北極星智能電網(wǎng)在線訊:智能配電網(wǎng)、供電質(zhì)量、全壽命周期資產(chǎn)管理、配電網(wǎng)故障、分布式能源與微電網(wǎng)、電力通信......這些關(guān)鍵詞的出現(xiàn)源于我國智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步升入，在節(jié)能環(huán)保的號召下，這些詞出現(xiàn)的頻率或許會更高。
經(jīng)過多年建設(shè)，電力通信系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)已基本實現(xiàn)傳輸媒介光纖化，業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)化，運行監(jiān)視和管理自動化和信息化。然而，作為骨干網(wǎng)接入層網(wǎng)絡(luò)的配電通信網(wǎng)，由于節(jié)點多、覆蓋面廣、建設(shè)難度大等原因，一直以來缺乏適用的通信技術(shù)和建設(shè)模式，成為電力通信網(wǎng)發(fā)展瓶頸，制約了智能配用電業(yè)務(wù)的應(yīng)用。
無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)成熟，在國內(nèi)外電信運營商網(wǎng)絡(luò)和智能電網(wǎng)試點工程中得到應(yīng)用;全球微波接入互操作(WiMAX)采用新一代寬帶無線技術(shù)，在國外通信網(wǎng)中已成規(guī)模應(yīng)用;電力線載波(PLC)與OFDM等通信技術(shù)相結(jié)合，能夠提高傳輸帶寬和可靠性，成為近年來研究的熱點領(lǐng)域。通過對上述幾種通信技術(shù)進行深入研究比較，提出了差異化組網(wǎng)方案，為智能配用電通信網(wǎng)的建設(shè)提供參考。
一、業(yè)務(wù)需求
隨著智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)的不斷應(yīng)用，對通信網(wǎng)在安全性、實時性和傳輸帶寬方面提出更高的要求。配電自動化系統(tǒng)涉及到開關(guān)設(shè)備的控制，處于安全I區(qū);按照配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的要求，開關(guān)量變位傳送到主站小于10 s，重要遙測越定值傳送時間小于10 s，系統(tǒng)控制操作響應(yīng)時間小于5 s;配電通信網(wǎng)除承載配電自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng)本身信息量外，還需匯聚智能用電網(wǎng)的語音、數(shù)據(jù)和視頻信息。
以1座110 kV變電站20條配網(wǎng)出線、100臺配變;1臺配變120戶居民用戶，6戶三相工商業(yè)用戶的典型配置，每條配網(wǎng)出線業(yè)務(wù)流量統(tǒng)計見表1所列。
其中，配電監(jiān)控只考慮重要節(jié)點，用電業(yè)務(wù)信息以每臺配變?yōu)榻y(tǒng)計節(jié)點。根據(jù)計算，每回配網(wǎng)線路至變電站的傳輸帶寬應(yīng)不小于18 Mbit/s，變電站用于配用電網(wǎng)業(yè)務(wù)出口帶寬應(yīng)不小于360 Mbit/s。
從信息量統(tǒng)計可以看出，配電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)節(jié)點多，數(shù)據(jù)流向集中，帶寬需求大，宜采用專網(wǎng)方式通信，提高傳輸帶寬和可靠性，目前，適用于配電網(wǎng)的通信技術(shù)主要有PON、WiMAX和寬帶PLC。
二、現(xiàn)狀及存在的問題
配電通信網(wǎng)目前主要與城市實施的配電自動化系統(tǒng)配套建設(shè)，從實施配電自動化的通信系統(tǒng)發(fā)展總體看，東部沿海地區(qū)及發(fā)達城市開展情況較好，覆蓋率相對較高;中、西部地區(qū)只有少量試點，覆蓋率較低?？傮w而言，配電自動化及其配套通信系統(tǒng)目前仍處于小規(guī)模應(yīng)用階段，尚未大規(guī)模展開建設(shè)。目前，配電通信網(wǎng)多采用光調(diào)制解調(diào)器、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)、中壓電力線載波、無線公網(wǎng)等通信方式。
目前，在運的配電通信網(wǎng)大多為各地各部門根據(jù)實際需要分散建設(shè)，缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，技術(shù)體制和建設(shè)標準在各地相差甚大，電力通信基礎(chǔ)資源不能得到有效利用。大量業(yè)務(wù)應(yīng)用依賴于公網(wǎng)運營商網(wǎng)絡(luò)，受無線公網(wǎng)通信技術(shù)體制、運營性質(zhì)和通道安全性制約，導(dǎo)致相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用標準和技術(shù)指標降低，信息安全存在風(fēng)險，嚴重制約智能配用電的發(fā)展。
