新一代低压电力线宽带载波通信助力新型电力系统技术白皮书

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᫝̭АᏁ⩕ ᕨ㐀̻ᆂ᱈ 1. 新型电力系统发展趋势及挑战 引言 新 型 电 力 系 统 的 显 著 特 征 是 新 能 源 在 电 源 结 构 中 占 据 主 导 地 位。2024 年《 加 快 构 建 新 型 电 力 系 统 行 动 方 案（2024-2027 年）》（发改能源〔2024〕1128 号）明确要求创新新型有源配电网调度模式，重点在分布式新能源、用户侧储能、电动汽车充电设施等新型主体发展较快的地区，探索应用“主配微网”协同的新型有源配电网调度模式，强化分布式资源管控能力，提升配电网层面就地平衡能力和对主网的主动支撑能力。新能源具有随机性、波动性、间歇性特点，系统调节资源需求大，且新能源大规模并网后系统呈现高度电力电子化特征，与传统电力系统相比，新型电力系统在持续可靠供电、电网安全稳定和生产经营等方面将面临重大挑战： 低压台区通信网络是电网与用户连接的“最后一公里”，是电网提升数字感知能力、数字决策能力和数字共享能力的关键。电力线载波通信技术在低压侧“最后一公里”网络覆盖、业务接入、电力信息感知等方面具有独到优势，是低压配电网数字化、智能化发展的关键。随着新型电力系统建设概念的提出，低压台区“源网荷储”多类型、强互动业务高速发展，对低压台区通信性能提出更高要求，推动低压电力线载波通信向高速率、低时延、高可靠、多业务承载方向发展。 未来，新一代低压电力线宽带载波通信（以下简称“新一代载波”）的发展将更加注重高性能、多功能化和标准化。一方面，借鉴 5G 通信技术，通过改进调制技术和优化信号处理算法，采用正交频分多址（Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access，OFDMA）等技术实现频谱资源动态分配，解决低压电网信道时变性和频率选择性衰减问题，采用 Bit-Loading、多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）显著提升信道容量满足低压载波融合多业务场景下的大数据量传输需求；另一方面，开发基于 IP 协议的新型低压电力线载波通信设备将成为可能，进一步拓展其应用场景。此外，在推进新一代载波技术产业化发展方面，还需要加速制定统一频段技术标准，推动产业化发展和跨厂商设备互联，推进载波通信的统一网管，结合大数据分析和智能管理系统，实现对通信网络的实时监控和优化调整，提升系统运行效率。 一是电网承载与消纳能力不足、反向重过载问题突出，部分台区在午间光伏出力高峰时段出现反向过载，需紧急切负荷或限功率运行。 二是调峰资源结构性短缺、煤电灵活性改造进度滞后，2025 年南方区域煤电调峰能力仅 45%，难以匹配光伏日内波动（峰谷差达 70%）。 三是技术集成与兼容性难题、设备接口标准碎片化，逆变器、储能装置与智能终端通信协议兼容性不足，导致数据互通失败率超 15%。 总之，面向新型电力系统的业务发展需求，配电网低压台区的技术发展需要实现在 400V 电压等级面向多业务多场景的统一高速通信网。结合 5G+ 通信技术的演进趋势，通信、感知、计算、控制一体化是必然的发展方向，并对低压台区的业务的云边协同控制、空间和电气拓扑识别、多维感知、就地决策具有重大的价值，需要提前布局。为推动实现“有电就有网，支撑 400V 以下全业务，覆盖千行百业，连通千家万户”，亟需研发新一代通感算控一体化高速通信技术，采用电力业务与底层通信解耦的寻址路由方案，基于应用场景进行灵活分组与本地快速路由寻址，实现多业务之间实时数据交互与协同控制，最终达到低压台区一张网，秒级感知，秒级调控，分钟级采集，助力新型电力系统发展。 