电力通信网受到网络攻击的可能性。因此从带宽承载及安全性两方面考虑,若不对现有电力通信网进行调整,将会阻碍电力物联网的发展。
当前电网通信系统的形态将会发生较大改变：电力通信网新增互联网大区作为连接电力通信网与互联网的缓冲区,与传统的生产控制大区、管理信息大区联合形成电力通信网新架构。三个大区两两之间实现物理隔离,大区内部纵向贯通到底,从云、管、边、端等多层次进行分区。跨区的安全隔离措施需要在实际施工前进行严密论证,以更好地承载电力物联网新业务,建设能源互联网生态圈。适应电力物联网的电力通信网新架构如图1所示,在该架构中,生产控制大区和管理信息大区主要传输电力物联网中涉及用户隐私的、与电力生产管理密切相关的采集监测信息以及实时和非实时的电力控制信息,而超高频度的信息采集、全息感知、边缘计算等通过互联网大区来传输。电网与用户、政府、综合能源服务商、金融机构、电工装备制造商等其他能源互联网生态圈企业的复杂业务交互通过互联网大区完成。
电力物联网终端可以通过有线网络接入到生产控制大区或管理信息大区,也可以通过无线专网或无线公网分别接入到3个大区,有线网络、无线专网和无线公网3种形式的接入网实现物理隔离。电力物联网终端通过单种或多种通信方式分别连接到电力通信网的生产控制大区、管理信息大区和互联网大区。
图1 面向电力物联网新业务的电力通信网新架构示意图Fig. 1 Architecture of electric power communication network for new services in electric internet of things
电力物联网新业务的发展会使得电力通信网架构发生较大改变,从以电力通信专网为主,运营商公网为辅的传统通信网架构,演变为以互联网大区为沟通媒介的公网与专网一体化调度的电力通信网新架构。
1.3.2 通信网性能需求电力物联网的业务涉及国网云和数据中台建设、统一物联管理平台建设、网上国网、新能源云、源网荷储协同互动、能源互联网产业链等复杂场景,对通信网性能的需求体现在带宽、时延、安全性、可靠性等多个方面。
参照电力通信网十三五规划中的通信带宽测算方法[43],本文使用式(1)对电力物联网新业务的通信带宽进行估算。
<span class="MathJax" id="MathJax-Element-1-Frame" tabindex="0" data-mathml="B=∑i(Bi0⋅Ni⋅Ri⋅ϕi1⋅ϕi2)" role="presentation" style="box-sizing: border-box; display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">B=∑i(B0i⋅Ni⋅Ri⋅ϕ1i⋅ϕ2i)�=∑�(��0⋅��⋅��⋅��1⋅��2) (1)
式中：B表示某种电力物联网新业务的全网通信带宽;Bi0表示第i个业务子类的单业务通信带宽;Ni表示第i个业务子类的数量;Ri表示第i个业务子类的可靠性系数,如果需要备用路径,则可靠性系数为2,否则可靠性系数为1;ϕi1表示第i个业务子类的冗余度系数,它指的是网络带宽与业务占用带宽之比,通常网络需要预留一部分冗余带宽,因此 ϕi1>1;ϕi2表示第i个业务子类的业务并发比例,它表示的是业务同时产生的比例,当ϕi2<100%时表示业务的带宽可以复用。本文中采用最小并发比例对汇聚带宽进行测算,以使得测算结果更加保守。
本文以《国家电网有限公司2020年重点工作任务》中提到的电动汽车服务、源网荷储协同互动、新能源云等业务为范例,对电力物联网典型业务的通信需求进行分析,如表1所示。
根据国家能源局的最新数据,截至2019年6月底,我国电动汽车充电桩数量的已达100.2万台[58]。单个充电桩的通信带宽按照20.3 kbit/s计算,若所有的充电桩全部实现联网,电动汽车服务仅运营监控类业务的全网汇聚带宽可达6.10 Gbit/s(该数据还将随充电桩数量持续增长),电动汽车服务的新业务全网汇聚带宽将达到250.5 Gbit/s。
“江苏大规模源网荷友好互动系统示范工程”项目实现了工业刚性调控1726户,非工业柔性调控2715户,主动需求响应20.8万用户的联网互动[59]。依据单业务带宽[60],按照本文的通信带宽测算模型,江苏省源网荷储协同互动业务在刚性场景下的省级汇聚带宽为6.18 Gbit/s,在柔性场景下的省级汇聚带宽为0.79 Gbit/s。如果在全国范围内全面部署源网荷储协同互动系统,计及国家电网公司在26个省的27家电力公司,其他各省源网荷储协同互动业务等效用户数量按照各省电力公司通信网带宽与江苏省电力公司的带宽比例测算(约50%)。全国的电力物联网系统中,源网荷储协同互动业务在刚性场景下的全网汇聚带宽为83.38 Gbit/s,在柔性场景下的全网汇聚带宽为10.67 Gbit/s。
