電力光纖通信的技術(shù)原理及其應(yīng)用前景分析

肖 麗

(四川省電力公司眉山公司，四川 眉山 620010)

0 引言

電力光纖入戶是指在低壓通信接入網(wǎng)中采用光纖復(fù)合低壓電纜，將光纖隨低壓電力線鋪設(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)。電力光纖到戶能夠滿足國(guó)家智能電網(wǎng)建設(shè)的需求，全面支撐國(guó)家“三網(wǎng)融合”戰(zhàn)略，目標(biāo)是在“三網(wǎng)融合”的基礎(chǔ)之上結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，人們將可以方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制式的“智能家庭體驗(yàn)”，如在家里的電視、手機(jī)等終端上，遙控指揮冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電飯煲等家電設(shè)備，甚至開關(guān)電動(dòng)門窗等。其中，用戶用電信息數(shù)據(jù)采集是構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。采集系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接影響智能電網(wǎng)的建設(shè)，因此有必要對(duì)采集系統(tǒng)的優(yōu)劣進(jìn)行全面的研究。

目前，電力通信網(wǎng)絡(luò)在骨干層上已建立了以同步數(shù)字體系(SDH)、多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)(MSTP)技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖傳輸系統(tǒng)，并形成向智能化自動(dòng)交換光網(wǎng) (ASON)［1］技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。但在接入網(wǎng)上，采用何種通信方式解決電力通信終端的問題，一直缺少有效的解決辦法。以往的數(shù)據(jù)采集是通過電力線載波、GPRS等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。GPBS通道用的是移動(dòng)公司的公共網(wǎng)絡(luò)，不僅大量占用公共資源，而且存在電力信息安全和抄表費(fèi)用等問題;PLC通道(電力線載波)諧波干擾大，數(shù)據(jù)傳輸量小，抄表成功率低;因此都無法滿足智能電網(wǎng)的要求。以太網(wǎng)無源光纖網(wǎng)絡(luò)(EPON)［2-3］的出現(xiàn)將有效地解決了這個(gè)難題。

因此，首先全面地分析了現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)的不足之處，然后對(duì)光纖信息傳播技術(shù)的工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，最后針對(duì)目前信息采集系統(tǒng)的不足，對(duì)電力光纖EPON技術(shù)應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析。以上理論分析，對(duì)未來電力光纖入戶提供了理論指導(dǎo)。

1 電力光纖應(yīng)用背景

智能電網(wǎng)要求配電側(cè)實(shí)現(xiàn)信息采集全覆蓋，數(shù)據(jù)全采集，達(dá)到實(shí)時(shí)了解負(fù)荷情況的要求，通過電力用戶負(fù)載情況來預(yù)測(cè)電網(wǎng)的容量，進(jìn)一步提高發(fā)電、輸、配電的效率，改變傳統(tǒng)的粗放式的電力供應(yīng)，達(dá)到節(jié)省能源的目的。以往的數(shù)據(jù)采集是通過電力線載波、GPRS等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。GPRS通道用的是移動(dòng)公司的公共網(wǎng)絡(luò)，不僅大量占用公共資源，而且存在電力信息安全和抄表費(fèi)用等問題;PLC通道(電力線載波)諧波干擾大，數(shù)據(jù)傳輸量小，抄表成功率低;因此，上述數(shù)據(jù)傳輸方式都不能很好地服務(wù)于智能電網(wǎng)建設(shè)，不能滿足智能電網(wǎng)運(yùn)行過程中智能電表與主站間各種數(shù)據(jù)的大容量、高速率、高可靠性傳輸。

隨著光纖信道成本的降低，光電子器件的進(jìn)步，光收發(fā)模塊和光纖的價(jià)格大大降低，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的普及，光纖到戶已經(jīng)成為國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)智能電網(wǎng)的—個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前為止，配電側(cè)的AMI和發(fā)電側(cè)的風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電以及電力光纖到戶成為智能電網(wǎng)建設(shè)中進(jìn)展最快的領(lǐng)域。因此，具有維護(hù)成本低、系統(tǒng)可靠、擴(kuò)容方便的光纖傳輸智能電能表及光纖抄表系統(tǒng)完全符合國(guó)家發(fā)展建設(shè)智能電網(wǎng)的要求。

