变电场景一体化通信技术方案

变电场景一体化通信技术方案2023年5月目录 1(二)变电业务概述 2(三)变电业务发展趋势 4二、业务需求分析 5(二)运行监测类 7(三)远程巡视类 (四)运维管理类 (五)指挥联络类 (六)小结 (二)宽带无线通信技术 (三)窄带无线通信技术 (二)安全性适配分析 (四)各类终端通信承载建议 五、一体化通信网方案 (二)建设思路 (三)技术原则 (四)建设方案 (五)主要结论 六、工作要求 运行保障、设备安全运维的挑战和压力不断增加，变电站(换流站)智能化运维、精益化管理要求持续提升，亟需深化有线、无发展的新趋势，匹配变电站、换流站各专业业务(以下简称变电(一)变电业务系统架构非控制区(安全Ⅱ区)及管理信息大区(安全IV区)。安全IV区主要包含运行监测类(无线)业务、远程巡视类、调度控制系统内重M同X生产控制类新-代变电站集中监控系统其控系统发布服器集控站设督监控系统无域水检传感器运行监测类(无线传感)运行监测类手持终璃智能安全幅管理信息大区主站业务系统平台安全联(二)变电业务概述变电站作为电网重要的能源传输节点之一，承担了电网生产运行和控制等功能。按照各业务系统部署区域和终端接入需求，变电业务分为生产控制、运行监测、远程巡视、运维管理、指挥1.生产控制类远动装置等，部署在安全I区，主要用于电网在发生故障时，能快速动作、采取有效预防性控制措施，保持电网稳定运行和电网SF6气体监测、消防监测等，应用系统部署在安全Ⅱ区，主要用传输以及辅助设备控制。运行监测类业务分为一般类和涉控涉敏类业务，传输数据主要是遥信、遥测、遥控信号，该类型业务主(三)变电业务发展趋势(一)生产控制类分为站控层、间隔层和过程层。部署于过程层的合并单元、智能终端或采集执行单元等设备采集一次电流、电压等电气量数据并上送；部署于间隔层的测控、保护和稳控等设备接收过程层上送数据，处理后转发至站控层；站控层的数据通信网关机采集间隔层装置数据，通过调度数据网上送至调度主站和集控多功能测控过程层站控籍远动业务参数主要采用DL/T634.5101、DL/T634.5104、DL/T476等协议与主站交互数据，远传通道带宽为2M,传送方式为周期上送和变化上送。数据类型包括遥信、遥测、遥控、遥调、告警直传和远程浏览等，具体参量为电压、电流、功率开关、刀闸遥控、变压器分接头调节等控制指令，故障分析报道带宽为2M,传送方式为周期上送、变化上送以及召唤上送。精切业务参数采用DL/T634.5104协议与主站交互数据，远传通道带宽为2M,传送方式为周期上送和变化上送。数据类型远传通道带宽为2M,传送方式采用每秒25、50帧等速率传输。带宽为2M,传送方式为变化上送。数据类型包括网络安全监3.通信需求(每站)远动实时数据(四遥)200ms(本地)告警直传200ms(本地)5s(远程)1//保信保护信息200ms(本地)定值参数6min(远程)//6min(远程)//同步相量数据秒级精切实时数据(三遥)200ms(远程)1//网安件秒级11/(二)运行监测类运行监测类业务依托于变电站自动化系统和智能辅助监控系统，实现主、辅设备的各类数据采集、传送。通过网关机经调电能计量、辅助设备(含消防、安防、动环等子系统)监控的数调度主站变电站侧服务同关机综合应用主机整合结算计量2.业务参量1)一次设备在线监测参量一次设备监测类业务参数主要包括变电站内一次设备的运行数据和告警数据，站内通信主要采用DL/T860协议，变电站和主站间通信主要采用DL/T634.51设备运行数据主要包括反映避雷器、油色谱、局放、SF6等运行工况量测数据，数据通过网关机经由调度数据远传通道带宽为2M,数据传送方式为周期上送和变化上送。过网关机经由调度数据网上送至主站，远传通道带宽为2M,2)二次设备在线监测(含故障录波)参量二次设备在线监测类业务参数主要包括变电站内二次设备变电站二次系统通信报文(CMS)协议，变电站和主站间通信主要采用DL/T634.5104、CMS协议。机经由调度数据网上送至主站，远传通道带宽为2M,数据传设备或间隔的动作信号及相关故障录波(报告)信息，数据通过网关机经由调度数据网上送至主站，远传通道带宽为2M,数据传送方式为周期上送、变化上送和召唤上送。过网关机经由调度数据网上送至主站，远传通道带宽为2M,目前辅助设备监测类业务数据通过网关机采集后上传集控备运行工况的量测信息，运行通道的带宽2M,传送方式为周期上送。