智能配电网电力通信技术“引领”智能电网新革命

        经过多年建设，电力通信系统主干网络已基本实现传输媒介光纤化，业务承载网络化，运行监视和管理自动化和信息化。然而，作为骨干网接入层网络的配电通信网，由于节点多、覆盖面广、建设难度大等原因，一直以来缺乏适用的通信技术和建设模式，成为电力通信网发展瓶颈，制约了智能配用电业务的应用。

       无源光网络(PON)技术成熟，在国内外电信运营商网络和智能电网试点工程中得到应用;全球微波接入互操作(WiMAX)采用新一代宽带无线技术，在国外通信网中已成规模应用;电力线载波(PLC)与OFDM等通信技术相结合，能够提高传输带宽和可靠性，成为近年来研究的热点领域。通过对上述几种通信技术进行深入研究比较，提出了差异化组网方案，为智能配用电通信网的建设提供参考。

一、业务需求

       随着智能电网配用电业务的不断应用，对通信网在安全性、实时性和传输带宽方面提出更高的要求。配电自动化系统涉及到开关设备的控制，处于安全I区;按照配电网技术规范的要求，开关量变位传送到主站小于10 s，重要遥测越定值传送时间小于10 s，系统控制操作响应时间小于5 s;配电通信网除承载配电自动化业务系统本身信息量外，还需汇聚智能用电网的语音、数据和视频信息。

       以1座110 kV变电站20条配网出线、100台配变;1台配变120户居民用户，6户三相工商业用户的典型配置，每条配网出线业务流量统计见表1所列。

        其中，配电监控只考虑重要节点，用电业务信息以每台配变为统计节点。根据计算，每回配网线路至变电站的传输带宽应不小于18 Mbit/s，变电站用于配用电网业务出口带宽应不小于360 Mbit/s。

        从信息量统计可以看出，配电通信网业务节点多，数据流向集中，带宽需求大，宜采用专网方式通信，提高传输带宽和可靠性，目前，适用于配电网的通信技术主要有PON、WiMAX和宽带PLC。

二、现状及存在的问题

        配电通信网目前主要与城市实施的配电自动化系统配套建设，从实施配电自动化的通信系统发展总体看，东部沿海地区及发达城市开展情况较好，覆盖率相对较高;中、西部地区只有少量试点，覆盖率较低。总体而言，配电自动化及其配套通信系统目前仍处于小规模应用阶段，尚未大规模展开建设。目前，配电通信网多采用光调制解调器、工业以太网、以太网无源光网络、中压电力线载波、无线公网等通信方式。

        目前，在运的配电通信网大多为各地各部门根据实际需要分散建设，缺乏统一的网络规划，技术体制和建设标准在各地相差甚大，电力通信基础资源不能得到有效利用。大量业务应用依赖于公网运营商网络，受无线公网通信技术体制、运营性质和通道安全性制约，导致相关业务应用标准和技术指标降低，信息安全存在风险，严重制约智能配用电的发展。

三、智能配电网通信技术

3.1 PON技术

        无源光网络(PON)是一种点到多点(P2MP)结构的单纤双向光接入网络，由系统侧的光线路终端(OLT，Optical Line Terminal)、光分配网络(ODN，Optical Distribution Network)和用户侧的光网络单元(ONU，Optical Network Unit)组成，其系统架构如图1所示。

           OLT放在中心机房，既是一个交换机或路由器，又是一个多业务平台，它提供面向无源光网络的光纤接口(PON接口)。ONU放在用户设备端附近或与其合为一体，提供面向用户的多种业务接入，根据ONU在所处位置的不同，PON的应用模式又可分为光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到办公室(FTTO)和光纤到家(FTTH)等多种类型。ODN完成光信号功率的分配，为OLT与ONU之间提供光传输通道，按照其连接方式不同主要可分为星型、树型、总线型和环型结构。