四是低压侧计量、调度控制系统复杂度与可靠性矛盾突出，分布式光伏“四可”（可观、可测、可控、可调）及未来可溯源、可聚合、可交易等新业态都要求在技术层面实现“感知 - 本地通信 - 网关 - 远程通信 - 控制主站”全链条协同，多节点故障率叠加（如通信延迟＞ 500ms）可能引发连锁停电风险。 五是分布式光伏经济性与投资回报压力，低压台区数字化升级单台区成本约 12 万元，南方电网需改造的台区超50 万个，总投资压力达 600 亿元。 六是电力现货交易业务的加大加深，对于各计量点电能量、负荷等数据需要至少到“分钟级”，方能满足虚拟电厂、负荷聚合商等对 15 分钟级的实时交易盈利模型的要求。 本白皮书首先阐述新型电力系统发展趋势及挑战，分析新一代载波典型业务场景及通信需求，明确新一代载波的概念及价值，提出新一代载波解决方案，从新一代设备、新一代网络、新一代应用三个维度对新一代载波进行阐述，为推进新一代载波研究及应用提供方向，最后提出新一代载波发展建设目标和展望。本白皮书将为后续开展新一代载波标准申报与研制提供参考依据，为新一代载波企业标准、行业标准、国家标准乃至国际标准的制定提供依据。 南方电网区域分布式光伏近年来装机快速攀升，自 2022 年起连续三年实现“翻番”增长，截止目前南方电网区域分布式光伏装机容量已超过 5600 万千瓦。大部分分布式光伏未实现分钟级数据采集，电力电量预测准确率低，可参与调控的装机占比不足 5%。可观、可测能力的不足，难以精准开展电网承载力评估，同时也难以实时监视和预测分布式光伏对系统平衡及配网安全的影响；可调、可控能力的缺乏，导致系统在其他调节手段用尽后，电力电量平衡及安全稳定运行裕度不足。分布式光伏“四可”能力不足已成为制约新型电力系统运行管理水平提升的关键问题。 本白皮书主要参编单位（以下排名不分先后）：中国南方电网有限责任公司、南方电网科学研究院有限责任公司、南方电网数字电网集团有限公司、南方电网电力科技股份有限公司、广州南网科研技术有限责任公司、广东电力通信科技有限公司、华为技术有限公司、海思技术有限公司、青岛东软载波科技股份有限公司、珠海中慧微电子有限公司、深圳市力合微电子股份有限公司、江苏芯云电子科技有限公司、深圳智微电子科技有限公司、中兴通讯股份有限公司。 总之，新型电力系统在低压侧的转型需突破技术、经济与政策的多重约束，需要通过统一设备标准、优化协同控制、创新市场机制，提升分布式光伏消纳能力与电网韧性，为“双碳”目标提供底层支撑。电力系统需加速推进以计量系统为基础的低压侧智能化应用经验推广，推动低压侧从被动承接到主动调控的范式变革，其重点之一是推进新一代载波变革和产品升级换代，全面提升低压侧通信水平。 本白皮书主要参编人员（以下排名不分先后）：黄昱、杨劲锋、陈宝仁、金鑫、黄博阳、冯俊豪、刘磊、李坤和、朱海龙、谢俊毅、杜浩东、杨晨、卢建刚、施展、张思建、崔超、李波、杨志花、王晓辉、胡泽鑫、姜光兴、 程晨、黄梅莹、张胜波。 2. 新一代载波典型业务场景及通信需求 2.1.1.3 通信速率 面向未来业务需求，周期类采集频率将从 15 分钟提升至 1 分钟，实时控制类要求秒级完成。结合设备数量进行测算，业务报文的应用层速率总和至少需要增加到 108.14kbps，其业务需求如表 2-2 所示。 在新型电力系统背景下，随着低压台区向数字化、智能化方向发展，用电管理及客户服务、配电网感知及实时监控、充电桩有序充电、分布式光伏监控、负荷侧用能管理等业务不断涌现，相关业务均需要采用低压侧通信目标网统一承载，对新一代载波的通信性能和业务承载能力提出了新的需求。 