0 引言

2019年，国家电网公司提出了泛在电力物联网的概念，首次将能源互联网的建设划分为坚强智能电网和泛在电力物联网2个维度，目前已经发布了《泛在电力物联网建设大纲》《泛在电力物联网网络安全思考》《泛在电力物联网总体方案V7.5》《客户侧泛在电力物联网2019年建设方案》等一系列文件，重点强调全息感知、泛在连接、开放共享及融合创新4大功能^[1]。

国网各省公司围绕泛在电力物联网的战略目标，纷纷开展试点建设工作，甘肃省电力公司以“一平台、一系统、多场景、微应用”为理念，秉承节约建设思想，利用信息通信技术（Information Communications Technology，ICT）对已有的项目进行深化，并与中国电信就多站融合建设方面开展合作，致力于大数据运营模式的探索。

在学术研究方面，文献[2]给出了泛在电力物联网的释义并提出了对未来业务发展模式的展望；文献[3]针对泛在电力物联网的关键技术进行了探讨，并重点分析了未来云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能等信息化新技术在泛在电力物联网中的应用方式；文献[4]结合第5代移动通信技术在电网中的应用进行了分析。此外，还有关于泛在电力物联网智联单元^[5]、电网智能量测^[6]及边缘智能化数据处理等方面的研究报道^[7]。

泛在电力物联网通信业务具有多样化、覆盖范围广等特点，涵盖输电、变电、发电、调度等电网多个环节。除原有智能电网的信息化业务外，还引入了包括光伏云网、储能云、车联网、新能源云、融媒体云、综合能源应用平台、多站合一、数据中心、源网荷互动系统在内的多种新型业务，无论从业务模式还是组网方式上通信业务模型都发生了变化，对现有的电力通信网络发展提出了新要求。目前各省电力通信网络的建设差异较大，亟需对泛在电力物联网新型业务的通信需求进行分析，理清未来电力通信网络的发展思路。

1 泛在电力物联网网络层技术需求分析

目前泛在电力物联网主要业务可分为对内业务和对外业务^[8]，其中对内业务包括营配贯通优化提升、营销2.0建设、实物ID推广应用、“网上电网”建设、多维精益管理体系变革、基建全过程综合数字化管理平台建设、现代（智慧）供应链体系建设、数字化审计、同期线损监测治理和全达标样板工程建设、配电物联网建设等；对外业务主要包括智慧能源综合服务平台建设、云数据中心建设运营、新能源云建设、多站融合发展等，具体涉及光伏云网、储能云、车联网、新能源云、融媒体云、综合能源应用平台、多站合一、数据中心、源网荷互动系统、泛在电力物联网云-云接口、云-边接口、其他物联网数据平台互联业务等。因泛在电力物联网对内业务的通信组网方式和承载方式变化不大，本文重点分析泛在电力物联网未来对外业务需求。

对外业务方面，本文主要考虑了通信网络带宽需求、延时需求和可靠性需求3个方面，结合已有文献的报道，重点针对光伏云网、储能云、车联网、新能源云、融媒体云、综合能源应用平台进行分析；考虑到业务运行方式不同，将业务拆分为云端、站端进行分析，同时根据业务的采集需求和控制需求进行细化。

1.1 通信网络带宽

泛在电力物联网的业务主要集中于2 Mbit/s及以上的带宽需求，部分系统的站端、云端的带宽需求不同（见表 1）。根据国网公司发布的泛在电力物联网建设大纲，主要考虑2 Mbit/s等级的业务，而对云端平台或者与其他物联网数据平台互联时，数据流量通常为汇聚流量，因此颗粒度相对较高，其数据取决于所汇聚的终端数量。

