OPLC電纜構(gòu)建智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)的研究

張新倫 袁維貴 卜憲德 石秋生

（1.江蘇南瑞銀龍電纜有限公司，江蘇 徐州 221700；2. 大屯煤電公司，江蘇 徐州 2213003.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 221300）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)滲入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，觸及到生活的方方面面，改變了生活理念，影響了生活習(xí)慣，提高了生活品質(zhì)。同時(shí)，隨著時(shí)代的變遷、社會(huì)的進(jìn)步以及環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們的居住觀念也發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)變，對于居住條件的要求也不再局限于居住面積、周圍環(huán)境以及交通便捷，開始追求智能化、信息化、人文化的居住環(huán)境，營造安全、舒適、高效、便捷的綠色住宅。在這種形勢下，智能用電小區(qū)應(yīng)運(yùn)而生。

智能用電小區(qū)[1]是采用智能表計(jì)、用戶智能交互終端等技術(shù)，建立用戶與電網(wǎng)之間實(shí)時(shí)連接、互動(dòng)、開放的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全采集、全覆蓋、全費(fèi)控功能。它可以降低人工成本、降低竊電損失、提高計(jì)量精度，減少人為差錯(cuò)、促進(jìn)營銷管理機(jī)制創(chuàng)新、安全可靠供電、實(shí)行階梯電價(jià)，推動(dòng)節(jié)能減排、指導(dǎo)社會(huì)科學(xué)合理用電。其業(yè)務(wù)覆蓋用電信息采集、小區(qū)配電自動(dòng)化、電力光纖到戶實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)融合、智能用電服務(wù)互動(dòng)平臺(tái)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、智能家居服務(wù)、實(shí)現(xiàn)水電氣集中抄表等。

1 國內(nèi)外建設(shè)情況

1.1 美國建設(shè)情況

2008年美國宣布在Boulder建設(shè)智能用電小區(qū)，為每戶家庭都安裝了智能電能表，使人們能合理安排用電。同時(shí)智能用電小區(qū)幫助人們優(yōu)先使用風(fēng)電和太陽能等清潔能源，變電站通過收集每家每戶的用電情況，一旦有問題出現(xiàn)，可以重新配備電力。Xcel Energy電力公司計(jì)劃在Boulder對智能電網(wǎng)相關(guān)的多項(xiàng)智能技術(shù)和業(yè)務(wù)模式進(jìn)行嘗試，包括AMI實(shí)施、分布式能源接入、電動(dòng)汽車接入、智能變電站改造、智能用電等多項(xiàng)內(nèi)容。

1.2 荷蘭建設(shè)情況

2008年阿姆斯特丹啟動(dòng)了智能城市的建設(shè)工作，目標(biāo)是在2015年實(shí)現(xiàn)CO2排放零增長。整個(gè)建設(shè)工作從可持續(xù)的生活、可持續(xù)的工作、可持續(xù)的市政管理和可持續(xù)的交通四方面組織開展。建設(shè)內(nèi)容包括智能供用電、LED路燈改造、智能建筑、智能表計(jì)、電動(dòng)汽車(船舶)充電站、太陽能屋頂/幕墻等17項(xiàng)試點(diǎn)工作。

1.3 日本建設(shè)情況

日本結(jié)合自身國情，決定構(gòu)建以新能源接入為主的智能用電小區(qū)。九州電力與沖繩電力公司在九州、沖繩的島嶼地區(qū)，對利用太陽能等可再生能源的“島嶼微電網(wǎng)”進(jìn)行試驗(yàn)，主要驗(yàn)證在大規(guī)模利用太陽能發(fā)電的情況下，如何統(tǒng)一控制剩余電力和頻率波動(dòng)及蓄電池應(yīng)用等課題。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省近期計(jì)劃將試驗(yàn)進(jìn)一步推廣至城市。

1.4 韓國建設(shè)情況

智能用電技術(shù)是韓國未來 20年發(fā)展綠色技術(shù)主動(dòng)投資計(jì)劃的一部分，目的是把綠色技術(shù)比例從現(xiàn)在的2.4%提高到11%。韓國電力公司（Kepco）希望以電表作為家庭網(wǎng)關(guān)，利用電力線寬帶通信技術(shù)和家庭用電顯示終端實(shí)現(xiàn)居民直接參與用電管理。韓國還計(jì)劃2011年在濟(jì)州島建設(shè)一個(gè)樣板智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目，其用電側(cè)的智能電網(wǎng)計(jì)劃2020年完成，至2030年將在全國實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

1.5 我國建設(shè)情況

國家電網(wǎng)公司積極開展智能用電小區(qū)相關(guān)的各類技術(shù)研究，以及商業(yè)推廣和市場應(yīng)用，并已經(jīng)建立了若干智能用電小區(qū)的試點(diǎn)。2010年，公司組織相關(guān)科研單位對智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化工作，制定了包含了施工、設(shè)備、運(yùn)行維護(hù)等13個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)多網(wǎng)融合和新能源的利用。并開始在全國范圍內(nèi)開展智能用電小區(qū)試點(diǎn)建設(shè)。