三、智能配電網(wǎng)通信技術(shù)
3.1 PON技術(shù)
無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)是一種點到多點(P2MP)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，由系統(tǒng)側(cè)的光線路終端(OLT，Optical Line Terminal)、光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN，Optical Distribution Network)和用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU，Optical Network Unit)組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
OLT放在中心機房，既是一個交換機或路由器，又是一個多業(yè)務(wù)平臺，它提供面向無源光網(wǎng)絡(luò)的光纖接口(PON接口)。ONU放在用戶設(shè)備端附近或與其合為一體，提供面向用戶的多種業(yè)務(wù)接入，根據(jù)ONU在所處位置的不同，PON的應(yīng)用模式又可分為光纖到路邊(FTTC)、光纖到大樓(FTTB)、光纖到辦公室(FTTO)和光纖到家(FTTH)等多種類型。ODN完成光信號功率的分配，為OLT與ONU之間提供光傳輸通道，按照其連接方式不同主要可分為星型、樹型、總線型和環(huán)型結(jié)構(gòu)。
PON系統(tǒng)從OLT到多個ONU下行傳輸數(shù)據(jù)采用廣播的方式，根據(jù)IEEE 802.3ah協(xié)議，每一個數(shù)據(jù)幀的幀頭包含前面注冊時分配的、特定ONU的邏輯鏈路標識(LLID)，該標識表明本數(shù)據(jù)幀是給ONU(ONU1、ONU2、ONU3、…、ONUn)中的唯一一個;另外，部分數(shù)據(jù)幀可以是給所有的ONU(廣播式)或者特殊的一組ONU(組播)。對于從多個ONU到OLT上行數(shù)據(jù)，采用時分多址(TDMA)技術(shù)分時隙給ONU傳輸上行流量。OLT會根據(jù)系統(tǒng)的配置，給ONU分配特定的帶寬，或采用動態(tài)帶寬分配策略。PON系統(tǒng)上下行工作機制如圖2所示。
目前，市場上主流的PON產(chǎn)品有以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)和吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)兩大類。EPON在物理層采用了PON技術(shù)，在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入。GPON能夠提供非對稱高傳輸速率，可以同時承載ATM信元和GEM幀。EPON和GPON主要技術(shù)指標對比見表2所列?？梢钥闯?，GPON在業(yè)務(wù)承載能力和網(wǎng)絡(luò)管理方面更具優(yōu)勢，隨著GPON產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用，其與EPON在成本方面的劣勢也不斷縮小。
3.2 WiMAX技術(shù)
全球微波接入互操作(WiMAX)是一種無線寬帶城域網(wǎng)(WMAN)接入技術(shù)，其物理層和MAC層均基于IEEE 802.16工作組開發(fā)的無線城域網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)固定及移動用戶的高速無線接入。
WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成。核心網(wǎng)包含網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、路由器、AAA代理服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)關(guān)設(shè)備，主要實現(xiàn)用戶認證、漫游、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，并提供與其他網(wǎng)絡(luò)之間的接口。接入網(wǎng)中包含基站(BS)、用戶站(SS)和移動用戶站(MSS)，主要負責(zé)為WiMAX用戶提供無線接入。WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
WiMAX系統(tǒng)采用了包括正交頻分復(fù)用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)、自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC，Adaptive Modulation andCoding)等多種技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和抗干擾性能。
3.3 OFDM