1.2 传输时延

在延时需求方面，重点针对紧急控制、一般控制、采集类的业务划分了不同的等级（见表 2）。泛在电力物联网的业务时延需求不再按照站端、云端进行区分，而是根据不同系统内的数据业务特征进行区分。其中，源网荷互动系统较为特殊，涵盖了紧急控制、秒级控制、分钟级控制3类，源网荷互动系统（紧急控制）的业务优先级最高，通常要满足毫秒级的延时，而光伏云网（控制）、储能云（控制）、车联网（控制）、新能源云（控制）、综合能源应用平台（控制）等非隶属于源网荷互动系统的控制类业务，其时延要求等级相对较低，通常百毫秒量级已满足要求。光伏云网（采集）、储能云（采集）、车联网（采集）、新能源云（采集）、综合能源应用平台（采集）、融媒体云（互动）、源网荷互动系统（分钟级控制）、多站合一汇聚数据流、数据中心、泛在电力物联网云-云接口、其他物联网数据平台互联业务的实时性要求最低，时延通常为分钟级的需求。

1.3 可靠性

泛在电力物联网业务的可靠性需求与其具体所承载的内容有关（见表 3），其中采集类业务的要求最低，光伏云网（采集）、储能云（采集）、车联网（采集）、新能源云（采集）、综合能源应用平台（采集）、融媒体云（互动）、源网荷互动系统（分钟级控制）、多站合一汇聚数据流、数据中心、泛在电力物联网云-云接口、其他物联网数据平台互联业务等，误码率达到0.001等级即可满足基本要求，源网荷互动系统（紧急控制）则要求对标同级别的调度自动化通道要求；其他一般性的控制类业务要求等同于安稳系统，具体包括：光伏云网（控制）、储能云（控制）、车联网（控制）、新能源云（控制）、综合能源应用平台（控制）。但实际上，目前电力通信网络的可靠性等级已经处于相对较高的水平，而且高层协议还具有数据纠错重传等可靠性保障机制，因此上述指标的实现难度普遍较低。

2 泛在电力物联网网络层组网模式研究 2.1 通信组网模式

泛在电力物联网的业务部署方式可以进一步划分为本地业务和远端业务，远端业务可通过互联网与省级电力通信骨干网络相连，接入电力通信网，实现泛在业务的远程交互，泛在电力物联网通信组网模式示意图见图 1。在网络的接入层，通信技术种类、协议标准众多，短时间内难以统一，而且根据不同末端设备的运行环境，也并不建议采用统一的组网模型，目前主流技术主要包括EPON/工业以太网、载波、无线公专网等。

结合目前泛在电力物联网的对外业务需求分析，未来大颗粒度的泛在电力物联网业务将主要集中在外部的云端系统，而大量的分散终端则需要范围更广的网络进行覆盖，而不是依托于电力专网实现100%覆盖，因此参照国际惯例，可以考虑基于WAN（广域网）+NAN（邻域网）+HAN（本地网）的混合分层架构。目前普遍认为，泛在电力物联网对外业务将独立于现有的4个安全分区，采用互联网大区作为独立的第5大区单独建设（如图 2所示），其业务保护通过底层传输网提供备用路由和冗余保护通道，沿用已有的通信设施，不再重复性单独建设。智慧能源综合服务平台建设、云数据中心建设运营、新能源云建设、多站融合发展必然会带动新的业务需求，其业务流量将随接入用户数、设备数的增多，未来5 a内将逐步提升，因此电力通信网络的规划也可以逐步开展。

2.2 业务承载方式与应用协议

泛在电力物联网业务的承载方式可以分为电力专线类、运营商无线公网、互联网云平台类，其中电力专线主要承载泛在电力物联网已有和新建的对内业务，泛在电力物联网对外业务在电网外部可广泛应用约束应用程序协议（Constrained Application Protocol，CoAP）^[9]、消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）^[10]、可扩展信息与存在协议（Extensible Messageing and Presence Protocol，XMPP）^[11]等互联网协议。

CoAP是由IETF组织发布的互联网系列标准之一（RFC7252），是为物联网中资源受限设备制定的协议，目前已有诸多关于该协议修正方法的报道。与TCP/IP协议簇中的其他协议一样，CoAP协议带有报文头，负载与报文头之间使用固定字节隔离。CoAP协议的特征可总结如下：基于REST构架、轻量级UDP协议允许IP多播、具备重传机制、提供资源发现机制、协议小巧、使用DTLS作为安全加密层、资源消耗低、支持异步通信观察模式、支持块传输等。

