電力配網(wǎng)通信面臨的挑戰(zhàn)及其解決思路

2017-07-27 14:35:54 大云網(wǎng)　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

摘要：近幾年，配網(wǎng)自動(dòng)化試點(diǎn)工程成功建設(shè)，PON作為主要的配網(wǎng)通信技術(shù)已獲得認(rèn)可。綜合多種通信技術(shù)的試點(diǎn)情況來(lái)看，PON技術(shù)更加符合國(guó)內(nèi)電力配網(wǎng)市場(chǎng)的需要，且XPON技術(shù)已成為配網(wǎng)通信的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)自動(dòng)化已進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，相對(duì)于小規(guī)模試點(diǎn)而言，將帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。因此，主要闡述多種通信技術(shù)的特點(diǎn)、配電網(wǎng)通信建設(shè)的難點(diǎn)以及配網(wǎng)PON通信解決方案在電力配網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)維使用方面的明顯優(yōu)勢(shì)，以期能對(duì)相關(guān)人士有所裨益和幫助。

正文內(nèi)容：

0　引　言

當(dāng)前，智能電網(wǎng)已成為世界電網(wǎng)體系技術(shù)革新的新動(dòng)向，是改變未來(lái)電力系統(tǒng)面貌的發(fā)展新模式之一。我國(guó)電力企業(yè)高度關(guān)注智能電網(wǎng)的發(fā)展與建設(shè)，并有序推進(jìn)，尤其是處于智能電網(wǎng)末端的配用電網(wǎng)絡(luò)，更是近年來(lái)建設(shè)的重點(diǎn)。隨著自動(dòng)化技術(shù)和電力設(shè)備智能化水平的提高，電力系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性、易運(yùn)維等方面提出了更高要求，配網(wǎng)通信系統(tǒng)已逐漸成為整個(gè)智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1　智能配電通信網(wǎng)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

配電網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大、分布廣、環(huán)境惡劣、配網(wǎng)站點(diǎn)變動(dòng)頻繁等特點(diǎn)。配電通信網(wǎng)絡(luò)作為配網(wǎng)自動(dòng)化的神經(jīng)系統(tǒng)，必然滿足高質(zhì)量的通信需求。因此，高質(zhì)量的配網(wǎng)通信系統(tǒng)必然成為智能配電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)。綜合分析當(dāng)前配網(wǎng)建設(shè)試點(diǎn)情況及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)對(duì)通信系統(tǒng)提出了諸多挑戰(zhàn)。

1.1　可靠性需求

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)用戶的停電故障中，80％的故障是由配網(wǎng)故障引起的。每停一度電，就會(huì)導(dǎo)致50元的損失。依此推算，每年將近有超過(guò)2 000億的停電損失。隨著近年來(lái)分布式電源大量接入電網(wǎng)，配電網(wǎng)從無(wú)源走向有源，從被動(dòng)走向主動(dòng)，新的發(fā)展模式對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性提出了更高要求。

（1）自然環(huán)境惡劣。每年因雷擊、火災(zāi)等原因?qū)е碌恼军c(diǎn)設(shè)備故障或報(bào)廢、線路故障，是造成停電的主要原因。因此，要求電力通信設(shè)備應(yīng)具備高防雷、抗震、寬溫域的工作能力。

（2）隨著配網(wǎng)自動(dòng)化程度的逐漸加強(qiáng)，要求通信網(wǎng)絡(luò)滿足DSCADA對(duì)電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、全天候的監(jiān)測(cè)與控制。

（3）通信網(wǎng)絡(luò)因通信線路故障引發(fā)的自身故障，如通信光纖斷裂等故障導(dǎo)致的通信網(wǎng)絡(luò)故障。因此，通信網(wǎng)絡(luò)必然需要具備多重保護(hù)與抗多點(diǎn)失效的能力，保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

1.2　安全性需求

電力配網(wǎng)設(shè)備通常布放在戶外、路邊，面臨人為破壞、非法接入等風(fēng)險(xiǎn)，直接影響配電網(wǎng)的安全性。這給電網(wǎng)企業(yè)帶來(lái)巨大損失的同時(shí)，也使電力安全面臨巨大威脅。

1.3　部署與維護(hù)