新能源云的业务对象主要包括风电、光伏等新能源,以光伏为例,国网光伏云网累计接入分布式光伏120.9万户,装机容量5241.17万kW[61]。根据装机容量与用户数的比例,假设120.9万用户80%为家庭光伏用户(380 V),20%为10 kV及以上分布式光伏电站,则新能源云的采集监控类业务全网汇聚带宽可达45.51 Gbit/s,电力物联网的新能源综合服务类业务全网汇聚带宽可达302.25 Gbit/s。
表1 电力物联网典型业务的通信需求分析Tab. 1 Analysis of communication requirements for typical service in electric internet of things
在通信带宽方面,国家电网公司的十三五通信网规划报告显示,预计2020年我国电力通信网在国家电网总部的断面业务流量将达到133.6 Gbit/s[43];而根据本文对电力物联网部分业务的通信带宽估算数据,生产控制大区和管理信息大区需承载的电力物联网新业务全网汇聚带宽可达134.99 Gbit/s,电力物联网新业务在互联网大区的全网汇聚带宽将达到563.42 Gbit/s。如果建设电力通信网的互联网大区,则原来的生产控制大区和管理信息大区业务通信总带宽需增加101.04%,互联网大区的带宽约为生产控制大区和管理信息大区的4.17倍;如果不建设电力通信网互联网大区,则原有电力通信网带宽需扩增为原来的5倍以上。以上分析仅针对电力物联网的部分业务进行通信带宽测算,实际的带宽远超本文的估算带宽。
在通信时延方面,电力物联网的新业务对通信时延具有非常苛刻的要求(通常在s级甚至ms级),如表1所示。电动汽车服务的智能充电等新业务中与人有关的业务,由于人倾向于在无知觉的状态下完成交互,如果时延过高,则会影响用户的充电体验,因此对时延要求很高;源网荷储协同互动中的刚性调控场景(如精准切负荷等[25])需要满足电力调度的时延需求,确保电网的安全稳定运行,因此具有极高的时延要求;新能源云对气象数据的高频采集以及新能源站点发电数据的实时上报都影响着分布式电源之间及与其他供能、用能设备之间的高效率协同优化,对新能源的实时消纳产生重要影响,因此新能源云对时延也具有较高要求。除此之外,电力物联网的其他业务(如视频监控、无人机巡检等)大多跟电网的生产控制密切相关,如果时延过高,则会影响电力的有序生产。综上,电力物联网新业务要求电力通信网具有较低的时延。
在通信可靠性方面：一是通信故障对电力物联网业务造成的影响巨大。对于电动汽车服务,通信故障通过影响充换电业务进而改变用户的出行计划,造成不必要的经济损失,通信故障对车联网、电动汽车导航及路线规划的影响则有可能危及行车安全;对于源网荷储协同互动业务,通信故障会对电网的安全稳定运行产生威胁,影响电力用户的工商业生产经营及日常生活。二是电力物联网业务的复杂交互过程导致风险增大。电力物联网的电动汽车云平台、源网荷控制中心、新能源云平台、电力调度中心、需求响应服务器等不同业务中心之间进行复杂的业务交互会导致其出现共享风险的情况(如附图A1所示)。这些业务在网络的应用层、传输层、物理层之间进行跨层映射,并且通信光纤在物理上同沟同缆铺设等原因都将导致通信链路共享风险,对网络的可靠性造成威胁。由于带宽容量的提升,当网络发生故障时将会导致大量电力物联网业务同时故障,影响电网的平稳运行,因此电力物联网新业务对通信网可靠性有较高的要求。
在通信安全性方面,电力物联网复杂的业务系统及高频度信息交互,增加了其被攻击的风险。影响电力物联网业务通信安全的潜在攻击主要包括以下3类：
第1类是路由攻击、拒绝服务攻击(denial of service,DoS)、分布式拒绝服务攻击(distributed denial of service,DDoS)等干扰电力物联网业务正常传输的攻击行为。该类攻击将会造成通信失效,此类攻击的效果与通信网故障类似,已经在前文(通信可靠性需求)中进行分析,不再赘述。
