北極星智能電網(wǎng)在線訊:智能配電網(wǎng)、供電質量、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......這些關鍵詞的出現(xiàn)源于我國智能電網(wǎng)建設的逐步升入，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，電力通信系統(tǒng)主干網(wǎng)絡已基本實現(xiàn)傳輸媒介光纖化，業(yè)務承載網(wǎng)絡化，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)絡的配電通信網(wǎng)，由于節(jié)點多、覆蓋面廣、建設難度大等原因，一直以來缺乏適用的通信技術和建設模式，成為電力通信網(wǎng)發(fā)展瓶頸，制約了智能配用電業(yè)務的應用。
無源光網(wǎng)絡(PON)技術成熟，在國內(nèi)外電信運營商網(wǎng)絡和智能電網(wǎng)試點工程中得到應用;全球微波接入互操作(WiMAX)采用新一代寬帶無線技術，在國外通信網(wǎng)中已成規(guī)模應用;電力線載波(PLC)與OFDM等通信技術相結合，能夠提高傳輸帶寬和可靠性，成為近年來研究的熱點領域。通過對上述幾種通信技術進行深入研究比較，提出了差異化組網(wǎng)方案，為智能配用電通信網(wǎng)的建設提供參考。
一、業(yè)務需求
隨著智能電網(wǎng)配用電業(yè)務的不斷應用，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)涉及到開關設備的控制，處于安全I區(qū);按照配電網(wǎng)技術規(guī)范的要求，開關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)控制操作響應時間小于5 s;配電通信網(wǎng)除承載配電自動化業(yè)務系統(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不小于18 Mbit/s，變電站用于配用電網(wǎng)業(yè)務出口帶寬應不小于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，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)模應用階段，尚未大規(guī)模展開建設。目前，配電通信網(wǎng)多采用光調制解調器、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡、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，缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡規(guī)劃，技術體制和建設標準在各地相差甚大，電力通信基礎資源不能得到有效利用。大量業(yè)務應用依賴于公網(wǎng)運營商網(wǎng)絡，受無線公網(wǎng)通信技術體制、運營性質和通道安全性制約，導致相關業(yè)務應用標準和技術指標降低，信息安全存在風險，嚴重制約智能配用電的發(fā)展。
三、智能配電網(wǎng)通信技術
3.1 PON技術
無源光網(wǎng)絡(PON)是一種點到多點(P2MP)結構的單纖雙向光接入網(wǎng)絡，由系統(tǒng)側的光線路終端(OLT，Optical Line Terminal)、光分配網(wǎng)絡(ODN，Optical Distribution Network)和用戶側的光網(wǎng)絡單元(ONU，Optical Network Unit)組成，其系統(tǒng)架構如圖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)務平臺，它提供面向無源光網(wǎng)絡的光纖接口(PON接口)。ONU放在用戶設備端附近或與其合為一體，提供面向用戶的多種業(yè)務接入，根據(jù)ONU在所處位置的不同，PON的應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)型結構。
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(EPON)和吉比特無源光網(wǎng)絡(GPON)兩大類。EPON在物理層采用了PON技術，在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓撲結構實現(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主要技術指標對比見表2所列。可以看出，GPON在業(yè)務承載能力和網(wǎng)絡管理方面更具優(yōu)勢，隨著GPON產(chǎn)品規(guī)?；瘧茫渑cEPON在成本方面的劣勢也不斷縮小。
3.2 WiMAX技術
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，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，能夠實現(xiàn)固定及移動用戶的高速無線接入。
WiMAX網(wǎng)絡體系由核心網(wǎng)和接入網(wǎng)組成。核心網(wǎng)包含網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、路由器、AAA代理服務器、用戶數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)關設備，主要實現(xiàn)用戶認證、漫游、網(wǎng)絡管理等功能，并提供與其他網(wǎng)絡之間的接口。接入網(wǎng)中包含基站(BS)、用戶站(SS)和移動用戶站(MSS)，主要負責為WiMAX用戶提供無線接入。WiMAX網(wǎng)絡體系結構如圖3所示。
WiMAX系統(tǒng)采用了包括正交頻分復用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)、自適應調制編碼(AMC，Adaptive Modulation andCoding)等多種技術提高網(wǎng)絡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，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成子信道分別調制并行數(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，成為無線通信領域內(nèi)最炙手可熱的技術之一。MIMO系統(tǒng)的基本結構如圖5所示。
3.5 PLC技術
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，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用，主要承載調度電話、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，需要采取相應的編碼調制技術來提高信息傳輸?shù)膸捄涂煽啃浴?br /> 目前，寬帶電力線載波通信技術采用OFDM自適應調制解調、卷積編碼、信道估計等技術，能夠很好地適應電力線信道特性，保證了通信帶寬和可靠性。許多研究機構開展了高速電力線技術的研究和開發(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技術只有幾十上百兆帶寬。PON作為光纖接入技術，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)建設覆蓋范圍廣，采用PON網(wǎng)絡光纖敷設工程量大，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，不需要額外鋪設通信線路，組網(wǎng)速度快，建設成本低。相對而言，無線和電力線載波網(wǎng)絡在投資經(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)適用技術的綜合比較，結合各地配網(wǎng)自動化規(guī)劃建設情況，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、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)域實現(xiàn)快速覆蓋。PON系統(tǒng)組網(wǎng)應較好地解決配套光纜建設問題，并合理安排ODN分光網(wǎng)絡配置。對新建、改造配電線路，可采用OPPC光纜;對老線路，宜架設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)絡宜采用不均等分光器，以保證網(wǎng)絡靈活性和擴展性。
(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，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，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)架構如圖6所示。
六、面臨的問題
配電通信網(wǎng)組網(wǎng)建設要考慮到業(yè)務帶寬需求、產(chǎn)品成熟度、投資經(jīng)濟性多方面因素，此外，還需要特別關注以下幾個問題。
(1)WiMAX寬帶無線專網(wǎng)技術雖然已發(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技術處在發(fā)展期，其技術進步和產(chǎn)業(yè)環(huán)境關系密切，需要建立國內(nèi)統(tǒng)一規(guī)范標準，解決自主知識產(chǎn)權問題，實現(xiàn)核心芯片技術國產(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)方式具有建設周期短、成本低的優(yōu)點，但由于本質上無線公網(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用。
七、智能配電網(wǎng)關鍵技術研究行業(yè)聚焦共商應對之策
由北極星電力網(wǎng)主辦，北極星智能電網(wǎng)在線承辦，華北電力大學培訓學院支持的“2012智能配電網(wǎng)及其關鍵技術研討會”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)務應用的重要支持系統(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)方式既能夠實現(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，推進配電系統(tǒng)更加規(guī)模化發(fā)展，離不開基礎研發(fā)，更離不開高新技術的運用，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，唯有結合實踐，在實踐中總結經(jīng)驗，才能讓智能電網(wǎng)真正騰飛。