备(设施)的启动和反馈，门禁、电子钥匙的开关动作，空调、障和异常信息，远传通道的带宽2M,告警信息传送方式为变化上送。带宽为2M,传送方式为15分钟周期上送。数据类型包括遥信、3.通信需求1)一次设备在线监测业务一次设备在线监测业务数据主要为数据信息，具体通信指标模(每站)带宽数据信息运行数据200ms(本地)告警信息200ms(本地)2)二次设备在线监测业务二次设备在线监测业务数据主要分为数据和文件信息，具体模(每站)要求数据信息运行数据变化/周期200ms(本地)动作信息200ms(本地)告警信息200ms(本地)文件信息定值参数请求/响应6min(远程)/请求/响应6min(远程)//请求/响应根据文件大小确定//请求/响应根据文件大小确定//请求/响应根据文件大小确定///3)辅助设备监测业务辅助设备监测业务数据主要分为监测类、传感类数据，具体模(每(本地)监测类数据消防告警在线监测小时级动环数据安防响应1传感类数据5分钟可设定15分钟可设定15分钟可设定5分钟可设定21分钟-24小时实时上送1模(每(本地)数据信息15分钟周期上送分钟级15分钟周期上送分钟级(三)远程巡视类有线方式接入站端NVR设备，通过地市公司安全IV区接入省公远程巡视类轮式的检机着人工业视频事像头的检机省人并发需求，按500千伏及以上变电站25路、220(330)千伏变电站16路、110千伏及以下变电站9路同时调阅，视频清晰度(每站)(本地)数据实时图像实时及以上)实时千伏)实时及以下)实时数据数据实时(四)运维管理类运维管理类业务终端多采用无线虚拟专网方式接入省市公-移动作业板日解安全幅仪器仪表布控球表2-7运维管理类业务通信指标需求通信时延(本地)移动巡视应用数据实时实时图像、视频实时移动检修应用数据实时实时实时图像、视频实时(五)指挥联络类t0t0主站侧视频会议终端行政电话机度电话机音数据主要涉及指挥人员在使用电话终端进行会商指挥时传送电话交换交互音频实时交互音视频实时(六)小结综上所述，为满足变电站内各类业务接入需求，考虑最大并发情况，承载生产控制类业务的调度数据网(安全I区)接入带宽，500千伏及以上变电站不宜低于4Mbps,330千伏及以下变电站不宜低于2Mbps;承载监测类业务的调度数据网(安全Ⅱ区)接入带宽，各电压等级变电站不宜低于10Mbps;承载远程巡视类、运维管理类及指挥联络类业务的数据通信网(安全IV区)接入带宽，500千伏及以上变电站不宜低于155Mbps(具备条件的可提升至1000Mbps),220(330)千伏变电站不宜低于100M110千伏及以下变电站不宜低于50Mbps。具体通信带宽需求详安全分区安全I区安全Ⅱ区安全IV区500千伏及以上220(330)千伏110千伏及以下(一)有线通信技术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xPON系统光信号在封闭介质内传输，辐射性较小，泄露下行对称的1.25Gbps传输速率，GPON单PON口提供下行2.5Gbps,上行1.25Gbps传输速率。xPON达20千米。IEEE802.3标准兼容。主要由工业以太网三层交换机、二层交换噪声干扰性。数据最高传输速率为10Mbps,最大传输距离可达(二)宽带无线通信技术4G无线虚拟专网基于电信运营商4G网络，采用APN、VPN等技术，在电力系统终端、主站侧部署安全防护措施，构建面向网络侧仅能实现逻辑隔离，无法满足业务物理隔离要求，安全性4G无线虚拟专网覆盖范围广、组网灵活、带宽高，但易受小于100ms。4G(TD-LTE)无线专网技术标准与公网4G一致，分为230MHz和1800MHz无线专网。230MHz无线专网的工作频段工作频率为1785MHz-1805MHz。4G(TD-LTE)无线专网包括230MHz无线专网上行峰值速率可达14.4Mbps,下行峰值速率为7Mbps,平均速率为500kbps-1Mbps,传输时延(无线终速率为23.04Mbps,平均速率约为5Mbps-10Mbps,传输时延(无线终端至核心网)约为30ms-100ms。