2 智能用電小區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)

智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)承載智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車控制，雙向互動(dòng)、“三網(wǎng)融合”等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的共建共享，構(gòu)建智能用電小區(qū)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。不僅可以為用戶提供前所未有的寬帶業(yè)務(wù)，而且符合當(dāng)前建設(shè)和諧社會(huì)的“綠色”“低碳”“環(huán)?！钡戎黝}，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)投資費(fèi)用，將來還能為用戶提供物聯(lián)網(wǎng)高級服務(wù)。

通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目的在于實(shí)現(xiàn)電力光纖到戶，即在低壓通信接入網(wǎng)中采用光纖復(fù)合低壓電纜（OPLC），將光纖隨低壓電力線敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)到表到戶，配合無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，承載用電信息采集、智能用電雙向交互，“三網(wǎng)融合”等業(yè)務(wù)，并為配網(wǎng)自動(dòng)化提供保障。

智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)從邏輯上分為電力專用通信子網(wǎng)和公共通信子網(wǎng)兩個(gè)業(yè)務(wù)上獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。在電力專用通信子網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)有配電自動(dòng)化系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、智能用能系統(tǒng)、分布式電源管理子系統(tǒng)和電動(dòng)汽車有序充電監(jiān)控系統(tǒng)等；在電力公共通信子網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)系統(tǒng)有 95598門戶網(wǎng)站、物業(yè)主站、智能家居系統(tǒng)等。

3 基本原理和關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基本原理

在分析智能用電業(yè)務(wù)需求基礎(chǔ)上，對通信系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行分析，將核心功能和擴(kuò)展功能分別融入各個(gè)子系統(tǒng)，從邏輯上將通信網(wǎng)絡(luò)分為設(shè)備層、通信層和業(yè)務(wù)層，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電力光纖到戶邏輯架構(gòu)圖

設(shè)備層包含電力光纖到戶小區(qū)所有接入電力光纖網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，如：智能電能、智能家電、安防傳感器、高清電視、IP電話、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、水表、氣表等。

通信層是基于EPON技術(shù)的電力光纖網(wǎng)。EPON是一種采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)的光線路局端（OLT）、用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成。

業(yè)務(wù)層是智能用電小區(qū)承載的所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）電力光纖復(fù)合電纜技術(shù)

光纖復(fù)合低壓電纜（OPLC）產(chǎn)品[2]，是在傳統(tǒng)的低壓電纜中融合光單元，是一種具有低壓電力和光通信雙重傳輸能力的復(fù)合電纜。OPLC主要適用于 0.6/1kV及以下電壓等級，是解決低壓配網(wǎng)、用戶網(wǎng)所需要的先進(jìn)、可靠通信介質(zhì)。

光纖復(fù)合低壓電纜整合電網(wǎng)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的“共建共享”， 可解決電線、網(wǎng)線、電話線、有線電視線等多條線路的多次施工南通，避免重復(fù)建設(shè)造成的干擾區(qū)群眾正常生活。電纜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力光纖復(fù)合電纜

電力光纖復(fù)合電纜比傳統(tǒng)低壓電纜成本增加不到10%～20%，利用OPLC建設(shè)智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)的綜合成本降低40%左右。

2）EPON技術(shù)

EPON是一種采用點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸、基于以太網(wǎng)和 TDM 時(shí)分復(fù)用的 MAC（Media Access Control）媒體訪問控制方式、提供多種綜合業(yè)務(wù)的寬帶接入技術(shù)[3]。

EPON系統(tǒng)由光線路單元（OLT：Optical Line Terminal）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU：Optical Network Unit）和光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN：Optical Division Network）組成。OLT兼具交換機(jī)的接入功能和匯聚等路由交換功能，是一個(gè)多業(yè)務(wù)交換平臺(tái)，提供面向無源光纖的接口，該設(shè)備一般放在中心機(jī)房；ONU放在用戶端附近或與其合為一體；ODN是無源光纖分支器，是一個(gè)一點(diǎn)到多點(diǎn)的連接一個(gè)OLT和多個(gè)ONU的無源設(shè)備，分發(fā)下行數(shù)據(jù)，集中匯聚上行數(shù)據(jù)。EPON使用單芯雙向光纖，在一根芯上轉(zhuǎn)送上下行兩個(gè)波，防止相互干擾[4]。