第2类是电力物联网业务数据的非法监听攻击。该类攻击容易造成用户隐私泄露。对于电动汽车服务,非法监听使得不法分子可以追踪电动汽车用户的位置及行车状态等信息,引发诈骗等违法犯罪行为。对于源网荷储协同互动业务,非法监听导致信息泄露,从而使网络攻击者获取电网的调度、运行信息等,使得电网更容易被针对性攻击,危及电网的安全稳定运行。网络攻击者通过分析工商业用户的用电信息从而窃取其生产经营计划等商业秘密,通过分析居民用户的用电信息从而引发入室盗窃等违法犯罪行为。对新能源云,一方面固定设备信息泄露会使得发电资产及气象、位置等数据信息暴露,存在盗窃风险;另一方面,实时发电及调度信息泄露会影响新能源的消纳计划。
第3类是电力物联网业务数据的非法篡改攻击。该类攻击的危害最为严重,对电力物联网上行数据(采集数据)的篡改会使得业务控制系统获取错误的设备状态信息从而制定不恰当的决策,严重的会造成电力大系统的紊乱,产生极大社会经济影响。电力物联网下行数据(控制数据)的篡改,使得电力物联网的业务对象失去控制,无法按照既定计划正常工作。对电动汽车服务来说,数据的非法篡改会造成电动汽车无法充电、电动汽车执行错误调控信息、电动汽车失控等问题,对用户的生命及财产安全造成极大威胁。对源网荷储协同互动业务来说,数据非法篡改会造成源、网、荷、储等电力设备的误调度,使得电网供需匹配失衡,造成电网故障,轻则降低用户的用电舒适度体验,重则造成用电安全事故等危及用户的安全。对新能源云来说,非法篡改会影响新能源数据的准确性,从而制定错误的新能源发展规划以及新能源消纳计划等。
电力物联网的通信安全直接影响着电力物联网业务对象的安全,因此通信安全非常重要。
综合以上分析,电力物联网新业务对电力通信网提出了新的需求,可以总结为：通信网络架构分区优化,公网与专网可进行一体化跨区灵活调度,通信网性能满足大带宽、低时延、高可靠性、高安全性等需求。
2 面向电力物联网新业务的通信网关键技术及应用为支撑电力物联网新业务的发展,在本文所提出建设电力通信网互联网大区的基础上,通信网关键技术应能满足电力物联网大带宽、低时延、高可靠性、高安全性的通信需求,切实提升骨干通信网业务承载能力、增强带宽调度灵活性,实现电力物联网的通信网统一控制。本文首先对电力物联网通信技术的特性进行对比,然后在此基础上结合业务场景对几种关键通信技术的应用做出分析。
2.1 通信网技术特性对比面向电力物联网新业务的电力通信网技术可以划分为通信网接入技术、通信网传输技术和通信网控制技术3种类型,几种主流技术的特性对比如附表A1所示,接下来将对其进行详细分析。
2.1.1 通信网接入技术在支撑电力物联网新业务的通信网接入技术中,光纤接入由于速率高、时延低、可靠性高,目前被广泛应用。但是光纤的铺设成本较高,尤其是对于城区光缆进行增建和改造的成本很高,扩展性差,不宜进行光纤的新增建设,对现有光纤的接入网持续进行维护,而对于新建的城市或者郊区,可以考虑新建光纤接入。光纤接入主要应用在对时延、安全性、可靠性要求极高的场景,如源网荷储协同控制中的电力大用户控制,电动汽车充电站及新能源发电站等场所。
PLC和NB-IoT通信速率较低且可靠性不高,现存PLC和NB-IoT网络可充分复用,只在部分特殊场景(对速率及可靠性没有过高要求的场景)下建设。PLC可以应用在不适合部署其他通信网络的复杂工业环境,NB-IoT可以用于小范围、低速率的局域网通信场景,如家庭智能用电设备与能源网关之间。
通用分组无线服务技术(general packet radio service,GRPS)的速率较低并且可靠性也比较一般,建设成本较高。现有的GPRS在满足电力物联网业务通信需求的情况下可以持续维护,保证其正常使用,但是不推荐新增建设。GPRS主要用于电表信息采集等低速率通信场景。
在上述技术无法满足通信需求的场景,可通过5G网络来实现。5G在通信速率、时延、可靠性及扩展性方面均表现出优异的性能,因此5G作为电力物联网的网络接入层技术推荐指数很高。5G主要适用于大规模电力物联网设备接入以及对通信速率、可靠性要求比较高的场景,如源网荷储协同互动中的精准负荷控制、电动汽车智能驾驶、车联网等。多种通信接入技术在电力物联网中将共同存在,需要通过混合组网进行联合调度。
2.1.2 通信网传输技术在支撑电力物联网新业务的通信网传输技术中,光纤是主要传输介质,SDH、OTN和弹性光网络(elastic optical network,EON)都依赖于光纤进行传输。
SDH的传输带宽为155 Mbps~10 Gps,并且业务粒度不可变。由于带宽的限制,SDH主要用于传输高可靠性且带宽固定的业务,对于带宽要求不高的电力物联网业务,如继电保护、电力智能调度等, 现存SDH将继续使用。为适应电力物联网发展,可在市县级电力通信网提升SDH的带宽,尽量减少新建SDH线路。
