電力配網通信面臨的挑戰及其解決思路

2017-07-27 14:35:54 大云網　點擊量：評論 (0)

摘要：近幾年，配網自動化試點工程成功建設，PON作為主要的配網通信技術已獲得認可。綜合多種通信技術的試點情況來看，PON技術更加符合國內電力配網市場的需要，且XPON技術已成為配網通信的主要技術標準。目前，

摘要：近幾年，配網自動化試點工程成功建設，PON作為主要的配網通信技術已獲得認可。綜合多種通信技術的試點情況來看，PON技術更加符合國內電力配網市場的需要，且XPON技術已成為配網通信的主要技術標準。目前，國內配電網自動化已進入大規模建設階段，相對于小規模試點而言，將帶來新的挑戰。因此，主要闡述多種通信技術的特點、配電網通信建設的難點以及配網PON通信解決方案在電力配網建設、運維使用方面的明顯優勢，以期能對相關人士有所裨益和幫助。

正文內容：

0　引　言

當前，智能電網已成為世界電網體系技術革新的新動向，是改變未來電力系統面貌的發展新模式之一。我國電力企業高度關注智能電網的發展與建設，并有序推進，尤其是處于智能電網末端的配用電網絡，更是近年來建設的重點。隨著自動化技術和電力設備智能化水平的提高，電力系統對通信網絡的安全性、可靠性、易運維等方面提出了更高要求，配網通信系統已逐漸成為整個智能電網建設的關鍵環節。

1　智能配電通信網建設面臨的挑戰

配電網絡存在網絡規模巨大、分布廣、環境惡劣、配網站點變動頻繁等特點。配電通信網絡作為配網自動化的神經系統，必然滿足高質量的通信需求。因此，高質量的配網通信系統必然成為智能配電網建設的基礎。綜合分析當前配網建設試點情況及未來發展趨勢，配網自動化建設對通信系統提出了諸多挑戰。

1.1　可靠性需求

據不完全統計，在我國用戶的停電故障中，80％的故障是由配網故障引起的。每停一度電，就會導致50元的損失。依此推算，每年將近有超過2 000億的停電損失。隨著近年來分布式電源大量接入電網，配電網從無源走向有源，從被動走向主動，新的發展模式對配網系統的可靠性提出了更高要求。

（1）自然環境惡劣。每年因雷擊、火災等原因導致的站點設備故障或報廢、線路故障，是造成停電的主要原因。因此，要求電力通信設備應具備高防雷、抗震、寬溫域的工作能力。

（2）隨著配網自動化程度的逐漸加強，要求通信網絡滿足DSCADA對電力設備實現實時、全天候的監測與控制。

（3）通信網絡因通信線路故障引發的自身故障，如通信光纖斷裂等故障導致的通信網絡故障。因此，通信網絡必然需要具備多重保護與抗多點失效的能力，保證通信網絡的可靠性。

1.2　安全性需求

電力配網設備通常布放在戶外、路邊，面臨人為破壞、非法接入等風險，直接影響配電網的安全性。這給電網企業帶來巨大損失的同時，也使電力安全面臨巨大威脅。

1.3　部署與維護

配電網絡終端多、數量大，且配網站點多分布于戶外、街邊，施工復雜，加之不斷的擴容、網絡結構變動，無論對設備的布放、調試，還是后續的維護管理，都面臨著嚴峻挑戰。

2　當前主流配電通信技術特點

在當今主流配網通信技術中，主要分為光纖配網通信與無線配網通信兩類。光纖配網通信分為XPON、工業以太網交換機兩類。無線技術主要包括LTE專網和公網GPRS。公網GPRS由于缺乏網絡自主性，在電力配網要求專網、專線的前提下，逐漸淡出；無線LTE專網信號易受地形、環境等影響，系統可靠性相對光纖通信較弱[1]。因此，光纖配網通信將逐漸成為配網通信系統的主流技術。

在光纖配網通信技術中，工業交換機因產業規模較小、綜合建網成本較高，技術發展與演進相對不足，性價比相對XPON較弱，且有源串行組網結構也無法滿足抗多點失效。因此，XPON技術將是未來電力配網技術的主導技術[2]。表1為各種通信方式的特點。

3　XPON通信系統打造堅強配電網絡的優勢

XPON是全光纖媒介的無源光網絡，具備強抗電子干擾能力和高防雷能力，減少了有源設備故障。手拉手式的組網保護可滿足抗多點失效，且XPON網絡拓撲結構能夠與電力配電網環形、鏈形結構完全吻合。目前，多種優勢逐步使XPON技術在配網通信建設中得到推廣[3]。

XPON通信系統由OLT設備、ODN網絡和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備。

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

ONU（Optical Network Unit）：光網絡單元，光纖接入的終端設備。

在基于XPON的配網建設中，OLT設備通常安裝在110 kV/35 kV變電站，通過MSTP/IP環網接入到主站系統。ONU設備位于各配電站點中，通過串口或GE/FE口采集電力終端信息，通過PON口上行到OLT，最終實現配電主站系統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應具備雙PON口上行，可通過兩條不同鏈路連接到OLT，形成“手拉手”全保護組網。在主鏈路發生故障時，可通過上層主站系統收取配網通信的另一條鏈路數據，或者配網通信迅速切換至備用鏈路，提高通信系統的可靠性[4]。

