白杰—面向新型電力系統的無線接入技術及應用方案研究.pdf

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1、國網信通產業集團 二二三年三月1E P T C 電力技術協作平臺目 錄contents1背景及需求解決方案與典型應用32無線接入技術概述24總結與展望E P T C 電力技術協作平臺3 2021年3月15日，習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議，研究實現“碳達峰、碳中和”的基本思路和主要舉措，要求深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統，為能源電力發展提供了明確的行動綱領、科學的方法路徑，對電力工業和公司轉型發展具有重大戰略指導意義。習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話新型電力系統建設意義源源荷荷儲儲網網以新能源為主體的新型電力系統能源供應 清潔消納 安全運行E P

2、 T C 電力技術協作平臺 在新型電力系統背景下，可再生能源將成為新型電力系統中的主要組成部分，電源結構、電網形態、負荷特性、運行特性、系統連貫等方面發生深刻變化。電源側新能源出力具有顯著的間歇性、波動性、隨機性等特征；電網側多種電網形態相融并存，將增加協調運行難度；負荷側向柔性、不確定、生產與消費兼具型轉變；系統側由“源隨荷動”向“源荷互動”轉變。u間歇性、波動性、隨機性強，出力預測準確性影響系統安全穩定運行。u新能源出力精準預測面臨挑戰。電源側u多種電網形態相融并存，電網協調運行難度不斷增加u大范圍資源優化配置能力面臨挑戰。電網側u剛性、純消費型向柔性、生產與消費兼具型轉變u網荷互動能力和

3、需求側響應機制面臨挑戰負荷側u由源隨荷動實時平衡，向源網荷儲協同互動的非完全實時平衡轉變u源網荷儲友好互動面臨挑戰系統側轉動慣量維持平衡平衡慣量效率減少棄風棄光；提升電網投資單位資產的電量儲能和可調節負荷應對峰谷差，2025年國網經營區內負荷峰谷差4億千瓦4新型電力系統的特征E P T C 電力技術協作平臺 新型電力系統具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動的特征，這將在源網荷儲各環節對量測感知、分析計算、智能決策、反饋控制等數字化能力提出新的挑戰，可通過通信網絡海量接入、異構融合、確定性、智能自治、輕量化安全認證等技術，解決新型電力系統對全面采集測控、實時仿真計算、智能優化協同

4、調控等共性需求，支撐“可觀、可測、可控”與“預測、預告、預警”能力建設。輕量化安全認證海量接入異構融合源網荷儲安全可控靈活高效智能友好開放互動清潔低碳量測感知、反饋控制能力信息系統開放接入能力智能決策能力新型電力系統實時推演優化能力實時仿真計算全面采集測控智能優化協同5新型電力系統對通信網絡的總體需求數字化能力需求通信網絡技術體系確定性智能自治E P T C 電力技術協作平臺6 在新型電力系統的大背景下，由于新型電力系統會大范圍接入新能源，并隨之出現綜合能源系統、虛擬電廠等新生態，使得通信網邊界變得尤其復雜，通信網流量急劇增加，業務承載負擔較大，時延要求更高；同時，新型電力系統調度對象涵蓋源網

5、荷儲各個環節，特別是在分布式新能源大規模高并發接入的情況下，采用無線技術能夠低成本快捷大量接入，但同時也使得電力無線通信鏈路在高交互過程中的安全風險增大，更容易受到干擾與攻擊。結論：需建設彈性開放、智能自治、靈活高效、安全可靠的無線接入通信網絡，滿足新型電力系統海量終端的接入，重點解決“最后一公里”通信，支撐新型電力系統的建設。海量連接越來越多的智慧物聯終端接入到電力系統；海量的終端必將產生海量的數據。業務多樣性需承載各種業務，存在多種速率的業務接入的傳輸需求；各類“源網荷儲”資源的集中調控不足。安全穩定電網特性發生變化，穩定基礎面臨挑戰；電源結構改變，從同步并網向非同步并網轉變。不確定性電源