OTN技术作为目前电力通信网传输大带宽业务的主流技术,通过波分复用(wavelength division multiplexing,WDM)来提升带宽,但是OTN网络不支持可变波长的分配,通信调度粒度过大,无法根据业务需求来动态调整波长分配。作为一种应用成熟的传输技术,在电力物联网业务发展过程中可作为过渡技术,根据业务需求新建部分OTN线路或对现有带宽进行升级。目前主要应用于省级及以上的电力通信网中,未来可以在市级网络中采用OTN组网,除继电保护及电力调度等业务外都可以采用OTN进行传输。
EON可以根据电力物联网的业务需求,通过频隙的动态分配来提升网络总带宽,实现更小粒度的通信带宽调度,提升网络的资源利用率。从OTN向EON过渡,可以复用已有的光缆,只需对传输设备进行升级,不会带来巨大的施工成本。EON可以应用于对网络带宽有较高需求且带宽波动较大的场景,如电网的大数据中心、容灾备份中心、区域及以上的电力通信网关键节点等。因此EON作为未来电力物联网的网络骨干层理想的传输技术,具有前瞻性,推荐指数较高。
2.1.3 通信网控制技术在支撑电力物联网新业务的通信网控制技术中,目前多种技术并存,网络的统一调度能力较差,电力通信网专网和运营商公网联合调度的效率
低下。
目前电力通信网主要采用多协议标记交换(multi-protocol label switching,MPLS)技术在网络传输时进行业务的控制和转发。MPLS VPN可以在电力通信网内部实现不同业务系统的隔离,但是MPLS的站点部署需要手动配置,需要大量熟练的工作人员,使得MPLS的带宽成本过高,并且MPLS 扩展性和兼容性较差。此外,MPLS网络不提供内置数据保护,如果执行不当,它会使网络容易受到漏洞的攻击。
软件定义广域网(software-defined wide area network,SD-WAN)可以根据电力物联网的业务类型和优先级来更加高效地匹配网络链接。SD-WAN可以实现5G、电力通信网(含光纤专线通信及网络通信)和运营商公网的联合调度,支持链路的混合接入。通过自定义配置文件,SD-WAN还可以实现多站点的统一调度和配置,降低成本,应对电力物联网的突发性业务可以动态调度网络资源,提高资源利用率。SD-WAN在电力物联网复杂的组网环境中,优势更加明显,它可以实现电力物联网应用级的路由选择,针对继电保护及电力调度等生产控制业务提供更高的冗余备份,增强可靠性,如为新能源云的气象监测及超高频率的信息采集等业务选择带宽更高的通信方及剩余带宽较大的路由节点。在安全性方面,SD-WAN通过统一安全连接来覆盖基础性网络,借助可扩展的密钥交换功能和软件定义的安全性,所有电力物联网终端设备和通信站点均经过完全认证,提升安全性。因此SD-WAN成为电力物联网控制技术中推荐指数较高的技术,未来的电力通信网控制技术将逐步向SD-WAN过渡。
通过上述对支撑电力物联网新业务的通信网接入层和通信网骨干层技术的分析,发现支撑电力物联网新业务的通信网技术中5G、EON、SD-WAN的推荐指数较高。三者之间的关系如下：5G工作在电力物联网的通信网接入层,解决电力物联网的接入网带宽不足、时延高、可靠性低等问题,将海量电力物联网终端接入到骨干网中。EON工作在电力物联网的通信网骨干层,属于传输技术,解决电力物联网新业务发展带来的骨干网带宽动态分配问题,提升骨干网的带宽容量和资源效率。SD-WAN工作在电力物联网的骨干层,属于控制技术,通过软件定义架构,屏蔽网络的物理层差异,实现电力物联网的通信网统一调度。
2.2 通信网关键技术应用5G将电力物联网业务传入网络骨干层,业务在骨干层的传输由EON实现,在整个通信过程中通过SD-WAN实现协同控制, 三者之间的关系及主要技术如图2所示。接下来对推荐指数较高的5G、EON和SD-WAN三种技术在电力物联网新业务发展中的应用进行详细分析。
图2 面向电力物联网新业务的关键通信技术Fig. 2 Critical technologies of communication network for new services in electric internet of things
2.2.1 5G技术的应用1）5G网络切片。
通过向毫米波频段的扩容,部署大规模天线,5G通信技术可以达到单用户20 Gbps的理论峰值速率、100 Mbps的实际体验速率、每km2 100万连接数、99.999%的网络可靠性、1 ms的端到端时延以及高达100倍的网络能耗效率提升等。5G同时具备“高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗”等特点,与电力物联网业务对通信网的需求高度契合,因此5G将成为电力物联网的关键通