单基站覆盖范围市区5G软切片网络上行速率可达150Mbps-300Mbps,下行速率术实现RB(资源块)资源预留，达到时频资源完全独享，近下行速率可达5Mbps-20Mbps,方式，工作频段为2.4GHz(2.4GHz-2.4835GHz)和5GHz(单跳通信距离小于100米，Wi-Fi6网络理论峰值速率可达WAPI基于三元对等网络安全架构的实体鉴别技术(LTE-U峰值速率可达2Gbps,传输时延小于5ms,支持接入的终端数达到百万级，城区最大覆盖范围可达1千米，郊区可达2千米。LTE-U与Wi-Fi及WAPI网络工作在同一个频段，相NR-U(5GNRinUnlicensedSpectrum)即非授权频谱的5G同的超高带宽、超低时延和超大容量等性能优势。NR-U网络NR-U峰值速率可达20Gbps,时延小于10ms,支持接入的终端数达到百万级，城区最大覆盖范围可达0.8千米，郊区可达2(三)窄带无线通信技术LoRa是由美国Semtech公司推出，是一种基于扩频技术的低功耗窄带远距离通信技术，主要用于物联网终端的接入。LoRa通信技术可遵循LoRaWAN协议、CLAA协议、LoRa私有网络协议和LoRa数据透传协议。LoRa网络工作于非授权频LoRa网络带宽峰值速率为37.5kbps,体验速率10kbps。终该技术满足公司输变电设备物联网微功率无线网通信协议ZigBee由国际ZigBee技术联盟推出，是一种应用于短距离由一个主节点管理若干子节点，一个主节点最多可管理254个子ZigBee物理层通信速率小于250kbps,接收灵敏度为-101dBm,单跳通信距离小于100米。ZigBee采用空闲信道评估全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES-128)的对称密码。该技术满足公司输变电设备物联网微功率无线网通信协议DL-IoT技术是一种自主可控的窄带低功耗物联网无线通信技术，工作在230MHz频段和470MHz频段。电力专用230MHz授权频段干扰小，不受470MHz频段50mW发射功率限制，且可使用更宽的频谱，可提供较高的通信带宽和较好的网络覆盖。DL-IoT采用MFSK-OFDM调制解调方式，支持多跳中继，终端带宽可达16Kbps,AP侧8信道并发可达128Kbps。城区复杂情况下覆盖可达1千米-2千米，单跳时延50ms。DL-IoT采用轻HRF(HighspeedRadioFrequency)技术是一种自主可控的窄带低功耗物联网无线通信技术，工作在470MHz-510MHz频段。HRF由主节点CCO(中央协调器)、代理节点PCO(代理协调器)和从节点STA(站点)构成。HRF主节点CCO设备最大支持1000个连接，最大通信速率不低于156kbps,网络时延小于100ms;具备Mesh组网能力，支(一)技术性适配分析无线虚拟专网(5G软切片)、无线虚拟专网(5G硬切片):软切片提供上行150-300Mbps,下行NR-U:峰值速率可达20Gbps。DL-IoT:单终端带宽可达16Kbps,AP侧8信道并发可达RS485:大面积长距离传输超过1.2千米。内约3-5千米，农村地区约15-20千米。1800MHz专网覆盖范围无线虚拟专网(5G软切片)、无线虚拟专网(5G硬切片):5G单基站覆盖半径约为300米-800米，理论连接能力为100万终Wi-Fi:单跳通信距离小于100米。WAPI:单跳通信距离小于100米。LTE-U:城区最大覆盖范围1千米，郊区可2千米。ZigBee:单跳通信距离小于100米。HRF:点对点单跳300m,组网2千米。xPON:传输平均时延为每千米5ms,业务端到端传输时延与光缆传输距离成正比，时延均小于10ms。RS485:按特定串行波特率进行数据，双绞线信号传输时延毫秒级。4G无线虚拟专网：传输时延约为100ms-1s(无安全装置),串联接入了具有纵密及认证功能的装置及安全接入区，端到端相4G(TD-LTE)无线专网：230MHz无线专网传输时延(无线终端至核心网)约为100-300ms。1800MHz专网传输时延(无线终端至核心网)约为30-100ms。无线虚拟专网(5G软切片)、无线虚拟专网(5G硬切片):传输时延小于50ms,串联接入具有纵密认证功能、安全接入区NR-U:传输时延约10-30ms。LoRa:终端到网关时延小于300ms,端到端时延为秒级。DL-IoT:端到端单跳时延50ms。HRF:端到端网络时延小于100ms。