打造可靠高效运行的电网“神经系统”
——基于F5G的电力通信网创新实践
中国电机工程学会电力通信专委会委员、国网山西省电力公司数字化工作部主任 马万里
近年来，随着新型电力系统建设的不断深入，电力通信网已成为与电力实体网同生共存的第二张网。如果将电力实体网比作电力系统的“血液系统”，电力通信网就是支撑电力系统可靠高效运行的“神经系统”——其已成为电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础，是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段，是电力系统的核心基础设施。
新型电力系统建设呼唤电力通信网升级
在“双碳”背景下，新能源飞速发展，如何确保电力系统安全稳定运行、新能源高比例消纳、提升运营效率、最大程度提升客户及员工的体验，电力系统面临巨大挑战。相比传统电力系统，新型电力系统突出表现在三个方面的变化：
从电力供给看，由传统以煤电、水电为主的大电厂集中式供应，逐步加入了风电、光电等可再生能源的多样化供应主体。电力接入方式更加开放、灵活。
从电网结构看，由发输变配用单向逐级的链型网络，向以主干电网为核心，微电网、聚合商、储能等多种电网主体并存的网状网络转变。传统的发电侧、供电侧和负荷侧的角色将动态变化。
从运行特征看，由源随荷动的实时平衡控制模式，向源网荷储一体化控制模式转变。调度控制系统需获取大量实时数据进行精准预判，才能实现电网运行动态平衡，提升电网运行效能。
随着电力体制改革不断深化，电网安全、优质运行的要求进一步提高，应用新的通信架构、应用模式和通信技术为新型电力系统服务，显得尤为迫切。
在电网数字化、智能化转型中，传统意义上的电网末端将转身成为数据源端，成为实际控制电网运行的出发点和落脚点。因此，通信接入网需深度感知电网态势，从业务支撑系统转变为核心业务系统，将沿着泛在连接、超大带宽、超高可靠、超低时延四个方向持续演进。
对比已经建成的以光纤通信为主要方式的“三纵四横”电力通信骨干网，通信接入网的建设还任重而道远。
两年来，国网山西省电力公司就如何充分发挥光纤、5G、卫星等多种通信技术的优势、满足不同场景下电力终端接入需求作为突破口，展开了重点研究与探索。
试点横向整合与纵向打通
F5G（The 5th GenerationFixed Network，即第五代固定网络）作为新一代固定网络技术，具有超大带宽、全光接入和确定性体验三大特征，精确匹配新型电力系统建设对电力通信接入网的需求。
国网山西省电力公司与华为公司组成联合创新小组，基于F5G技术在网络架构优化、配电自动化和用电信息采集三个重要场景实践出一套可行的方案，并且取得了阶段性成果。
以往，电力通信网架构为倒三角形，电压等级越低带宽越小。但是随着新型电力系统建设的深化，越来越多的智慧物联终端接入到电力系统。海量的终端必将产生海量的数据。目前，地市汇聚层网络带宽以155/622M为主，已经成为发展的瓶颈。
联合创新小组基于F5G技术，研发H—OTN新型通信设备，在地市汇聚层试点横向整合和纵向打通。
横向整合是指，H—OTN集成了SDH、OLT和OTN三种设备的能力，可同时作为配网的汇聚节点、地市SDH网络的备份以及主干OTN网络的延伸。相比以往采用设备堆叠的方式，可节省50%以上的机柜占用空间；H—OTN最大支持100G带宽，并且数据完全在设备内部处理，安全性和传输效率也得到大幅提升。
纵向打通是指，H—OTN作为连接骨干网和接入网的桥梁，实现两张网络的无缝衔接。传统方式下，视频流等业务数据在两张网络之间传输时，需要经过多次数据转换，实时性差，也存在安全风险。H—OTN支持OSU硬管道穿通技术，可直接一跳送达需求方。
联合创新小组在所属太原供电公司的三个变电站展开了试点工作。现在，变电站内20多个摄像机的带宽由512K提升到10M，已经可以满足高清视频传输需要。
配电自动化的目标是实现配电网的可观、可测、可调、可控。通过部署在配网的智能传感器、智能开关等电力终端设备，联合创新小组可以实时掌控配电网络的状态，第一时间发现故障并以最快的速度解决，把影响降至最低。
如何实现这些电力终端设备安全可靠的信息传输，是一大难题。
传统的通信方式有无线传输、电力载波、光纤通信三种方式。无线传输的安全性得不到保障；电力载波易受干扰，信号稳定性较差；光纤通信是安全性、稳定性最好的通信方式，但受限于光纤资源。
为了充分利用现有的光纤资源覆盖尽可能多的配网节点，国网山西省电力公司创新地提出F5G电力接入网的解决方案。相比传统的光纤网络，该解决方案具有两大创新点。
第一是多网合一。OSU硬管道技术为不同类型的业务分配独占的时隙，实现了不同业务之间的物理隔离，使“三遥”、风控、营销等业务可以通过一根光纤传输。
第二是安全可靠。由于采用了无损工业光网技术，仅用两根光纤就可以实现业务“1+1”保护。
经过近两年的努力，国网山西省电力公司部署了1400多个光终端，配网站点的通信成功率达100%。2022年上半年，户均停电时间相比去年同期降低了27.9%。
精准负荷控制是实现源网荷储一体化的重要手段。前提是可获取实时、准确的用电信息。
传统电表数据的传输主要采用无线公网的方式。但是电表通常安装在电井和地下室内，无线信号受建筑物遮挡，很不稳定，采集成功率不高。
联合创新小组进行了国内首次光纤到表的互通尝试。通过与电信运营商共建共享的合作模式，光纤从配电室延伸到电表，实现了电力计量数据的高效、可靠传输。
这项光纤到表的试点工作覆盖了8个台区的2600块电表。一年以来，所有的数据采集、传输成功率达100%。
打开物理世界与数字空间实时交互的“新通道”
联合创新小组将合作的创新和实践成果进行了总结提炼，形成《F5G电力全光网架构与技术白皮书》，提供给业界同行参考。白皮书中，提出了基于F5G技术的电力通信目标网架构，详述了在新型电力系统建设背景下通信网络的设计原则和关键技术。
F5G电力全光网架构融合的SDH、OTN、OSU多种技术，可以灵活承载各种业务，满足从2M—100G任意速率的业务接入的传输需求。未来，随着通信技术的不断成熟，接入网络将集通信、感知、计算能力于一身，通过亚毫秒级时延、厘米级定位、毫米级成像、光纤精密感知等关键技术，实现“通信感知融合”，打开物理世界与数字空间实时交互的“新通道”。
国网山西省电力公司将秉持开放合作、创新进取的精神，与华为及业界同仁一起，为新型电力系统构建安全可靠、技术领先、面向未来的下一代电力通信网。