2.1 典型业务场景 2.1.1 用电管理及客户服务 2.1.1.1 业务描述 用电管理及客户服务以用电数据为核心，以客户需求为导向，其主要业务包括：用电信息采集，即以智能电表为核心数据来源，采集用户电压、电流、有功功率、无功功率等关键数据，实现以电力用户为核心的电费结算、用电异常预警等功能，并依托通信网络远程执行费控操作；计量网络管理，即以智能电表通信模组为核心数据来源，采集通信网络拓扑、信道状态、设备在线状态等信息，实现对通信网络进行监测和维护；计量设备管理，即以台区终端、智能电表、通信模组、智能互感器等设备为对象，采集其运行状态、资产信息、软硬件版本信息，以实现计量设备的档案管理、软件管理、故障预警等功能，其业务需求如表 2-1 所示。 2.1.2 配电网感知及实时监控 2.1.2.1 业务描述 配电网感知及实时监控类业务目标为实时掌握配电系统的实时运行状态、及时发现故障并开展现场维护。相关功能以分支开关、智能电表、传感器等电网公司部署的设备为数据来源，采集参数包括电气参数、设备运行状态、环境状态等。相关业务主要包括配变负荷管理、低压用电管理、低压拓扑识别、分支监测、分支控制、负荷实时监测等，其业务需求如表 2-3 所示。 2.1.1.2 网络规模 同一台区不超过 500 只电表。 2.1.2.2 网络规模 2.1.3.2 网络规模 500 户居民用户规模台区，按 30% 用户配置充电桩估算，共约 150 个充电桩监测节点。 通常情况下，同一台区不超过 500 只电表、35 只低压分支开关。 2.1.3.3 通信速率 2.1.2.3 通信速率 面向充电桩有序充电场景，采集频率要求较高（分钟级），其控制指令下发频度较低。结合设备数量进行测算，业务报文的应用层速率总和至少需要增加到 40.37kbps，其业务需求如表 2-6 所示。 面向未来业务需求，配电监测类业务对低压分支开关的监测（分钟级）和控制实时性要求较高（秒级响应），结合设备数量进行测算，业务报文的应用层速率总和至少需要增加到 62.37kbps，其业务需求如表 2-4 所示。 2.1.4 分布式光伏监控 2.1.4.1 业务描述 2.1.3 充电桩有序充电 分布式光伏监控是指电网公司对低压台区内的分布式光伏节点进行监测和调控，以实现对分布式光伏发电波动的平抑和消纳。相关功能以用户关口表及光伏逆变器为数据来源，采集数据包括电气信息、设备运行参数、设备告警信息等，其业务需求如表 2-7 所示。 2.1.3.1 业务描述 充电桩有序充电是指通过智能调度系统动态调整充电时间和功率，实现优化电网负荷、辅助削峰填谷。相关功能以低压台区内部署的充电桩为数据采集对象，采集数据包括充电桩的电气数据、电能计量数据及运行状态数据，其业务需求如表 2-5 所示。 2.1.4.2 网络规模 2.1.5.2 网络规模 500 户居民用户规模台区配置分布式光伏设备约 40 台。 500 户居民用户规模台区，配置约 10 台储能设备和 10 台大功率空调设备。 2.1.4.3 通信速率 2.1.5.3 通信速率 结合设备数量进行测算，业务报文的应用层速率总和至少需要增加到 5.52kbps，其业务需求如表 2-8 所示。 结合设备数量进行测算，业务报文的应用层速率总和至少需要增加到 0.2kbps，其业务需求如表 2-10 所示。 2.2 通信需求分析 根据典型业务场景，新一代低压电力线载波通信需要在网络规模、通信速率、多业务承载三大方面进行提升。 2.2.1 网络规模升级 目前，南方电网已建成以载波通信为核心技术的低压台区通信网络，实现了智能电表和低压集抄的全面“两覆盖”。然而，现有通信网络主要用于计量营销领域、采集对象主要为智能电表，在“营配调融合”及新型电力系统转型背景下，已无法满足配电自动化、分布式光伏监控、用户侧需求响应等业务需求。因此，新一代载波网络接入设备将从智能电表扩展到低压台区泛在数字化设备。网络规模方面，南方电网 99% 以上的低压台区智能电表数量小于 500 台，未来不会有显著提升，估算其他接入设备最大数量如表 2-11 所示。 2.1.5 负荷侧用能管理 2