OFDM是一種并行傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)，它將高速串行數(shù)據(jù)變換為低速并行數(shù)據(jù)，用多個正交的載波構(gòu)成子信道分別調(diào)制并行數(shù)據(jù)，并通過增加循環(huán)前綴用以消除多徑傳輸引起的符號間干擾。由于OFDM技術(shù)在對抗多徑衰落、抗窄帶干擾多址接入和信號處理方面顯示出的優(yōu)勢，被公認為下一代無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。圖4是OFDM系統(tǒng)基本原理。
3.4 MIMO
MIMO通信系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多個天線，各發(fā)射接收天線間的信道響應(yīng)獨立，可以創(chuàng)造多個并行的空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率成倍提高，經(jīng)證明，MI-MO系統(tǒng)的容量隨最小天線數(shù)的增加而近似線性增加。MIMO系統(tǒng)能最大成度地利用無線信道的信道容量，實現(xiàn)高速可靠通信，成為無線通信領(lǐng)域內(nèi)最炙手可熱的技術(shù)之一。MIMO系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。
3.5 PLC技術(shù)
電力線載波通信(PLC)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，利用電力線纜作為傳輸媒質(zhì)，通過載波方式傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，具有可靠性高，抗破壞能力強，不需要另外架設(shè)通信線路的特點。
電力線載波通信在35 kV及以上電壓等級的高壓輸電線路中已大量應(yīng)用，主要承載調(diào)度電話、遠動和繼電保護信息。中低壓電力線載波目前主要為配電自動化系統(tǒng)、遠方集中自動抄表系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。目前，電力線載波通信采用40~500 kHz傳輸頻帶，傳輸速率為幾十kbit/s。電力線載波信道復(fù)雜多變，電力線通信需要克服電力線信道中的背景噪聲和脈沖噪聲導(dǎo)致接收端相對低的信噪比(SNR)、信道的時頻變化以及電磁兼容(EMC)要求限制的信號發(fā)射功率等問題，因此，需要采取相應(yīng)的編碼調(diào)制技術(shù)來提高信息傳輸?shù)膸捄涂煽啃浴?br /> 目前，寬帶電力線載波通信技術(shù)采用OFDM自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)、卷積編碼、信道估計等技術(shù)，能夠很好地適應(yīng)電力線信道特性，保證了通信帶寬和可靠性。許多研究機構(gòu)開展了高速電力線技術(shù)的研究和開發(fā)，產(chǎn)品的傳輸速率也從1 Mbit/s發(fā)展到2 Mbit/s、14 Mbit/s、45 Mbit/s，甚至200 Mbit/s。
四、技術(shù)比較
在傳輸帶寬方面，目前10Gbit/s速率的PON產(chǎn)品也已投入商業(yè)化運行，WiMAX和寬帶PLC技術(shù)只有幾十上百兆帶寬。PON作為光纖接入技術(shù)，相對于無線通信和電力線載波通信具有先天性優(yōu)勢。
傳輸距離方面，盡管PON網(wǎng)絡(luò)均為無源器件，其傳輸距離仍達到20 km;WiMAX系統(tǒng)具備非視距傳輸能力，采用OFDM和MIMO技術(shù)后能有效對抗衰減和多徑干擾，其理論傳輸距離可以達到50 km，而實際組網(wǎng)中，為保證傳輸速率和信號質(zhì)量，覆蓋半徑一般為幾千米;PLC系統(tǒng)由于電力線信道的惡劣性，傳輸距離較短，一般只有幾百米。
經(jīng)濟性方面，由于配電通信網(wǎng)建設(shè)覆蓋范圍廣，采用PON網(wǎng)絡(luò)光纖敷設(shè)工程量大，投資高;無線專網(wǎng)和電力線載波利用無線信道和已有電力線作為傳輸媒質(zhì)，不需要額外鋪設(shè)通信線路，組網(wǎng)速度快，建設(shè)成本低。相對而言，無線和電力線載波網(wǎng)絡(luò)在投資經(jīng)濟型、布網(wǎng)快速性、施工難度以及后期運行維護等方面更具優(yōu)勢。
五、智能配電通信網(wǎng)組網(wǎng)方式
通過上述章節(jié)對幾種配電通信網(wǎng)適用技術(shù)的綜合比較，結(jié)合各地配網(wǎng)自動化規(guī)劃建設(shè)情況，配電通信組網(wǎng)可以分為以下兩種模型。
(1)配網(wǎng)自動化覆蓋區(qū)域內(nèi)。配網(wǎng)自動化站點包括柱上開關(guān)、開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、配電室等，需要實現(xiàn)三遙(遙信、遙測、遙控)功能，通信網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性和帶寬要求高，通信網(wǎng)宜采用光纖方式。由于傳統(tǒng)的SDH、ATM傳輸制式投資高、建設(shè)周期長、需占用機房和電源、運行維護量大等缺點，PON以其特有的技術(shù)優(yōu)勢成為配網(wǎng)自動化站點信息接入系統(tǒng)的首選。