6、端具有強不確定性；負荷端具有強不確定性；電力潮流具有強不確定性。新型電力系統對無線接入網絡的需求E P T C 電力技術協作平臺目 錄contents背景及需求解決方案與典型應用3無線接入技術概述74總結與展望21E P T C 電力技術協作平臺電力無線接入網8電力通信接入網分為遠程通信接入網和本地通信接入網兩部分。其中，遠程通信接入網主流的無線通信技術有4G/5G/NB-IoT、電力無線專網、衛星通信/北斗；本地通信接入網的主流無線通信包括低功耗長距離無線和短距離無線通信，長距離無線通信技術包括LoRa、ZeTa，短距離無線通信技術包括國網輸變電、配用電微功率無線通信、WiFi/WAPI、藍

7、牙、ZigBee、RFID等。用戶接入/多址方式傳輸距離/功耗供電中心化/分布式拓撲集中網管/本地維護E P T C 電力技術協作平臺無線公網9我國無線公網主要包含三大運營商的2G/3G/4G/5G網絡以及NB-IoT，其中5G網絡還包括廣電的700M。無線公網經過三大運營商多年的建設，形成了覆蓋廣泛的通信網絡，其應用成本較低，僅為光纖專網的7.5%，無線專網的30%。目前無線公網在電網中的應用主要以4G網絡為主，已實現鄉村級的覆蓋，具有產業鏈成熟、終端成本低、接入便捷等優勢，采用了數據加密、雙向鑒權、用戶隱私保護等安全措施，并在接入業務系統前設置安全接入區。雙雙向向鑒鑒權權數數據據加加密密用

8、用戶戶隱隱私私保保護護網網間間信信息息保保護護12.14.60.9光光纖纖專專網網無無線線專專網網無無線線公公網網某某二二線線城城市市配配網網覆覆蓋蓋投投資資測測算算（億億元元）覆蓋廣泛建設成本低安全措施E P T C 電力技術協作平臺5G通信10相比4G技術，5G在安全性、可靠性和實時性方面有較明顯的優勢，在安全性方面，5G提供增強密碼算法、用戶面完整性保護、用戶隱私保護和統一鑒權等高級安全策略，較4G網絡提供更高的安全保障。在可靠性方面，5G采用干擾協調、多點協同傳輸等技術，提高抗干擾能力。在實時性和有效性方面，最低空口時延可達1ms，通信峰值速率可達數十Gbps，鏈接密度達到百萬終端/平

9、方公里，較4G性能指標大幅提高。大規模MIMO毫米波通信網絡切片超密集網絡邊緣計算D2D用戶隱私保護用戶面完整性保護L=256 e.g.L=256 L=128 256位加密算法統一鑒權LTE5GWi-FiC CP P用戶級安全策略漫游安全vSEPPVPLMNHPLMNhSEPPIPX更先進的技術體制更好的用戶體驗更可靠的安全保障E P T C 電力技術協作平臺電力無線專網11電力無線專網（electric wireless private network），是電力公司主導建設、專用于電力業務，采用廣域無線接入技術的通信網絡系統，頻段包括230MHz和1800MHz，其中230MHz電力無線專網

10、基于電力授權的離散25kHz頻點，基于LTE技術，采用離散載波聚合及動態頻譜共享等技術，通過時分雙工傳輸方式為電力業務終端和業務系統提供寬帶通信服務。相對于無線公網，電力無線專網針對電力業務在覆蓋、安全、實時性、可靠性等方面都進行了針對性的設計和優化，適用于電網控制類業務規模應用的安全可靠承載，能夠更加有效支撐電力業務通信需求。部署靈活運維自主安全性高規?；刂艵 P T C 電力技術協作平臺本地通信12本地通信接入網指末端業務終端與邊緣匯聚終端連接的通信接入網絡，是實現業務終端網絡區域內所需信息的實時感知、監測和采集以及泛在接入最后“一公里”的重要途徑。本地通信接入網的主流無線通信包括低功耗

11、長距離無線和短距離無線通信，常見的技術有WiFi/WAPI、藍牙、ZigBee、LPWAN（LoRa、WIoTA、ZETA、HRF），以及LTE-U/Mesh，具有中低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。低功耗低成本分布式自組織實時感知、監測和采集E P T C 電力技術協作平臺衛星定位與通信13 衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電信號，在兩個或多個地面站之間進行通信的過程或方式。具有覆蓋區域大、通信距離遠、機動靈活、抗毀性強等特點，可作為支撐偏遠地區電力巡檢搶修的有效通信手段。高通量衛星：采用多點波束、頻率復用、高波束增益等技術，提高系統容量，容量可達幾十吉比特每秒到上百吉比特