2009年5月國(guó)家電網(wǎng)公司提出了堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，全面推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)工作，開始研究并試點(diǎn)智能小區(qū)和智能家居，從原來單一的管理模式轉(zhuǎn)向優(yōu)質(zhì)服務(wù)。2010年3月“加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)”被寫入2010年《政府工作報(bào)告》，標(biāo)志著中國(guó)智能電網(wǎng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。2010年至今，國(guó)網(wǎng)智能表已經(jīng)累計(jì)招標(biāo)1億只左右，并實(shí)現(xiàn)信息采集及費(fèi)控功能。而智能電能表作為智能電網(wǎng)中最基礎(chǔ)的用電信息采集設(shè)備，必將產(chǎn)生大量的用戶用電數(shù)據(jù)信息，而如何保證各電力終端海量信息之間傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，將是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要基礎(chǔ)。下面也將以智能電能表的用電信息采集作為切入點(diǎn)進(jìn)行研究。

2 傳統(tǒng)的用電信息采集系統(tǒng)

2.1 傳統(tǒng)的用電信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代開始，隨著電力負(fù)荷控制系統(tǒng)及限電為主的負(fù)控裝置10多年的發(fā)展推廣，全國(guó)各省會(huì)、各地及市等都不同程度地建立發(fā)展了負(fù)荷控制系統(tǒng)。

隨著采集功能應(yīng)用的逐步擴(kuò)大，在大用戶、臺(tái)區(qū)監(jiān)測(cè)及居民抄表應(yīng)用中也部分投運(yùn)了配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和居民集抄系統(tǒng)。傳統(tǒng)的用電信息采集系統(tǒng)主要包括電力營(yíng)銷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器、時(shí)間同步機(jī)以及通信信道所使用的局端設(shè)備等。主要采取GPRS/CDMA/230M電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 傳該用戶用電信息采集系統(tǒng)

2.2 傳統(tǒng)的用電信息采集系統(tǒng)的不足

長(zhǎng)期以來中國(guó)用電系統(tǒng)建設(shè)相對(duì)比較薄弱，自動(dòng)化、信息化程度不高。各系統(tǒng)分別建設(shè)，沒有很好整合各種系統(tǒng)資源，主站軟件對(duì)多種信道的綜合運(yùn)用能力存在不足，目前應(yīng)用的有230MHz無線專網(wǎng)、GPRS/CDMA無線公網(wǎng)、電力線載波(PLC)等，缺乏統(tǒng)一管理，存在重復(fù)建設(shè)、信道資源利用率低等問題。同時(shí)這些系統(tǒng)各自獨(dú)立，數(shù)據(jù)沒有有效地共享，數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值沒有充分挖掘，缺乏統(tǒng)一全面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不利于營(yíng)銷信息化的進(jìn)一步發(fā)展。

①GPRS/CDMA組網(wǎng)的弊端

以GPRS/CDMA為組網(wǎng)的傳輸鏈路需要借助移動(dòng)通訊平臺(tái)，存在單點(diǎn)故障隱患，業(yè)務(wù)保護(hù)能力差;通訊介質(zhì)和業(yè)務(wù)接口繁雜，管理維護(hù)難度較大;傳輸帶寬低，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量無法保障，擴(kuò)展綜合業(yè)務(wù)能力低;GPRS/CDMA技術(shù)需要依托運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，電力內(nèi)部信息安全無法得到有效保障。GPRS/CDMA資費(fèi)開銷較大，且不便于控制。

②電力載波PLC的弊端

傳輸距離短，傳輸效率較低，傳輸帶寬低;易受到諧波等電力線干擾;不能跨越變壓器。

③交換機(jī)組網(wǎng)的弊端

變電站到終端屬于點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，交換機(jī)組網(wǎng)勢(shì)必造成光纖資源的極大浪費(fèi);交換機(jī)和光纖收發(fā)器均需要供電，不易于沿途的部署;交換機(jī)更適合于變電站內(nèi)部局域網(wǎng)。

以上用電信息采集系統(tǒng)的不足嚴(yán)重限制了智能電網(wǎng)的發(fā)展，因此必須采取新的信息傳輸技術(shù)，保障智能電網(wǎng)的全面建設(shè)順利實(shí)施。

3 光纖技術(shù)原理及現(xiàn)狀

光纖接入從技術(shù)上可分為兩大類:有源光網(wǎng)絡(luò)(AON)和無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)。1983年，BT實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)明了PON技術(shù)。PON是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，由于消除了局端與客戶端之間的有源設(shè)備，它能避免外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設(shè)備的故障率，提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)可節(jié)省維護(hù)成本，是電信維護(hù)部門長(zhǎng)期期待的技術(shù)。PON的業(yè)務(wù)透明性較好，原則上可適用于任何制式和速率的信號(hào)。目前基于PON的實(shí)用技術(shù)主要有 APON/BPON、GPON、EPON/GEPON等幾種，其主要差異在于采用了不同的二層技術(shù)。