配電網(wǎng)絡(luò)終端多、數(shù)量大，且配網(wǎng)站點(diǎn)多分布于戶外、街邊，施工復(fù)雜，加之不斷的擴(kuò)容、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變動(dòng)，無(wú)論對(duì)設(shè)備的布放、調(diào)試，還是后續(xù)的維護(hù)管理，都面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2　當(dāng)前主流配電通信技術(shù)特點(diǎn)

在當(dāng)今主流配網(wǎng)通信技術(shù)中，主要分為光纖配網(wǎng)通信與無(wú)線配網(wǎng)通信兩類。光纖配網(wǎng)通信分為XPON、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)兩類。無(wú)線技術(shù)主要包括LTE專網(wǎng)和公網(wǎng)GPRS。公網(wǎng)GPRS由于缺乏網(wǎng)絡(luò)自主性，在電力配網(wǎng)要求專網(wǎng)、專線的前提下，逐漸淡出；無(wú)線LTE專網(wǎng)信號(hào)易受地形、環(huán)境等影響，系統(tǒng)可靠性相對(duì)光纖通信較弱[1]。因此，光纖配網(wǎng)通信將逐漸成為配網(wǎng)通信系統(tǒng)的主流技術(shù)。

在光纖配網(wǎng)通信技術(shù)中，工業(yè)交換機(jī)因產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小、綜合建網(wǎng)成本較高，技術(shù)發(fā)展與演進(jìn)相對(duì)不足，性價(jià)比相對(duì)XPON較弱，且有源串行組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也無(wú)法滿足抗多點(diǎn)失效。因此，XPON技術(shù)將是未來(lái)電力配網(wǎng)技術(shù)的主導(dǎo)技術(shù)[2]。表1為各種通信方式的特點(diǎn)。

3　XPON通信系統(tǒng)打造堅(jiān)強(qiáng)配電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

XPON是全光纖媒介的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，具備強(qiáng)抗電子干擾能力和高防雷能力，減少了有源設(shè)備故障。手拉手式的組網(wǎng)保護(hù)可滿足抗多點(diǎn)失效，且XPON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠與電力配電網(wǎng)環(huán)形、鏈形結(jié)構(gòu)完全吻合。目前，多種優(yōu)勢(shì)逐步使XPON技術(shù)在配網(wǎng)通信建設(shè)中得到推廣[3]。

XPON通信系統(tǒng)由OLT設(shè)備、ODN網(wǎng)絡(luò)和ONU終端三部分組成。

OLT（Optical Line Terminal）：光線路終端，用于連接光纖干線的局端設(shè)備。

ODN（Optical Distribution Network）：光分配網(wǎng)絡(luò)，用于在OLT和ONU間提供光通道。

ONU（Optical Network Unit）：光網(wǎng)絡(luò)單元，光纖接入的終端設(shè)備。

在基于XPON的配網(wǎng)建設(shè)中，OLT設(shè)備通常安裝在110 kV/35 kV變電站，通過(guò)MSTP/IP環(huán)網(wǎng)接入到主站系統(tǒng)。ONU設(shè)備位于各配電站點(diǎn)中，通過(guò)串口或GE/FE口采集電力終端信息，通過(guò)PON口上行到OLT，最終實(shí)現(xiàn)配電主站系統(tǒng)與電力終端的雙向通信及電力終端之間的雙向通信，如圖1所示。

ONU應(yīng)具備雙PON口上行，可通過(guò)兩條不同鏈路連接到OLT，形成“手拉手”全保護(hù)組網(wǎng)。在主鏈路發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)上層主站系統(tǒng)收取配網(wǎng)通信的另一條鏈路數(shù)據(jù)，或者配網(wǎng)通信迅速切換至備用鏈路，提高通信系統(tǒng)的可靠性[4]。

3.1　高可靠性

ONU通過(guò)雙PON口上行至兩臺(tái)不同的OLT的PON板，形成完全隔離的兩條保護(hù)通道，實(shí)現(xiàn)手拉手保護(hù)組網(wǎng)。不同PON板的兩個(gè)PON口之間，考慮光功率損耗與組網(wǎng)簡(jiǎn)單性原則（光功率損耗計(jì)算，詳見附例），通常采用不等比分光器（如10:90）組建6級(jí)～8級(jí)組網(wǎng)。通過(guò)組合不同不等比的分光器組網(wǎng)，理論上可實(shí)現(xiàn)13級(jí)級(jí)聯(lián)。但是，由于不等比分光器級(jí)聯(lián)級(jí)多導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性增加，通常不推薦使用超過(guò)8級(jí)不等比分光器組網(wǎng)的應(yīng)用。