12、每秒。低軌衛星：指多個衛星構成的可以進行實時信息處理的大型的衛星系統，具有軌道高度低，傳輸延時短、路徑損耗小、頻率效率高等特點。北斗衛星：不僅能提供高精度定位、高精度授時還具有短報文通信服務，短報文通信是中國北斗衛星導航系統的獨特發明，也是一大優勢。更大通信容量更小通信終端更高通信速率延時短損耗小效率高高精度定位高精度授時短報文通信E P T C 電力技術協作平臺典型技術對比14 從組網方式、傳輸距離、用戶速率、功耗、單點接入終端數量等幾個性能指標對4G/5G無線公網、電力無線專網、本地通信、衛星通信等典型技術進行了對比：無線公網與電力無線專網具備速率高的優勢，LPWAN技術具備低功耗下傳輸距

13、離遠的優勢，衛星通信具備全天候、長距離傳輸的優勢。4G/5G無線公網電力無線專網藍牙LoRaWiFi/WAPI國網微功率無線衛星通信組網方式中心式基站組網中心式基站組網基于藍牙Mesh網關基于LoRa網關基于無線路由集中器/網關組網或Mesh網關組網中心式衛星傳輸距離100m2km200m5km10m2km15km10-50m30m1km高、低軌，120到數萬km用戶速率上行最大200Mbps上行10kbps10Mbps1Mbps0.3kbps50kbpsWiFi7可達40Gbps0.3250kbps幾k到幾百Mbps功耗高高低低中低高單點接入量500-500050-1000816500500

14、02050200500數百到數萬網絡拓撲星型星型點對點，星型、網狀、廣播星型、網狀星型、網狀星型，樹型，Mesh網狀星型E P T C 電力技術協作平臺目 錄contents背景及需求解決方案與典型應用2無線接入技術概述154總結與展望31E P T C 電力技術協作平臺典型場景-有源配電網16015G電力虛擬專網硬切片單基站靜態預留RB資源。端到端硬切片內通過5QI和VLAN等技術設置端到端軟切片，承載不同控制業務。03電力控制專用UPF下沉原則上UPF下沉至地市公司通信機房，并通過電力光纖專網、DNN鏈路等提供與業務系統安全接入區的專用通道。02FlexE技術采用電信運營商提供的FlexE

15、接口隔離通道或電網自有資源將控制類業務數據傳輸至電力專用UPF。通過光纖、電力無線專網、5G電力虛擬專網硬切片、FlexE、UPF下沉等通信技術，優化傳統配電網集中調控模式，構建“分散自治、集中協同”的區域分層調控模式，承載配網差動保護、配電自動化“三遙”、精準負荷控制等業務應用，支撐配電網綠色、安全、經濟、高效運行。通信網(光纖、電力無線專網、5G切片.)E P T C 電力技術協作平臺典型場景-虛擬電廠1701云云協同虛擬電廠管理平臺與各虛擬電廠平臺之間通過光纖、5G、4G等公共通信網絡實現云云協同。03邊端協同用戶側能源管理系統與用戶底層響應終端之間通過NB-IoT、LoRa等物聯網網絡

16、技術進行實時交互，實現邊端協同。02云邊協同各虛擬電廠平臺通過光纖、5G、4G等公共通信網絡與各能源站、商業樓宇等用戶側的能源管理系統進行交互，實現云邊協同。4G/5G4G/5G光纖光纖4G/5G4G/5GNB-IoT/loRa以太網NB-IoT/loRa聚合分布式電源、儲能系統、可控負荷、電動汽車等分布式能源資源，綜合利用光纖、4G/5G、NB-IoT、LoRa等通信方式，構建源網荷儲多元協調調控體系，實現虛擬電廠電源側分布式能源高效聚合，電網側多業務信息靈活交互，需求側可控負荷的智能互動，滿足新型電力系統源荷實時平衡和安全穩定運行的需求。E P T C 電力技術協作平臺典型場景-分布式光伏