信技术之一。
基于网络虚拟化(network function virtualization,NFV)技术,可以将网络接入设备及传输设备进行硬件软化,构建逻辑分区,实现计及电力物联网不同业务需求的5G网络切片划分(如附图A2所示)。5G自身有3种典型切片以实现不同的业务场景：增强型移动宽带(enhance mobile broadband,eMBB）、海量机器通信(massive machine type communication,mMTC)、超可靠低时延通信(ultra-reliable & low latency communication,uRLLC),在实际应用中可以根据电力行业的需求定制专有切片。
eMBB网络切片是为了传输超清视频、虚拟现实和增强现实、高速移动上网等大流量移动宽带应用业务而设计,具有带宽大、时延不敏感、动态突发性等特点。在电力物联网中适用于传输高带宽需求的电力业务,如电力物联网高清视频与图像实时监控及电力现场远程故障诊断、无人机输电线路巡检、基于超高分辨率图像感知的新能源发电出力预测等。
mMTC网络切片是针对未来物联网的大规模应用而提出的,可用于工业物联网、智能电网、智慧家居、智慧城市等场景。在电力物联网中适用于传输大容量需求的电力业务,这些业务终端同时具备数据量大、功耗低、数据包小、零星传输的特点,如电力物联网负荷用电状态智能感知、电力用户非侵入式负荷监测以及综合负荷预测、基于水-电-
汽-热多表集抄的综合能源优化等。
uRLLC网络切片的设计初衷是针对超高可靠性(99.999%)下要求超低时延(不超过1 ms)的业务提出的,可用于传输工业自动化、自动驾驶、远程手术、髙速列车控制、远程实时控制等业务。在电力物联网中适用于传输具有超低时延需求的电力业务,如源网荷储协同互动的刚性场景紧急控制、分布式馈线继电保护等[26]。
除上述5G网络切片之外,电力物联网可以提出行业专用切片。以江苏省电力公司的源网荷储供需互动系统为例,一个物联网终端同时接入到3套系统的通信,ms级紧急负荷控制系统以光纤通信方式接入,向上连接到控制I区,s级常规负荷控制系统以光纤接入到生产控制大区,min级用电信息采集及控制系统以光纤接入到管理信息IV区。光纤通信的建设成本巨大,未来可通过5G技术实现3种不同的电力切片分别接入不同控制区域,以实现源网荷储系统不同优先级的协同控制优化。
2）5G组网方式。
国际标准化组织3GPP(3rd Generation Partnership Project)给出了8种不同的5G组网方式,主要分为独立组网(standalone,SA)和非独立组网(non-standalone,NSA)2种类型,选项1、2、5、6属于独立组网,选项3/3a、4/4a、7/7a、8/8a属于非独立组网。结合5G最新进展(选项1、6、8/8a已被抛弃),本文对适用于电力物联网不同场景的5G组网方式进行分析(如附图A3所示)。
选项2是电力物联网最理想的5G组网方式,采用5G核心网+5G基站,能够满足电力物联网主要业务的通信需求,但是建设成本较高。基于经济性考虑,建议选项2应用于电力物联网终端数量较多并且对业务带宽需求大,时延敏感的场景,如用户密集区负荷的源网荷储协同互动、城区道路的电动汽车自动驾驶、城区电网的继电保护等。对于用户稀疏的偏远地区的电力物联网业务选择此方式需慎重考虑。
选项3a是电力物联网向最理想的选项2的过渡组网方式。在4G网络正常工作的同时,通过新建5G基站来扩展带宽,其业务数据由5G基站直接传到4G的核心网,但控制数据通过4G基站转接到核心网。选项3a适用于电力物联网业务对带宽需求较大,对时延敏感度稍低的业务场景,如电力系统高清视频监控、无人机巡检等。考虑到该方式依然采用4G的核心网,带宽和时延可能受限,可将计算能力下沉到核心网之下。以电力系统高清视频监控为例,利用5G接入网的超高带宽将实时视频传回基站,在核心网之下部署边缘计算平台,通过人工智能分布式算法对电力系统监控视频进行处理,做出初步故障监测及诊断,卸载电力物联网视频监控终端的数据处理、图像渲染等能力,在降低终端设备成本的同时业务时延并不会显著增加。
选项4/4a是电力物联网最理想的选项2的补充组网方式。在5G通信网络正常工作的同时,利用原有4G基站扩展覆盖范围,4G的业务数据直接进入核心网(选项4a)或先传到5G基站再进入核心网(选项4)。此选项的5G基站可接入业务与选项2完全相同。由于5G的部署进度与终端设备的密度成正相关,在5G没有覆盖到的地区,可利用4G基站在电力物联网终端密度相对较小的地区传输对带宽和时延没有严苛要求的业务,如源网荷储协同互动的居民柔性负荷调控以及家用分布式电源的数据采集与监控等。