在此種組網(wǎng)條件下，可實(shí)現(xiàn)OLT異地雙機(jī)備份，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)、短暫停電等故障，提供雙重通信業(yè)務(wù)保障。主備兩條鏈路可選用冷備份或熱備份兩種保護(hù)方式。冷備份保護(hù)方式下，主備倒換時(shí)延小于50 ms；熱備份保護(hù)方式下，通過(guò)配網(wǎng)通信向上層主站系統(tǒng)同時(shí)上傳兩組完全相同的通信數(shù)據(jù)，由主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙發(fā)選收，實(shí)現(xiàn)無(wú)倒換時(shí)延和業(yè)務(wù)零中斷。配網(wǎng)通信XPON手拉手組網(wǎng)有效縮短了故障時(shí)業(yè)務(wù)中斷時(shí)間，避免引起誤動(dòng)而導(dǎo)致故障升級(jí)，達(dá)到提高配網(wǎng)可靠性的目的[5]。圖2為手拉手組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

3.2　光功率衰減計(jì)算

約束條件：每個(gè)分光器有2個(gè)熔接點(diǎn)與4個(gè)活動(dòng)鏈接頭，兩側(cè)ODF各有2個(gè)熔接點(diǎn)與1個(gè)活動(dòng)連接頭（最少），工程余量在此距離下一般取1 dB。分光器10:90；光纖G.652D。表2為光功率衰減常數(shù)表。

以第7級(jí)節(jié)點(diǎn)G7為例，計(jì)算如式（1）所示（分光器10:90，分光器10％光功率輸出口衰減11.1 dB，90％光功率輸出口衰減0.7 dB），結(jié)果如圖3所示。

同樣算法，可得出：

技術(shù)要求V3.0的規(guī)劃，光功率預(yù)算為29.5 dB，最大通道損耗為28 dB。在本次各假設(shè)條件下，手拉手可以達(dá)到7級(jí)。由于GPON在光功率預(yù)算與傳輸距離較XPON有優(yōu)勢(shì)，在多級(jí)級(jí)聯(lián)組網(wǎng)中，GPON可覆蓋更遠(yuǎn)的距離。

抗多點(diǎn)失效。基于XPON的手拉手組網(wǎng)采用級(jí)聯(lián)并行組網(wǎng)，各配網(wǎng)站點(diǎn)與主站之間有獨(dú)立的傳輸通道。任何單站點(diǎn)和多站點(diǎn)故障，不會(huì)影響其他正常站點(diǎn)工作，有效改善了“一停一片、一停一線”的問(wèn)題。而工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用級(jí)聯(lián)串行組網(wǎng)，任何兩個(gè)站點(diǎn)故障，將影響多臺(tái)正常設(shè)備工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)抗多點(diǎn)失效。圖4為抗多點(diǎn)失效圖。

3.3　高安全性

配電網(wǎng)絡(luò)的通信設(shè)備通常位于開閉所、環(huán)網(wǎng)柜等場(chǎng)景，靠近高壓側(cè)設(shè)備，環(huán)境相對(duì)惡劣，對(duì)通信設(shè)備的質(zhì)量提出了很高要求，需采用電力專業(yè)ONU。業(yè)績(jī)各廠家針對(duì)電力行業(yè)的高可靠要求，推出了工業(yè)級(jí)設(shè)備ONU，對(duì)電力配電的高壓場(chǎng)景有很好的適應(yīng)能力。

電力設(shè)備通常布放在室外、路邊，存在人為破壞、非法接入等安全隱患。為配合電力安全需要，業(yè)界各廠家實(shí)現(xiàn)了ONU端口狀態(tài)監(jiān)控功能。在監(jiān)控功能開啟后，發(fā)現(xiàn)端口異常拔插，則直接關(guān)閉端口通信；確認(rèn)故障類型為非法攻擊后，重新開啟需要通過(guò)網(wǎng)管開啟接口，從而實(shí)現(xiàn)在物理層面直接阻斷黑客的接入通道，有效保護(hù)電力網(wǎng)絡(luò)安全和用戶用電信息安全[6]。圖5為ONU端口安全監(jiān)控。