PON系统从OLT到多个ONU下行传输数据采用广播的方式，根据IEEE 802.3ah协议，每一个数据帧的帧头包含前面注册时分配的、特定ONU的逻辑链路标识(LLID)，该标识表明本数据帧是给ONU(ONU1、ONU2、ONU3、…、ONUn)中的唯一一个;另外，部分数据帧可以是给所有的ONU(广播式)或者特殊的一组ONU(组播)。对于从多个ONU到OLT上行数据，采用时分多址(TDMA)技术分时隙给ONU传输上行流量。OLT会根据系统的配置，给ONU分配特定的带宽，或采用动态带宽分配策略。PON系统上下行工作机制如图2所示。

目前，市场上主流的PON产品有以太网无源光网络(EPON)和吉比特无源光网络(GPON)两大类。EPON在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。GPON能够提供非对称高传输速率，可以同时承载ATM信元和GEM帧。EPON和GPON主要技术指标对比见表2所列。可以看出，GPON在业务承载能力和网络管理方面更具优势，随着GPON产品规模化应用，其与EPON在成本方面的劣势也不断缩小。

3.2 WiMAX技术

全球微波接入互操作(WiMAX)是一种无线宽带城域网(WMAN)接入技术，其物理层和MAC层均基于IEEE 802.16工作组开发的无线城域网技术，能够实现固定及移动用户的高速无线接入。

WiMAX网络体系由核心网和接入网组成。核心网包含网络管理系统、路由器、AAA代理服务器、用户数据库以及网关设备，主要实现用户认证、漫游、网络管理等功能，并提供与其他网络之间的接口。接入网中包含基站(BS)、用户站(SS)和移动用户站(MSS)，主要负责为WiMAX用户提供无线接入。WiMAX网络体系结构如图3所示。

WiMAX系统采用了包括正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)、自适应调制编码(AMC，Adaptive Modulation andCoding)等多种技术提高网络传输带宽和抗干扰性能。

3.3 OFDM

OFDM是一种并行传输数据技术，它将高速串行数据变换为低速并行数据，用多个正交的载波构成子信道分别调制并行数据，并通过增加循环前缀用以消除多径传输引起的符号间干扰。由于OFDM技术在对抗多径衰落、抗窄带干扰多址接入和信号处理方面显示出的优势，被公认为下一代无线通信系统的核心技术之一。图4是OFDM系统基本原理。

3.4 MIMO

MIMO通信系统在发射端和接收端均采用多个天线，各发射接收天线间的信道响应独立，可以创造多个并行的空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率成倍提高，经证明，MI-MO系统的容量随最小天线数的增加而近似线性增加。MIMO系统能最大成度地利用无线信道的信道容量，实现高速可靠通信，成为无线通信领域内最炙手可热的技术之一。MIMO系统的基本结构如图5所示。

3.5 PLC技术

电力线载波通信(PLC)是电力系统特有的通信方式，利用电力线缆作为传输媒质，通过载波方式传输语音和数据信号，具有可靠性高，抗破坏能力强，不需要另外架设通信线路的特点。

电力线载波通信在35 kV及以上电压等级的高压输电线路中已大量应用，主要承载调度电话、远动和继电保护信息。中低压电力线载波目前主要为配电自动化系统、远方集中自动抄表系统提供数据传输通道。目前，电力线载波通信采用40~500 kHz传输频带，传输速率为几十kbit/s。电力线载波信道复杂多变，电力线通信需要克服电力线信道中的背景噪声和脉冲噪声导致接收端相对低的信噪比(SNR)、信道的时频变化以及电磁兼容(EMC)要求限制的信号发射功率等问题，因此，需要采取相应的编码调制技术来提高信息传输的带宽和可靠性。

目前，宽带电力线载波通信技术采用OFDM自适应调制解调、卷积编码、信道估计等技术，能够很好地适应电力线信道特性，保证了通信带宽和可靠性。许多研究机构开展了高速电力线技术的研究和开发，产品的传输速率也从1 Mbit/s发展到2 Mbit/s、14 Mbit/s、45 Mbit/s，甚至200 Mbit/s。