3.1　高可靠性

ONU通過雙PON口上行至兩臺不同的OLT的PON板，形成完全隔離的兩條保護通道，實現手拉手保護組網。不同PON板的兩個PON口之間，考慮光功率損耗與組網簡單性原則（光功率損耗計算，詳見附例），通常采用不等比分光器（如10:90）組建6級～8級組網。通過組合不同不等比的分光器組網，理論上可實現13級級聯。但是，由于不等比分光器級聯級多導致網絡復雜性增加，通常不推薦使用超過8級不等比分光器組網的應用。

在此種組網條件下，可實現OLT異地雙機備份，對配電網絡中出現的電壓不穩、短暫停電等故障，提供雙重通信業務保障。主備兩條鏈路可選用冷備份或熱備份兩種保護方式。冷備份保護方式下，主備倒換時延小于50 ms；熱備份保護方式下，通過配網通信向上層主站系統同時上傳兩組完全相同的通信數據，由主站系統實現雙發選收，實現無倒換時延和業務零中斷。配網通信XPON手拉手組網有效縮短了故障時業務中斷時間，避免引起誤動而導致故障升級，達到提高配網可靠性的目的[5]。圖2為手拉手組網結構圖。

3.2　光功率衰減計算

約束條件：每個分光器有2個熔接點與4個活動鏈接頭，兩側ODF各有2個熔接點與1個活動連接頭（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為光功率衰減常數表。

以第7級節點G7為例，計算如式（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），結果如圖3所示。

同樣算法，可得出：

技術要求V3.0的規劃，光功率預算為29.5 dB，最大通道損耗為28 dB。在本次各假設條件下，手拉手可以達到7級。由于GPON在光功率預算與傳輸距離較XPON有優勢，在多級級聯組網中，GPON可覆蓋更遠的距離。

抗多點失效。基于XPON的手拉手組網采用級聯并行組網，各配網站點與主站之間有獨立的傳輸通道。任何單站點和多站點故障，不會影響其他正常站點工作，有效改善了“一停一片、一停一線”的問題。而工業以太網交換機采用級聯串行組網，任何兩個站點故障，將影響多臺正常設備工作，無法實現抗多點失效。圖4為抗多點失效圖。

3.3　高安全性

配電網絡的通信設備通常位于開閉所、環網柜等場景，靠近高壓側設備，環境相對惡劣，對通信設備的質量提出了很高要求，需采用電力專業ONU。業績各廠家針對電力行業的高可靠要求，推出了工業級設備ONU，對電力配電的高壓場景有很好的適應能力。

電力設備通常布放在室外、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，業界各廠家實現了ONU端口狀態監控功能。在監控功能開啟后，發現端口異常拔插，則直接關閉端口通信；確認故障類型為非法攻擊后，重新開啟需要通過網管開啟接口，從而實現在物理層面直接阻斷黑客的接入通道，有效保護電力網絡安全和用戶用電信息安全[6]。圖5為ONU端口安全監控。

3.4　易運維性

在配電網絡中，終端設備多，部署復雜，占據大量工程施工時間。同時，配電通信設備的維護成本也相對較高。以ONU在柱上安裝場景為例，通常需要在離地面6m高的線桿上高空作業。因此，熟知通信系統的施工人員技能要求高，人員非常有限，導致反復進站調試ONU，大大增加了工程難度與維護成本。

XPON配電解決方案中，ONU設備支持批量離線預部署。一次進站，即插即用，大大縮短了部署工期，支持海量ONU遠程批量升級、遠程故障定位和排除，有效降低了運維難度，使不具備PON通信知識的作業人員也可在配網站點實現快速運維。圖6為流氓ONU隔離與Dying Gasp的情況。PON通信系統具備Dying Gasp功能、掉電信息上報、實現秒級定位與上報、縮短停電時間等特點；流氓ONU智能隔離技術則有效降低了網絡大面積癱瘓的可能，縮短了故障時間，提高了業務穩定性。

XPON解決方案擁有超過11年的商用經驗，在電力配電行業領域，全國也有多個省市地區的電力配網項目。例如，山東青島XPON配電項目改造完成后，供電可靠性由99.96％提高到99.99％以上，平均少停電2.628小時/戶年以上；線損由7.5％降至5.3％以下。同時，便捷的管理運維，大幅降低了青島電力運維成本，獲得了青島市供電公司的高度認可，并作為標桿性項目，在全省推廣XPON光纖配網通信解決方案。

4　結　語

國家電網公司從2009年啟動電力配網通信的試點項目，截至2015年，國網下屬各網省公司基本完成XPON試點項目的驗收，且部分網省公司啟動了規模建設。由于光纜缺失、施工經驗缺乏、驗收規范不統一等因素的存在，導致了配網通信建設的延緩。但是，經過諸多區域的試驗局驗證，XPON在配網通信解決方案場景所體現出來的高可靠性、高安全性、易運維性等優勢已獲得各方認可。

參考文獻：

[1] 李鋒.電力配網通信中空間信息技術的應用[J].中國新通信,2016(18):91-92.

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

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

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

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

[6] 劉素華,項東,張寧等.EPON用于電力配網通信的應用分析[J].中國新通信,2016(02):83-84.

作者：施加輪，王川豐，陳　曦

單位：國網福建省電力有限公司信息通信分公司，福建福州 350000

作者簡介：施加輪，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統通信規劃、設計、

運行維護管理；

王川豐，男，學士，工程師，主要研究方向為電力系統通信調度、運行維護；