MQTT为IBM开发的1种即时通信协议（Instant Messaging，IM），是专门针对物联网开发的轻量级传输协议，旨在为低带宽和不稳定的网络环境下运行的物联网设备提供网络服务。具体特点：P2P消息发布、网络连接由TCP/IP提供、有3种消息发布模式、小型传输开销低，使用具体特性通知各方客户端的异常中断等。

XMPP是目前主流的4种即时通信协议之一。基于可扩展标记语言，用于即时信息以及在线现场测探，其允许因特网上的任何用户发送即时信息，即使操作系统和浏览器不相同。XMPP的前身Jabber是1个开源形式组织产生的网络即时通信协议，国际标准组织进行了标准化。其特点为：协议公开、扩展性好、分布式网络框架、良好的弹性、安全性，而其不支持内置二进制数据传输、大批量重复转发等也是其核心缺点，目前在新的协议版本中也在探讨如何解决该问题。

2.3 通信制式

传统电力通信网络的骨干层、接入层通信技术已经相对成熟，然而由于各省建设思路和发展速度不同，导致不同地域存在通信制式不统一的情况。骨干层主流技术包括SDH、WDM、PTN、OTN等，接入层的技术种类则更加繁多，目前主流的PON、无线专网、无线公网、HPLC等技术也被大规模应用，以下分别针对骨干层、接入层的代表性通信技术对其技术特点进行分析，并从不同的维度进行对比。表 4、表 5分别为骨干层、接入层的技术适用性分析。

目前甘肃电力通信网络骨干层具备SW-A-I、SW-A-II、SW-B（在建）3种网络型式，其中SW-A-I、SW-A-II为SDH制式，SW-B为OTN制式^[12]。接入网则主要应用EPON和无线专网方式，目前已经实现了对电动汽车充电站/桩、电能质量监测、分布式电源、精准负荷控制、智能家居、仓储管理等业务的接入，随着泛在电力物联网的进一步深化，未来还将对现有业务进行拓展。

2.4 建议

对于网络连通度较低，未来电力通信网络的构建应根据业务的实际需求，本着尽量利旧的原则开展相关建设，降低不必要的开销和成本。

对于电网企业而言，大面积铺开建设完整的5G专网并不切合实际，可选择大量分散信息采集终端、控制终端的聚类中心并具备实施条件的站点进行部署，减小站址附近的布线需求，采用电力通信专网替代5G核心网进行数据回传的方式，降低系统的实施成本。

目前主流的5G组网方式共分为8种，其中Option1、Option 2、Option5和Option 6属于独立组网方式（SA组网模式），其余属于非独立组网方式（NSA组网模式）^[13]。Option1，Option4，Option6，Option8支持接入4G核心网，经过适当处理可以直接接入电力通信专网。SA组网模式由于需要新建基站、回程链路以及核心网，因此电网企业并不适合5G专网方式，而采用NSA组网模式才是更好的选择。未来还会探索5G公网+专网的混合运行模式，通过游牧式接入降低泛在电力物联网的总体接入成本。

泛在电力物联网建设将以客户服务为中心，以平台服务和数据共享为核心，因此需要进一步加强感知层的覆盖，推广智能终端、高速载波技术的应用，促进电力网与信息网的深度融合。网络层方面，需要进一步加快大规模骨干光缆的建设，通过流量疏导解决重载光缆的问题，在此基础之上优化平台层的结构、开展应用层的创新。

3 结束语

本文针对泛在电力物联网的业务需求，从泛在电力物联网网络层技术需求出发，对比分析了当前骨干层、接入层的代表性技术和协议，针对未来泛在电力物联网的发展趋势对现有技术的适应性进行了探讨，并给出泛在电力物联网建设的相关建议供同行参考。