使用高分光比的PON系統(tǒng)，能夠在較短的時間對目標配電網(wǎng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)快速覆蓋。PON系統(tǒng)組網(wǎng)應(yīng)較好地解決配套光纜建設(shè)問題，并合理安排ODN分光網(wǎng)絡(luò)配置。對新建、改造配電線路，可采用OPPC光纜;對老線路，宜架設(shè)ADSS或普通光纜。根據(jù)配網(wǎng)信息點隨配網(wǎng)線路鏈狀串接的特點，ODN網(wǎng)絡(luò)宜采用不均等分光器，以保證網(wǎng)絡(luò)靈活性和擴展性。
(2)配網(wǎng)自動化覆蓋區(qū)域外。配網(wǎng)自動化覆蓋區(qū)域外的配電通信網(wǎng)建設(shè)，考慮到“十二五”期間不實施配網(wǎng)自動化和智能用電互動服務(wù)，傳輸帶寬要求相對較低，WiMAX是較好的組網(wǎng)方式，但考慮到國家政策限制等因素，目前階段宜采用同樣投資少、建設(shè)周期短的寬帶PLC專網(wǎng)或GPRS/CDMA/3G/LTE無線公網(wǎng)方式。配電通信網(wǎng)典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。
六、面臨的問題
配電通信網(wǎng)組網(wǎng)建設(shè)要考慮到業(yè)務(wù)帶寬需求、產(chǎn)品成熟度、投資經(jīng)濟性多方面因素，此外，還需要特別關(guān)注以下幾個問題。
(1)WiMAX寬帶無線專網(wǎng)技術(shù)雖然已發(fā)展較為成熟，但在國內(nèi)沒有分配專用頻段。電力行業(yè)目前只有230 MHz一些頻點可用，該頻段并不適合WiMAX組網(wǎng)，需要向國家通信主管部門積極爭取專網(wǎng)專用頻譜資源，未來國家政策是否松動，尚不明朗。
(2)寬帶PLC技術(shù)處在發(fā)展期，其技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)環(huán)境關(guān)系密切，需要建立國內(nèi)統(tǒng)一規(guī)范標準，解決自主知識產(chǎn)權(quán)問題，實現(xiàn)核心芯片技術(shù)國產(chǎn)化，研發(fā)適用于國內(nèi)低壓配電網(wǎng)特性的產(chǎn)品和設(shè)備，逐步實現(xiàn)寬帶電力線通信的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展c
(3)無線公網(wǎng)方式具有建設(shè)周期短、成本低的優(yōu)點，但由于本質(zhì)上無線公網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)是相通的，無線公網(wǎng)通信方式的安全性、可靠性、實時性不能保證，當(dāng)接入用戶數(shù)目增加時，通信速率不能保證。因此，無線公網(wǎng)只能作為現(xiàn)階段組網(wǎng)的補充方式，且僅限于不需要遙控功能的終端通信等應(yīng)用。
七、智能配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究行業(yè)聚焦共商應(yīng)對之策
由北極星電力網(wǎng)主辦，北極星智能電網(wǎng)在線承辦，華北電力大學(xué)培訓(xùn)學(xué)院支持的“2012智能配電網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)研討會”將于2012年9月27日在北京中國國際展覽中心隆重舉行。電力通信技術(shù)發(fā)展也被列入此次研討會重要議題之列。屆時，主辦方北極星電力網(wǎng)將借助自身強大的媒體資源優(yōu)勢，邀請相關(guān)企業(yè)和行業(yè)內(nèi)資深人士就此議題進行深入的探討和解析。同時，也為與會者提供信息交流、商務(wù)洽談的有利平臺，為企業(yè)品牌拓展贏得商機的寶貴機會。聯(lián)系電話：010-85758795
配電通信網(wǎng)是電力通信網(wǎng)的重要組成部分，也是智能電網(wǎng)配電業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要支持系統(tǒng)。采用PON光纖專網(wǎng)為主，無線專網(wǎng)和寬帶PLC為輔，帶寬需求不高的區(qū)域采用GPRS/CDMA/3G/LTE無線公網(wǎng)通信方式作為補充，這種組網(wǎng)方式既能夠?qū)崿F(xiàn)配電通信網(wǎng)的快速布網(wǎng)，又能夠滿足智能配電業(yè)務(wù)對通信帶寬和可靠性的要求。
要實踐配電系統(tǒng)發(fā)展的新理念、新技術(shù)，推進配電系統(tǒng)更加規(guī)模化發(fā)展，離不開基礎(chǔ)研發(fā)，更離不開高新技術(shù)的運用，而僅僅停留在理論階段更不會讓中國的智能電網(wǎng)得到長足的發(fā)展，唯有結(jié)合實踐，在實踐中總結(jié)經(jīng)驗，才能讓智能電網(wǎng)真正騰飛。