此外,在倡导电力企业集约化发展的背景下,面向电力物联网业务的5G网络建设既要考虑频谱的稀缺性又要考虑电力行业安全稳定的特殊需求以及经济成本等因素。如附图A4所示,未来承载电力物联网业务的5G网络将会以5G专网、5G共网、5G公网3种形式存在。5G专网从接入网到核心网全部由电网企业建设,主要用于传输与电力生产控制密切相关的业务,如继电保护,电力系统精准控制等。5G共网由电网企业和电信运营商企业共建,通过5G基站及核心网的设施共享,扩大网络覆盖范围,实现互利共赢。5G公网是指电网企业租赁电信运营商的5G网络切片来传输电力物联网业务。5G共网和5G公网主要用于传输电力物联网数据采集等管理信息大区的非控制业务以及互联网大区的新型业务,在进行充分安全论证的前提下,也可传输少部分生产控制大区业务。
未来电力物联网5G的发展及建设还可以进行新的业务模式探索,如基于电力行业需求的定制化运营商5G切片租赁,5G基站的能耗管理以及参与需求响应、电力辅助服务、新能源消纳等。
2.2.2 EON技术的应用电力物联网新业务的发展将造成电力通信网带宽的显著增长,而传统波分复用网络使用固定的50 GHz频隙带宽,无法根据业务需求进行灵活调度,造成频谱资源浪费,在电力大数据中心、电力容灾备份中心以及光伏云网等核心服务器节点将出现带宽瓶颈。弹性光网络通过将最小频隙(frequency slot,FS)降低到12.5 GHz或6.25 GHz,并支持FS连接形成更大的连续频谱,降低频谱的最小可调度颗粒度,提升电力通信网对电力物联网业务的承载能力以及调度的灵活性。弹性光网络在频谱利用率上的优势将通过附录A5中的例子进行详细阐述。
如果将电力物联网所有通信节点都升级为EON,经济成本太高,绝大多数电力物联网业务(如电动汽车服务、源网荷储协同互动、新能源云等)都是在省级及以上电力通信网节点带宽不足的劣势才更加明显。先通过建立混合整数线性规划模型(mixed integer linear program,MILP)计算出最优的电力通信网带宽瓶颈节点和网络核心节点升级方案,然后利用频域子波段虚级联技术实现不同节点间的互通互联[62],基于EON和WDM跨域混合组网,实现源网荷储协同互动等电力物联网业务从用户终端到云端服务器的贯通传输。
为解决电力物联网中的EON路由和频隙分配问题,针对源网荷储协同互动业务调控对象成组出现(如负荷批量调控)且保持动态变化的特点,在保持EON频连续性和一致性的情况下,可采用多播和选播的方式构建频隙路由。针对电动汽车云平台和新能源云平台向电力大数据中心发起的数据分析请求,采用单播频隙路由,而针对多个大数据中心之间的数据同步备份,可采用多播频隙路由。因此需要结合电力物联网业务需求对EON网络进行单播、多播、选播、任播、混播等多种场景协同的路由和频谱分配[63]。针对电力物联网的超长站距传输的业务和跨区域传输的业务,比如西北地区的新能源云实时发电数据采集等业务向中东部地区的数据中心及调控中心传输时,需要对大规模网络的传输成本进行控制,严格控制路由跳数[64]。同时利用大数据对区域之间的电力物联网业务流量进行预测,实现静态频隙路由分配和动态流量疏导相结合,设计最佳动态路由启发式算法,通过碎片整理技术进一步提升网络的资源利用率[65]。
为解决EON网络中的电力物联网业务传输的可靠性和生存性问题,可对业务时延和带宽敏感度进行差异化分析。针对高可靠性和时延敏感业务(如源网荷储协同互动的负荷紧急调控业务)利用资源预留技术实现带宽的智能分配和调度[66]。针对一些常规的电力物联网业务(如源网荷储协同互动的柔性调控负荷状态信息采集)可采用P圈等频隙路由的共享保护等算法。然后结合电力物联网业务的服务等级协议(service-level agreement,SLA),采用专有保护和共享保护相结合的算法来提升网络的生存性[67]。采用深度学习算法对电力物联网的业务流量进行预测,实现IP Over EON的电力物联网“IP+光”跨层联合优化以应对软硬件故障[68]。对电力物联网的瓶颈节点和核心节点,如国调、区域调度中心、电力大数据中心、新能源云平台、电动汽车云平台以及其他的电力物联网业务中心相关的通信节点,可以实现通信网N-2保护,以提升电力物联网的可靠性。