3.4　易運(yùn)維性

在配電網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備多，部署復(fù)雜，占據(jù)大量工程施工時(shí)間。同時(shí)，配電通信設(shè)備的維護(hù)成本也相對(duì)較高。以O(shè)NU在柱上安裝場(chǎng)景為例，通常需要在離地面6m高的線桿上高空作業(yè)。因此，熟知通信系統(tǒng)的施工人員技能要求高，人員非常有限，導(dǎo)致反復(fù)進(jìn)站調(diào)試ONU，大大增加了工程難度與維護(hù)成本。

XPON配電解決方案中，ONU設(shè)備支持批量離線預(yù)部署。一次進(jìn)站，即插即用，大大縮短了部署工期，支持海量ONU遠(yuǎn)程批量升級(jí)、遠(yuǎn)程故障定位和排除，有效降低了運(yùn)維難度，使不具備PON通信知識(shí)的作業(yè)人員也可在配網(wǎng)站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)維。圖6為流氓ONU隔離與Dying Gasp的情況。PON通信系統(tǒng)具備Dying Gasp功能、掉電信息上報(bào)、實(shí)現(xiàn)秒級(jí)定位與上報(bào)、縮短停電時(shí)間等特點(diǎn)；流氓ONU智能隔離技術(shù)則有效降低了網(wǎng)絡(luò)大面積癱瘓的可能，縮短了故障時(shí)間，提高了業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。

XPON解決方案擁有超過(guò)11年的商用經(jīng)驗(yàn)，在電力配電行業(yè)領(lǐng)域，全國(guó)也有多個(gè)省市地區(qū)的電力配網(wǎng)項(xiàng)目。例如，山東青島XPON配電項(xiàng)目改造完成后，供電可靠性由99.96％提高到99.99％以上，平均少停電2.628小時(shí)/戶年以上；線損由7.5％降至5.3％以下。同時(shí)，便捷的管理運(yùn)維，大幅降低了青島電力運(yùn)維成本，獲得了青島市供電公司的高度認(rèn)可，并作為標(biāo)桿性項(xiàng)目，在全省推廣XPON光纖配網(wǎng)通信解決方案。

4　結(jié)　語(yǔ)

國(guó)家電網(wǎng)公司從2009年啟動(dòng)電力配網(wǎng)通信的試點(diǎn)項(xiàng)目，截至2015年，國(guó)網(wǎng)下屬各網(wǎng)省公司基本完成XPON試點(diǎn)項(xiàng)目的驗(yàn)收，且部分網(wǎng)省公司啟動(dòng)了規(guī)模建設(shè)。由于光纜缺失、施工經(jīng)驗(yàn)缺乏、驗(yàn)收規(guī)范不統(tǒng)一等因素的存在，導(dǎo)致了配網(wǎng)通信建設(shè)的延緩。但是，經(jīng)過(guò)諸多區(qū)域的試驗(yàn)局驗(yàn)證，XPON在配網(wǎng)通信解決方案場(chǎng)景所體現(xiàn)出來(lái)的高可靠性、高安全性、易運(yùn)維性等優(yōu)勢(shì)已獲得各方認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李鋒.電力配網(wǎng)通信中空間信息技術(shù)的應(yīng)用[J].中國(guó)新通信,2016(18):91-92.

[2] 蘇飛兵.空間信息技術(shù)在電力配網(wǎng)通信中的應(yīng)用研究[J].技術(shù)與市場(chǎng),2016(07):79-80.

[3] 周開河,李鵬,章立偉等.空間信息技術(shù)在電力配網(wǎng)通信的應(yīng)用與研究[J].科技資訊,2015(31):20-21.

[4] 俞紅生,李鵬,吳忠平等.電力配網(wǎng)通信設(shè)備空間信息采集方法的應(yīng)用與研究[J].科技資訊,2015(31):60-61,74.

[5] 劉冬梅.中小學(xué)教師懲戒權(quán)的調(diào)查與思考[J].教師教育研究,2016(02):96-100.

[6] 劉素華,項(xiàng)東,張寧等.EPON用于電力配網(wǎng)通信的應(yīng)用分析[J].中國(guó)新通信,2016(02):83-84.

作者：施加輪，王川豐，陳　曦

單位：國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司，福建福州 350000

作者簡(jiǎn)介：施加輪，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信規(guī)劃、設(shè)計(jì)、

運(yùn)行維護(hù)管理；

王川豐，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)；

陳　曦，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)。

本文刊登在《通信技術(shù)》第7期（轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，否則禁止轉(zhuǎn)載）

責(zé)任編輯：葉雨田

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