EPON系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)側(cè)的光線路終端(optical line terminal，OLT)、用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit，ONU)和光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)組成，如圖2所示。OLT放在中心機(jī)房，ONU放在用戶設(shè)備端附近或與其合為一體。POS(passive optical splitter)是無源光纖分支器，是一個(gè)連接OLT和ONU的無源設(shè)備，它的功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)，并集中上行數(shù)據(jù)。EPON中使用單芯光纖，在一根芯上轉(zhuǎn)送上下行兩個(gè)波。

圖2 EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

EPON是幾種最佳的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合。EPON采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，無源光纖傳輸方式，在以太網(wǎng)上提供多種業(yè)務(wù)。目前，IP/Ethernet應(yīng)用占到整個(gè)局域網(wǎng)通信的95%以上，EPON由于使用上述經(jīng)濟(jì)而高效的結(jié)構(gòu)，從而成為連接接入網(wǎng)最終用戶的一種最有效的通信方法。10Gbps以太主干和城域環(huán)的出現(xiàn)也將使EPON成為未來全光網(wǎng)中最佳的最后一公里的解決方案。

EPON主要優(yōu)點(diǎn)有如下幾點(diǎn)。

①相對(duì)成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，容易擴(kuò)展，易于升級(jí)。EPON結(jié)構(gòu)在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設(shè)，基本不用維護(hù)，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本和管理成本的節(jié)省很大;EPON系統(tǒng)對(duì)局端資源占用很少，模塊化程度高，系統(tǒng)初期投入低，擴(kuò)展容易，投資回報(bào)率高。

②提供非常高的帶寬。EPON目前可以提供上下行對(duì)稱的1.25Gbps的帶寬，并且隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展可以升級(jí)到10Gbps。

③服務(wù)范圍大。EPON作為一種點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，可以利用局端單個(gè)光模塊及光纖資源，服務(wù)大量終端用戶。

④高質(zhì)量。EPON具有同時(shí)傳輸時(shí)分多路復(fù)用(TDM)、IP數(shù)據(jù)和視頻廣播的能力，其中TDM和IP數(shù)據(jù)采用IEE 802.3的以太網(wǎng)格式進(jìn)行傳輸，輔以電信級(jí)的網(wǎng)管系統(tǒng)，以保證傳輸質(zhì)量。

圖3 典型組網(wǎng)模型

4 電力光纖EPON技術(shù)的應(yīng)用前景分析

電力光纖EPON技術(shù)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)通信，由用電信息采集系統(tǒng)終端數(shù)量和分布的特點(diǎn)決定，符合EPON星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各終端之間無需信息交互。

分光設(shè)備對(duì)環(huán)境因素不敏感。由用電信息采集系統(tǒng)特點(diǎn)決定，樓道、配電站環(huán)境比較惡劣，而分光設(shè)備對(duì)環(huán)境因素不敏感，可以保證數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定傳輸。

再次，電力光纖EPON技術(shù)具有1.25G帶寬，帶寬資源豐富、光纖傳輸穩(wěn)定可靠。且網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好。擴(kuò)展不影響整網(wǎng)架構(gòu)。頻繁的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化顯然是配電網(wǎng)通信所不能允許的。

目前光纖資源已經(jīng)鋪設(shè)到臺(tái)變級(jí)，新架設(shè)的電纜中包含光纖。臺(tái)變級(jí)就是專變采集終端和集中器所在處，目標(biāo)到樓道，甚至入戶。通過以上分析，并和傳統(tǒng)用電信息采集系統(tǒng)相比，電力光纖EPON技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)用電信息采集系統(tǒng)的不足。綜上所述，電力光纖EPON技術(shù)入戶是完全可以實(shí)現(xiàn)的，其典型的組網(wǎng)模型如圖3所示。

5 結(jié)語

電力光纖入戶可解決信息末端接入問題，滿足智能電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的需求。總結(jié)了傳統(tǒng)用電信息采集系統(tǒng)的不足，然后對(duì)電力光纖EPON技術(shù)應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明電力光纖EPON技術(shù)入戶完全可行。

［1］王敏，姚灝.自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在廣州電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用策略［J］.廣東電力，2010，23(5):34-37.

［2］瑞斯康達(dá)科技發(fā)展股份有限公司.電力配網(wǎng)自動(dòng)化通信白皮書［Z］.北京:瑞斯康達(dá)科技發(fā)展股份有限公司，2009.

［3］北極星電力網(wǎng)新聞中心.智能電網(wǎng)規(guī)模引入EPON［EB/OL］.