xPON:物理层，光纤不受电磁干扰和雷电影响，可以在自纤网络与配电网拓扑结构紧耦合并形成环状网络，具备N-1保RS485:使用双绞线进行高电压差分平衡传输，具有良好的抗噪声干扰性。4G(TD-LTE)无线专网：无线信道易受人为、自然界的无线虚拟专网(5G软切片)、无线虚拟专网(5G硬切片):无线信道易受人为、自然界的电磁频率干扰。软切片可靠性与Wi-Fi:采用非授权频段，无线信道易受同频段通信网络、LTE-U:采用非授权频段，无线信道易受同频段通信网络、NR-U:采用非授权频段，无线信道易受同频段通信网络、ZigBee:采用非授权频段，无线信道易受同频段通信网络、DL-IoT:无线信道易受同频段通信网络、人为、自然界的HRF:无线信道易受同频段通信网络、人为、自然界的电5.小结综上所述，在有线通信技术方面，xPON及工业以太网技术性能上能满足生产控制业务终端的接入需求，支持有线连接满足带宽及传输距离要求不高的运行监测类业务终端接入。在站各类业务带宽需求。在窄带无线通信技术方面，受带宽限制，仅支持运行监测类传感传输。针对各业务终端的通信技术性适序号专网I1单个通道带宽2Mbps时延≤200ms适用适用用2单个传感带宽：≤10kbps,汇聚带宽：节点适用节点适用适用用不适用用用适用适用时延证适用适用适用实时数据时延≤200ms,文件信息时延：分钟级3音频带宽≤64kbps图像、视频<10Mbps适用 适用)(移适用)用用不适用用用适用适用用用用用时延≤≤300ms4音频带宽≤64kbps图像、视频≤10Mbps适用适用适用适用适用适用用用用用时延≤≤300ms5音频带宽≤64kbps图像、视频≤20Mbps适用适用用不适用适用适用适用适用用用用用(二)安全性适配分析案的通知》(国家电网互联〔2021〕24号)等相关文件要求，业务终端通过无线网络(除WAPI网络外)接入安全IV区主站业务时应配置安全接入网关(高端型)和信息安全隔离装置(网闸型);站端业务装置接入安全IV区时应配置安全接入网关(低端型，融合网闸功能)。造成大区间隔离体系被破坏。使用WAPI技术的场景无需通过安全接入网关接入，避免重复加密对业务数据传输性能的影响。业务和通信终端主要部署在变电站各区域，涉及室内及室外无线网络还存在通过侧信道攻击，复制USIM卡进而非法接入的2)信号抗干扰光纤通信因光纤材料特性，对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。无线网络易受电磁干扰影响，攻击者可通过无线发射脱离管控。针对无线信号干扰暂无有效的防护措施，但干扰一般,可通过无线网络嗅探和伪基站技术，非法截获无线信号，导致无线虚拟专网(4G、5G软切片、5G硬切片)从基站设备到无线专网通过相互独立的空口物理资源(频率隔离)、基站传输板/端口、核心网/板卡和SDH通道(或综合数据网)为不同安全大区的业务提供物理隔离的通信服务，通过AP转发(二层、三层)的方案，仅实现逻辑隔离。无线虚拟专网全核心网隔离性方面。无线虚拟专网AMF、NSSF、NRF、UDM等网元运营商暂不开放行业专用，只有独立部署电网专用的AMF、SMF、UPF网元，才能实现部分控制面数据隔离和全部的用户面数据隔离，仅单独部署完整的核心网才有可能完全满足物理隔离要求；无线专网全部核心网网元都署在电力自有机房中，生产控制大区和安全IV区分别部署一套，完全满足物理隔xPON/工业以太网：为电力通信专网，可以实现严格的物RS485:可以实现严格的物理隔离，安全可靠性高。4G(TD-LTE)无线专网：信道的开放性使其安全性有所降低，与4G公网相比，实现了网络的独立专用，但在协议层无线虚拟专网(4G、5G软切片、5G硬切片):在网络侧采用双向鉴权、空口加密、信令面完整性保护、IPsec传输加密、LoRa、ZigBee、DL-IoT、HRF:微功率无线普遍工作在免授权频段，安全性较差，且频段拥挤，抗干扰能力较差，可5.小结综上，xPON及工业以太网等有线通信技术安全性高够满足各类业务的安全性要求。当采用无线通信技术时，需按照公司网络安全相关文件要求，解决数据传输和完整性风险。4G技术标准已冻结，新增安全漏洞无法通过标准协议升级进行修复，存在一定安全风险。