17、18針對海量分布式光伏接入和群調群控需求，融合HPLC雙模、微功率無線、WAPI、以太網、RS485等多模態本地通信方式，利用多模態網絡協作組網覆蓋優化、資源高效聯合調控、內生可信安全增強關鍵技術，實現海量終端信息的全量分鐘級采集。利用光纖、無線專網、4G、5G等遠程通信方式實現分布式光伏靈活調控。01基于用采系統的分布式光伏接入控制遠程通信由臺區集中器至用采系統，主要采用4G/5G VPN無線公網。本地通信由臺區集中器至智能電表，主要采用HPLC、微功率無線通信方式。02基于智能融合終端的分布式光伏接入控制遠程通信由智能融合終端至配電自動化主站、用采主站，采用無線專網、4G、5G、光纖等通信

18、方式。本地通信由臺區智能融合終端至光伏逆變器、智能電表，主要采用HPLC雙模、微功率無線、WAPI、RS485等通信方式。集中器電力無線專網、4G/5G VPN、光纖HPLC雙模微功率無線WAPIE P T C 電力技術協作平臺典型場景-綜合能源19園區綜合能源管理通過4G/5G、光纖、以太網、LoRa、WAPI/WiFi、CAN等多種通信方式，將感知控制終端延伸到暖通空調、配電柜、電機、風、光、儲能、電動汽車等用戶側能源設備，構建園區級源、網、荷、儲的物聯通信和智能互動體系,推動園區能源精細化、智能化管理，滿足各類園區能源綜合利用及管理的需求。01數據采集通過安裝電、水、氣、熱、冷等智能采集

19、終端，利用以太網、LoRa、WAPI/WiFi、CAN等通信方式，實現全天候、多層次的智能多源感知監測，為能源分析與決策提供數據支撐。02源荷互動通過4G/5G、光纖、電力線載波等通信方式，形成能源供給及需求側良好互動，促進新能源消納以及用戶終端能效提升，實現在節能減目標下的能源安全、清潔、節約和可持續發展，有效支撐園區綠色低碳發展。無線接入：4G/5G、eMTC、NB-IoT有線接入：光纖、電力線載波/WAPI/WiFiE P T C 電力技術協作平臺典型場景-應急通信20針對應急處置現場斷路斷電斷網的極端情況，通過衛星星鏈、北斗、飛艇、4G-U無人機基站、MESH自組網、數字對講等通信技術

20、，構建動態靈活的現場應急通信系統，實現應急現場、前方指揮部、后方指揮中心之間視頻、語音、數據的實時交互和高效協作，為搶險救災和災后重建提供通信保障。01互聯網訪問通過手機、多模通信終端與高通量衛星鏈路，實現互聯網訪問。02語音服務通過多模通信終端提供的對講及移動數據語音功能，實現語音服務。03深度覆蓋通過寬帶蜂窩專網和寬帶Mesh系統，實現通信覆蓋范圍與容量提升，減少通信盲區。E P T C 電力技術協作平臺目 錄contents背景及需求解決方案與典型應用2無線接入技術概述213總結與展望41E P T C 電力技術協作平臺22電力無線通信的廣泛應用源網荷儲等價于電力系統發、輸、變、配、用、

21、調六大環節，長期以來電網的協調穩定、安全運行，電力無線通信技術做出了重要的技術貢獻；在接下來的新型電力系統建設中，電力無線通信因其便捷靈活、形態多樣、成本較低、快速迭代的特點，更加適合海量源荷儲末端接入與控制需求，將會得到更大規模的應用。u變電現場環境監測u變電設備狀態監測u變電站機器人巡檢u視頻監控u新型配網保護u配電自動化u配電設備環境監測u主動配電網u特高壓線路監測巡視u輸電線路狀態監測u無人機巡檢u視頻監控u分布式電源接入調控u新能源電站監控u集群調度u視頻監控u電動汽車充電站/樁u精準負荷控制u用電信息采集u虛擬電廠、綜合能源核心網500kV輸電環節110kV10kV380V/220