2.2.3 SD-WAN技术的应用电力物联网的发展会使得电力通信网承载的业务种类越来越多。与电力生产控制密切相关的业务(如源网荷储的刚性调度信息、分布式馈线继电保护、电力设备的监测信息等)采用电力通信专网进行传输,其中部分业务采用光纤专线传输(如源网荷中的电力大用户ms级负荷紧急控制),有的业务采用电力综合数据网进行传输(如电力企业智能办公业务等),而有的业务可以采用互联网进行传输(如新能源云网的气象信息监测等)。未来由于5G等新技术的应用,业务传输方式还会进一步发生改变,从而导致多种通信技术体制并存,手动配置将会导致管理紊乱,降低系统的稳定性。如附图A6所示,通过SD-WAN将SDN技术应用到广域网中来提升网络调度的灵活性,实现电力通信专网(含裸光纤、SDH/MSTP专线、MPLS/ VPN)、互联网VPN、5G等多种通信技术的统一接入及一体化调度,构建更加智能高效的电力物联网通信架构。
为了解决上述电力物联网业务通信设施的参差不齐,种类繁多的问题,可采取：1）SD-WAN可以通过在电力通信网的站点部署分布式代理。使用Overlay网络来转发数据流,屏蔽不同通信网络的细节和设备差异[69],实现无差别的控制,如新能源云的出力数据采集过程中,原有的网络多采用光纤/PLC通信来实现数据上传,未来可采用5G/互联网等方式来传输。SD-WAN可以实现二者的兼容,利用协议无感知的快速路由算法来提升全网的运行效率和扩展性[70]。2）使用MPLS标签对Overlay网络数据面进行封装,实现控制功能下沉到代理节点,适配MPLS数据平面[71],从而可以实现电力物联网的全网集中式通信路由控制和本地分布式通信路由控制相结合。以综合能源的优化为例,分布式通信路由可以优先实现多种能源形式的供能、用能、储能设备在小区级别的本地能源消纳及优化控制,不需要通过云端服务器。对于本地无法满足能源消纳或能源需求的情况,实行区域之间的联合优化,既可以有效降低通信时延,又可以使用2种路由方式进行互补备份。
针对承载电力物联网业务的不同通信方式带宽、时延、可靠性等参数不一致问题,如目前的源网荷储协同互动中的电力大用户负荷紧急控制主要采用成本过高的光纤进行通信,未来使用5G等方式进行通信,可能会出现通信性能的差异。通过建立QoS映射体系,可以实现电力物联网业务跨系统的保证QoS可用性传输。在使用相同的通信方式时,可以针对应用级的QoS需求进行智能选路(如5G网络,传输常规的负荷状态信息采集和传输源网荷储互动的大用户负荷紧急调控,二者的QoS差异较大导致路由不同)。在对业务的QoS需求进行统计和网络状态评估之后,使用线性规划程序来计算最佳路径,并通过剪枝法实现多项式时间的路径求解[72],基于网络状态特征的测量和分析,实现QoS路由的网络风险控制[73]。针对时延和可靠性非常高的电力物联网业务(如继电保护、电力调度等),可以通过对SD-WAN控制器的架构进行创新,实现虚拟专线的复用和保障[74]。同时利用分布式控制的主备机制,实现单节点故障的快速恢复[75]。
针对面向电力物联网的通信网安全问题,首先需要严格按照国家对计算机系统的安全防护标准GB/T 22239—2019《信息安全技术网络安全等级防护基本要求》及相应业务在电力行业相关的安全防护规范(如与源网荷负荷控制等相关的业务要遵循DL/T1527—2016《用电信息安全防护技术规范》),严格落实电力通信网络的安全分区。在接入网建立安全接入区,在骨干网通过互联网大区作为缓冲,对工程性技术在施工前应进行充分论证,然后利用大数据技术进行通信网流量的异常监测及预警,限定电力物联网业务的运行时间(如光伏发电的正常出力时间限定在当地的日出与日落之间)。通过自动协议逆向分析,在不访问其规范的情况下,提取网络协议结构,对整个电力通信网中的不同通信协议体系进行研究,建立面向电力物联网业务应用建立动态安全防护体系。对于一些关乎电网安全稳定运行的核心业务,如电力系统调度、源网荷的刚性调控场景等可以通过建立进程白名单的方式对其进行访问控制。
电力物联网的发展会使得电力通信网的通信技术发生较大改变,5G等新技术的应用会改变当前电力通信接入网以光纤及PLC为主的通信方式,EON、SD-WAN等技术的应用会推动电力通信网向公专合用一体化通信网发展。
3 面向电力物联网新业务的通信网发展趋势电力物联网新业务的不断涌现会对电力通信网的发展产生重要影响。如附图A7所示,本章以下从6个方面对电力通信网的发展趋势进行概括：通信组网融合化发展、通信调度灵活化发展、通信设施共享化发展、通信运维智能化发展、通信风险平衡化发展、通信安全动态化发展。