4G无线虚拟专网、5G软切片、5G硬切片承载运行监测类和远程巡视类涉控涉敏业务终端安全性序号工业以太网专网(TD-LTE)专网5G软1生产控制类适用适用不适用2监测类高高高中中高高低低3类高高高中中高高低低4管理类中中中高中高高低低5指挥类高高中中中高中高高(三)经济性适配分析光纤专网：设备造价方面，光纤网络配套设备单价按1万4G(TD-LTE)无线专网：经济测算主要考虑建设成本、安全接入成本及终端成本三部分。建设成本方面，每座基站综合造价115万元。安全接入成本方面，接入管理信息大区时，统一配置接入网关和隔离装置，约60万元。每个终端不单独计列安全加密装置费用。终端成本方面，每台接入终端按0.1万4G无线虚拟专网、无线虚拟专网(5G软切片):经济测算共约60万元；接入生产控制大区时，统一配置汇聚侧纵向加密无线虚拟专网(5G硬切片):经济测算主要考虑UPF租费、块一次性投资，每个终端单价约0.1万元。安全接入方面，接入管理大区时，统一配置接入网关和隔离装置，共约60万元；接无线接入设备约6万元/套。安全接入成本方面，接入管理大区时，配置低端型安全接入网关，共约15万元。核心层包括AS(鉴权服务器)、AC(接入控制器),接入层包括AP(无线访问接入点)和STA(无线终端),AS(全省部署1台)按照20元/每套证书进行测算，AC(最多管理2048个AP)约为13万元/个，AP单价约为0.2万元/个，终端单价约为0.1万元/个。随着WAPI规模化应用，相关设备及模块价格将会随之Wi-Fi:相比较WAPI,不需要AS,其他设备单价类似。安全接入成本方面，接入管理大区时，配置低端型安全接入网关，共约15万元。考虑终端安全加密装置费用，每台接入终端按LTE-U:经济测算主要考虑建设成本、安全接入成本及终端成本三部分。建设成本方面，每座基站综合造价46万元。安全接入成本方面，接入管理大区时，配置低端型安全接入网关，共约15万元。每个终端不单独计列安全加密装置费用。终端成NR-U:经济测算主要考虑建设成本、安全接入成本及终端成本三部分。建设成本方面，每座基站综合造价70万元。安全约15万元。每个终端不单独计列安全加密装置费用。终端成本以一座典型500千伏变电站为例，各类业务接入终端数量约200台，视频监控类终端约为100个，其他采集类终端约为100光纤专网：单变电站配置1套OLT,配置10套ONU,或配4G(TD-LTE)无线专网：单变电站配置1套基站，网络建设成本约115万元(不考虑核心网建设),终端建设成本约204G无线虚拟专网、无线虚拟专网(5G软切片):参考通信传输设备使用寿命，终端寿命周期按10年计算，内部收益率按8%计算。网络使用成本约为47万元，终端建设成本约20万元。(不考虑安全接入成本)无线虚拟专网(5G硬切片):参考通信传输设备使用寿命，终端寿命周期按10年计算，内部收益率按8%计算，基站RB资源预留按1%计算。网络使用成本约81.20万元。(不考虑安全接入成本)终端建设成本约10万元。WAPI:单变电站配置1套AC、75套AP,网络建设成本约53万元，终端建设成本约20万元。(不考虑省集中部署的AS建设成本)Wi-Fi:单变电站配置1套AC、75套AP、1套安全接入网LTE-U:单变电站配置1套基站，网络建设成本约61万元，终端建设成本约20万元。(不考虑核心网建设成本)NR-U:单变电站配置1套基站，网络建设成本约85万元，终端建设成本约20万元。(不考虑核心网建设成本)3.小结信中，4G无线虚拟专网、无线虚拟专网(5G软切片)主要为流量费用，成本中等；无线虚拟专网(5G硬切片)技术中需租用成本有望进一步降低；4G(TD-LTE)成序号工业以太网专网1生产控制类低低2监测类低低中高中高中中高低低低低3类低低中高中高中中高4管理类中高中高中中高5指挥类低低中高中高中中高(四)各类终端通信承载建议电设备物联网微功率无线网通信协议要求的窄带通信网络承载，xPON有线通信网络承载。对于无线接入终端，可采用WAWi-Fi等宽带通信网络承载。在不具备有线接入条件时，可采用WAPI、Wi-F络承载。(一)总体架构变电站通信系统架构如图5-1所示。主站系统主要是部署国言节法和国言节法和>心金管病生产控制大区管理信息大区基控站设数握通信m通信入网A业需硫据板图5-1变电站通信系统架构图管理章大区生户腔料共语程观共业A情心号兵为安白慕置理位第用的林属amn中xPON等有线通信技术，并包含必要的网络安全设备。无线通信NR-U等宽