22、VRRUBBUFTU/RTUCPE通信模塊采集器配電環節用電環節分布式基站CPE220kV變電環節CPE發電環節服務器變電站調控中心E P T C 電力技術協作平臺23隨著通信與電力業務的深度融合，將帶動新型電力系統信息流與能量流深度融合，電網和信息通信網二者形成承載能源流和信息流的新型融合電力通信網絡，通過一張網，靈活自適應變換與配置多種網絡模態實現異構融合通信能力，具備開放靈活、彈性智能、安全可靠、綠色節能等特征，滿足能源網全鏈條、全專業、全場景業務需求，提供“CaaS通信即服務”能力，助力能源產業鏈和信息產業鏈的相互促進、協同發展。電力通信的發展趨勢開放靈活彈性智能安全可靠CaaS電力信

23、息通信要素全方位開放，網絡基線全維可定義為電力調度、電網控制、設備監測、安全防護等業務部署及運行提供基礎環境網絡模態自適應切換與配置，模態融合交互、時延敏感與確定性、感知/定位/計算/AI等資源靈活編配等能力構建“感知、決策、適配”一體化的電力網絡管理與控制機制各種電力網絡模態可獨立部署和演進發展，各自智慧化管控智能化網絡配置與自治運維、主動式干擾協調控制、網絡質量透明化監測等能力提高電力網絡空間的整體安全性，抵御外來威脅、內部故障、系統漏洞等安全風險提升電力系統功能安全與網絡安全防護能力構造網絡內生主動安全防護體系，輕量化安全與分布式認證E P T C 電力技術協作平臺24電力通信要素全方位

24、開放，包括本地通信、遠程通信、衛星通信等各種技術制式的開放融合，形成地面蜂窩專網與天基衛星的統一空口接入，天地互備雙鏈路無感自適應路由；遠程本地分層分級協作計算與信息AI處理，實現全鏈路資源編排與端到端業務QoS的確定性傳輸；通信感知算力一體化靈活設計，實現無線精準感知與定位，有助于室內、變電站內、電力管廊內的智能巡檢，賦能數字/物理空間深度耦合。電力通信的發展趨勢-開放靈活E P T C 電力技術協作平臺25新型融合電力通信網絡將人工智能技術/數字孿生模型與無線網絡拓撲、無線傳輸接入協議、無線資源約束、無線分布式數據特征相適配，構建無線智能網絡架構，利用網絡分布式算力和動態運力，彈性適應各類

25、電力業務需求，實現電力通信網絡高效資源利用、自治運行和智能運維管控。智能網管系統能夠在線監測電力通信網絡的運行狀態，實時提取運行指標，全維度智能分析海量數據，實現網絡拓撲動態自適應配置、運行風險預警與告警識別、端到端鏈路質量透明監測、故障診斷與干擾自適應修正。電力通信的發展趨勢-彈性智能E P T C 電力技術協作平臺26新型融合電力通信網絡將滿足泛在安全與分布式可信認證：通過區塊鏈技術構建安全可信的數據共享通信環境，通過量子密鑰技術和輕量化加密算法提供更強大、更靈活的安全接入保證；通過隱私計算提供對電力業務隱私信息的全生命周期保護。在此基礎上建立端、邊、網、云各網元主體間的泛在交互和協同機制

26、，準確感知網絡安全態勢并預測潛在風險，通過智能共識決策機制完成自主優化演進，實現主動縱深安全防御和安全風險自動處置，從而提高電力通信網絡的整體安全性。電力通信的發展趨勢-安全可靠E P T C 電力技術協作平臺電力通信的發展趨勢-綠色節能27電力通信的綠色節能分為三個層面：一是通信終端低能耗設計，通信終端采用微源取能技術和無線微功率發射與休眠等低功耗控制技術。二是通信網絡低能耗設計，采用AI智能算法進行基于負荷、鏈路質量、多天線功放的自適應調整以降低功耗。三是電力通信網絡中，存在大量的無線專網基站、核心網、網關、UPS電源等通信設備，在電力域這些通信設備同時具備負荷和儲能角色，可有效提供電力系統需求響應和削峰填谷能力。E P T C 電力技術協作平臺28E P T C 電力技術協作平臺