4 建設(shè)方案

4.1 建設(shè)方案

通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分為電力專網(wǎng)通信子網(wǎng)和公網(wǎng)通信子網(wǎng)兩部分。電力專用為通信網(wǎng)為用電信息采集提供通信支撐網(wǎng)絡(luò)，各采集點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)了光纖接入，提供寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。公共通信網(wǎng)絡(luò)為小區(qū)用戶實(shí)現(xiàn)IPTV、Internet、電話等業(yè)務(wù)提供通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，兩種網(wǎng)絡(luò)分別建立一套光纖網(wǎng)絡(luò)，采用同纜不同芯的方式建設(shè)兩套EPON系統(tǒng)，使兩種業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)物理隔離，保證數(shù)據(jù)傳輸安全、穩(wěn)定[5]。

下面給出了一種典型的智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，該方案從物理上分為三部分，即主干、饋線、配線，其中主干部分采用普通光纜，通過架空、管道地埋等方式連接局中心到光交接點(diǎn)（一般多為光交箱）；饋線部分采用饋線光纜（或稱引入光纜），通過架空、管道、路面淺埋等方式連接光交接點(diǎn)至光分支點(diǎn)（指小區(qū)或是大樓的集中點(diǎn)）；配線部分采用配線光纜，連接光分支點(diǎn)至用戶；而用戶家庭內(nèi)部可采用入戶光纜（也稱室內(nèi)光纜）。各電信運(yùn)營商可采用EPON/GPON技術(shù)將設(shè)備進(jìn)行接入，實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的部署。

其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方案

4.2 通信網(wǎng)絡(luò)的安全分析

智能用電小區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)主要存在如下的安全隱患。

1）未經(jīng)授權(quán)的非法接入。

2）傳輸數(shù)據(jù)的非法攔截與篡改。

3）惡意代碼攻擊、拒絕服務(wù)攻擊等威脅。

4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置的篡改。

智能用電小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、主機(jī)系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)3個(gè)層次進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)層層遞進(jìn)，縱深防御。防止電力光纖到戶網(wǎng)絡(luò)癱瘓、應(yīng)用系統(tǒng)破壞、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟失、篡改網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、確保各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全、控制安全。因此，智能用電小區(qū)兩個(gè)通信子網(wǎng)采用嚴(yán)格物理隔離，對信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制、交互等操作時(shí)，采用網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)保證遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾裕瑢尤虢K端或用戶身份進(jìn)行嚴(yán)格認(rèn)證，保證用戶身份的惟一性和真實(shí)性。

5 結(jié)論

智能用電小區(qū)智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間實(shí)時(shí)交互響應(yīng)，增強(qiáng)電網(wǎng)綜合服務(wù)能力，滿足互動(dòng)營銷需求，提升服務(wù)水平的重要手段。智能用電建設(shè)對智能用電技術(shù)的發(fā)展和完善具有重要的促進(jìn)作用，對加強(qiáng)居民小區(qū)能效管理、提高公司客戶服務(wù)能力、讓社會(huì)直觀體驗(yàn)智能電網(wǎng)的建設(shè)成果，具有重要的意義。

智能用電建設(shè)需要政府提供相關(guān)支持性政策，提高智能用電小區(qū)建設(shè)各方投資和運(yùn)維的積極性。建設(shè)智能用電小區(qū)，除了解決技術(shù)難題，最重要就是要協(xié)調(diào)電力行業(yè)與政府、住戶、房地產(chǎn)商、物業(yè)、服務(wù)提供商、通信運(yùn)營商等多方面、多部門的利益，讓相關(guān)各方在智能用電建設(shè)中都能得益，實(shí)現(xiàn)多贏，使投資主體多元化。

加強(qiáng)智能用電小區(qū)建設(shè)推廣的力度，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，還需協(xié)調(diào)相關(guān)運(yùn)營商與電力部門，共同制定智能用電小區(qū)光纖通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)管理辦法，協(xié)調(diào)相關(guān)市政服務(wù)企業(yè)（水、電、氣）共同制定集中抄表運(yùn)行維護(hù)方案，協(xié)調(diào)相關(guān)市政服務(wù)企業(yè)探索構(gòu)建統(tǒng)一的服務(wù)繳費(fèi)平臺(tái)，保證智能用電小區(qū)建設(shè)的各系統(tǒng)正常運(yùn)行，并降低運(yùn)行維護(hù)總體成本、提高運(yùn)維效率。

[1]鄧桂平,陳俊.智能用電小區(qū)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].湖北電力,2010(S1).

[2]李希,楊建華,齊小偉等.光纖復(fù)合電纜的應(yīng)用分析與探討[J].電力系統(tǒng)通信,2011(7):24-27.

[3]張浩,卜憲德,郭經(jīng)紅.EPON技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信,2010(7):42-45.

[4]劉年國,劉東,楊事正.EPON技術(shù)在智能用電小區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用[J].華東電力,2011(3).

[5]丁佳,孫繼成.智能用電小區(qū)中通信平臺(tái)建設(shè)研究[J].供用電,2010(6):8-12.