四、技术比较

在传输带宽方面，目前10Gbit/s速率的PON产品也已投入商业化运行，WiMAX和宽带PLC技术只有几十上百兆带宽。PON作为光纤接入技术，相对于无线通信和电力线载波通信具有先天性优势。

传输距离方面，尽管PON网络均为无源器件，其传输距离仍达到20 km;WiMAX系统具备非视距传输能力，采用OFDM和MIMO技术后能有效对抗衰减和多径干扰，其理论传输距离可以达到50 km，而实际组网中，为保证传输速率和信号质量，覆盖半径一般为几千米;PLC系统由于电力线信道的恶劣性，传输距离较短，一般只有几百米。

经济性方面，由于配电通信网建设覆盖范围广，采用PON网络光纤敷设工程量大，投资高;无线专网和电力线载波利用无线信道和已有电力线作为传输媒质，不需要额外铺设通信线路，组网速度快，建设成本低。相对而言，无线和电力线载波网络在投资经济型、布网快速性、施工难度以及后期运行维护等方面更具优势。

五、智能配电通信网组网方式

通过上述章节对几种配电通信网适用技术的综合比较，结合各地配网自动化规划建设情况，配电通信组网可以分为以下两种模型。

(1)配网自动化覆盖区域内。配网自动化站点包括柱上开关、开闭所、环网柜、配电室等，需要实现三遥(遥信、遥测、遥控)功能，通信网络安全性、可靠性和带宽要求高，通信网宜采用光纤方式。由于传统的SDH、ATM传输制式投资高、建设周期长、需占用机房和电源、运行维护量大等缺点，PON以其特有的技术优势成为配网自动化站点信息接入系统的首选。

使用高分光比的PON系统，能够在较短的时间对目标配电网区域实现快速覆盖。PON系统组网应较好地解决配套光缆建设问题，并合理安排ODN分光网络配置。对新建、改造配电线路，可采用OPPC光缆;对老线路，宜架设ADSS或普通光缆。根据配网信息点随配网线路链状串接的特点，ODN网络宜采用不均等分光器，以保证网络灵活性和扩展性。

(2)配网自动化覆盖区域外。配网自动化覆盖区域外的配电通信网建设，考虑到“十二五”期间不实施配网自动化和智能用电互动服务，传输带宽要求相对较低，WiMAX是较好的组网方式，但考虑到国家政策限制等因素，目前阶段宜采用同样投资少、建设周期短的宽带PLC专网或GPRS/CDMA/3G/LTE无线公网方式。配电通信网典型系统架构如图6所示。

七、智能配电网关键技术研究行业聚焦共商应对之策

由北极星电力网主办，北极星智能电网在线承办，华北电力大学培训学院支持的“2012智能配电网及其关键技术研讨会”将于2012年9月27日在北京中国国际展览中心隆重举行。电力通信技术发展也被列入此次研讨会重要议题之列。届时，主办方北极星电力网将借助自身强大的媒体资源优势，邀请相关企业和行业内资深人士就此议题进行深入的探讨和解析。同时，也为与会者提供信息交流、商务洽谈的有利平台，为企业品牌拓展赢得商机的宝贵机会。联系电话：010-85758795

配电通信网是电力通信网的重要组成部分，也是智能电网配电业务应用的重要支持系统。采用PON光纤专网为主，无线专网和宽带PLC为辅，带宽需求不高的区域采用GPRS/CDMA/3G/LTE无线公网通信方式作为补充，这种组网方式既能够实现配电通信网的快速布网，又能够满足智能配电业务对通信带宽和可靠性的要求。

要实践配电系统发展的新理念、新技术，推进配电系统更加规模化发展，离不开基础研发，更离不开高新技术的运用，而仅仅停留在理论阶段更不会让中国的智能电网得到长足的发展，唯有结合实践，在实践中总结经验，才能让智能电网真正腾飞。