3.1 通信组网融合化发展面向电力物联网新业务的电力通信网组网将朝着网络融合的方向发展。在通信技术方面,网络接入层的PON、PLC、230 MHz无线专网、5G等多种技术并存,通过联合组网来满足电力物联网不同业务的差异化需求。电力物联网终端根据现场环境可选配支持2种及以上的通信方式,实现网络融合环境下的通信自由切换,提升通信质量。网络骨干层的SDH、OTN、EON等传输技术共同发展,通过SD-WAN技术实现多种技术的统一调度,依据电力物联网的业务带宽容量、时延等级、可靠性要求等指标实现电力物联网业务的最佳传输匹配。
3.2 通信调度灵活化发展面向电力物联网新业务的电力通信网调度将向着更加灵活化的方向发展。一方面,从网络接入层到网络骨干层要根据电力物联网对通信网性能的要求,通过SD-WAN实现通信方式的灵活选择和通信带宽、频谱资源的动态分配,提升通信资源的利用率。另一方面,通信调度要将集中式调度、分布式调度、集中式与分布式调度的自主切换相结合。为电力物联网的全网业务(如源网荷储协同互动)提供集中式全局最优通信调度,为电力物联网的局部业务(如分布式能源P2P交易)提供分布式通信调度。集中式调度应能够灵活切换到分布式通信调度,以避免瓶颈节点故障引发全网通信调度故障。
3.3 通信设施共享化发展面向电力物联网新业务的电力通信网基础设施将实现资源共享化、集约化发展。一方面,要充分复用电力通信网现有的基础设施,并且用于电力物联网的不同环节(发电、输电、配电、用电)的业务系统要通过VPN、网络切片等形式来共享通信设施,最大限度发挥通信设施的价值,避免重复建设和资源浪费。另一方面,在保证安全性的同时,通过通信协议适配和网络映射,打通电力通信专网与运营商公网的壁垒,实现二者在无线基站(含4G/ 5G等)、光纤资源等通信设施上的共享。通过SD-WAN平台,研发专网与公网协同调度的最优化通信资源调配模型,打造基于通信设施共享的电力物联网平台。
3.4 通信运维智能化发展面向电力物联网新业务的电力通信网基础设施的运行维护将向着更加智能化的方向发展。随着电力物联网新业务的发展,我国的电力通信基础设施规模越来越大,种类越来越复杂,重要性越来越强,需要依靠自动化、智能化技术对电力通信设施进行管理和运行维护。对电力通信网基础设施建立实物ID,支持工业互联网(industrial internet,IIT)在电力行业的标识解析应用,实现通信设施的全生命周期管理。建立电力通信网一体化运行管理平台,通过软件定义技术实现通信设施的一键配置管理,基于通信运维及故障管理的大数据分析,从而实现电力通信网设施的故障预警。研发支持综合运维的新型移动作业终端,对多种电力通信设备进行操作,有效支撑电力通信网智能化运维,更好地服务于电力物联网业务。
3.5 通信风险平衡化发展面向电力物联网新业务的电力通信网将向着风险平衡、可靠性提升的方向发展。除物理因素(光纤同沟同缆等)外,电力物联网多个业务中心之间复杂的业务交互也会导致其通信风险进一步增大,通过网络的虚拟化和跨层联合优化对电力物联网业务建立共享风险模型(shared risk model,SRM),使用大数据对电力物联网的业务风险特性动态统计,实现区分业务QoS需求的电力物联网业务通信风险均衡。对于电力物联网业务发展中的关键通信节点(如电动汽车服务、源网荷储协同互动的各种业务中心、汇聚中心站等)之间的通信网络,实现N-2保护,最大限度降低电力物联网的网络风险,提升网络可靠性。
3.6 通信安全动态化发展面向电力物联网新业务的电力通信网安全将向着基于物理分区实现动态防御的智能化方向发展。电力物联网新业务不断涌现,对应的新技术也不断发展,通过建立动态防护体系,增强对电力物联网新业务的适应能力。基于自动协议逆向工程实现电力通信专网与运营商公网协同运行状态下的多种通信技术并存的协通信议分析,增强对未知协议的认知能力,加强通信协议层面的安全防范能力。提升网络风险管控能力,感知覆盖电力物联网各环节的网络安全态势,实现网络安全风险的智能防御,从预警信息的自动分发、安全威胁的智能分析到响应措施的联动处置。
4 结论本文结合电力通信网现状,提出在现有电力通信网中新增互联网大区以适应电力物联网的发展。先以电动汽车服务、源网荷储协同互动、新能源云等业务为例,对电力物联网新业务的通信需求进行分析,然后通过5G、弹性光网络、软件定义广域网等技术来提升电力通信网的接入能力、带宽,优化通信时延,实现支撑电力物联网的电力通信网统一调度。并从通信组网融合化、通信调度灵活化、通信设施共享化、通信运维智能化、通信风险平衡化、通信安全动态化6个方面对适应电力物联网新业务需求的电力通信网发展趋势进行展望。希望本文能够在发展电力物联网新业务的背景下为电力通信网的发展规划、运行维护和理论研究提供一定的参考价值。
