融合EPON技術(shù)的電能信息采集系統(tǒng)建設(shè)

石 彪 張飛躍 繆 勇

（國網(wǎng)長沙市供電公司，長沙 410003）

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)多個領(lǐng)域的應(yīng)用與展開，與用戶側(cè)緊密相關(guān)的電能信息采集系統(tǒng)也面臨著技術(shù)和管理方面的革新。智能電網(wǎng)中高級量測體系（AMI）將電能計量工作形成了一種系統(tǒng)化的概念，不僅對傳統(tǒng)的電能計量儀表、互感器和二次回路等有更高的要求，而且將更廣泛的通信技術(shù)、計算機技術(shù)及集成電路技術(shù)直接植入到電能計量方法中。按照中國國家電網(wǎng)公司“電網(wǎng)堅強、資產(chǎn)優(yōu)良、服務(wù)優(yōu)質(zhì)、業(yè)績優(yōu)秀”的目標(biāo)，適時吸收新技術(shù)，建設(shè)AMI 中電能信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)計量裝置數(shù)據(jù)的自動采集與分析處理等功能，是一種必然的趨勢[1-2]。

EPON 技術(shù)作為一種基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的點到多點的光通信技術(shù)，在電信領(lǐng)域的應(yīng)用中，已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。其高帶寬（1.25Gbit/s）、長距離傳輸（20km）、快速服務(wù)重組、兼容現(xiàn)有以太網(wǎng)和高可靠性及較強的環(huán)境適應(yīng)性等特點和優(yōu)勢帶來了可觀的經(jīng)濟效益。目前，光網(wǎng)絡(luò)在35kV 及以上的變電站基本具備了MSTP 或SDH 架構(gòu)平臺，配網(wǎng)自動化的開關(guān)和環(huán)網(wǎng)柜等數(shù)據(jù)傳輸也開始使用EPON 設(shè)備，也為EPON 技術(shù)融合進(jìn)電能信息采集系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[3]。

本文將從對電能信息采集系統(tǒng)分析出發(fā)，提出幾種不同的EPON 技術(shù)電能信息采集應(yīng)用方案，并以長沙地區(qū)臺區(qū)試點建設(shè)為例，闡述融合進(jìn)EPON技術(shù)的電能信息采集系統(tǒng)建設(shè)。

1 電能信息采集系統(tǒng)概述

圖1 電能信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電能信息采集系統(tǒng)一般是指利用計算機技術(shù)、通信技術(shù)、遠(yuǎn)動技術(shù)、自動化技術(shù)等手段，實施電能量信息數(shù)據(jù)遠(yuǎn)方采集、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)方監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及高級應(yīng)用的綜合管理信息系統(tǒng)。作為高級量測體系（AMI）的重要組成部分，建設(shè)堅強智能電網(wǎng)進(jìn)一步要求該系統(tǒng)在電網(wǎng)規(guī)劃、經(jīng)營管理和優(yōu)質(zhì)服務(wù)中全面應(yīng)用，提供計量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理、相關(guān)信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設(shè)備的信息交互等功能，從最終實現(xiàn)全電網(wǎng)拓?fù)淠┥业摹叭采w、全采集、全費控”[4]。常見的電能信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，采集系統(tǒng)從物理結(jié)構(gòu)上可根據(jù)部署位置分為主站、通信信道和采集設(shè)備三部分。主站網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)主要由采集系統(tǒng)服務(wù)器，包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、磁盤陣列、應(yīng)用服務(wù)器、前置采集服務(wù)器（包括前置服務(wù)器、工作站、GPS 時鐘、防火墻設(shè)備）以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。通信信道是包括指系統(tǒng)主站與終端之間的遠(yuǎn)程通信信道、采集設(shè)備和計量裝置的本地通信信道。采集設(shè)備是指安裝在現(xiàn)場的終端及計量設(shè)備，主要包括各類終端、具備遠(yuǎn)程通信模塊的多功能電表、集中器、采集器以及電能表計等。

2 電能信息采集系統(tǒng)現(xiàn)行通信技術(shù)

通信信道在電能信息采集系統(tǒng)中是連接主站和采集終端層的紐帶，也是體現(xiàn)采集技術(shù)方案差別的關(guān)鍵點。按照在采集系統(tǒng)中的位置，將通信信道分為遠(yuǎn)程通信信道和本地通信信道。

2.1 遠(yuǎn)程通信信道

電能信息采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信主要包括：GPRS、CDMA、230M 無線、3G 專網(wǎng)、光纖等，各信道技術(shù)有其自身的特點，應(yīng)用范圍和環(huán)境也各不相同。

1）GPRS 技術(shù)

GPRS 是GSM 移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是以封包（Packet）方式來傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。其優(yōu)點在于覆蓋范圍廣，組網(wǎng)方便，設(shè)備成本低，通信速度快，支持并發(fā)通信，接入終端數(shù)量大。缺點是有時會出現(xiàn)通道擁堵和通信不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要運行費用。

2）CDMA 技術(shù)

CDMA（Code Division Multiple Access）又稱碼分多址，是在無線通信上使用的技術(shù)，CDMA 允許所有使用者同時使用全部頻帶（1.2288Mhz），且把其他使用者發(fā)出信號視為雜信，完全不必考慮到信號碰撞（collision）問題。其優(yōu)點在于覆蓋范圍較廣，組網(wǎng)方便，設(shè)備成本低，通信速度快，支持并發(fā)通信，接入終端數(shù)量大，但是有時會出現(xiàn)通道擁堵、通信不穩(wěn)定現(xiàn)象，覆蓋范圍有死角，需要運行費用。

3）230M 無線技術(shù)

無線專網(wǎng)是基于國家無線電管理委員會分配的專用頻段，由各省市的電力運營商自主架設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺。采集系統(tǒng)目前常用的230M 無線頻點一共有15 對雙工（異頻收發(fā)）和10 個半雙工（同頻收發(fā)）。優(yōu)點在于通信穩(wěn)定，實時性、穩(wěn)定性好，無運行費用，但是抗干擾能力差，覆蓋范圍小，速度慢，所接終端有限，設(shè)備成本高。

4）光纖通信技術(shù)

優(yōu)勢在于通信穩(wěn)定，抗干擾能力強，無運行費用，速度快，流量大，但是光線網(wǎng)絡(luò)目前主要覆蓋變電站，建設(shè)成本高，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域在變電站抄表、230M 基站。

2.2 本地通信信道

用電信息采集系統(tǒng)中的本地通信指采集器/采集終端和表計之間的通信，包括 RS-485 通信、RS-232 通信、低壓載波通信、小功率無線電通信、紅外通信等。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)如Zigbee，無線HART 技術(shù)也開始應(yīng)用到采集系統(tǒng)通信中[5]，如圖2所示。但是該技術(shù)本身尚未成熟應(yīng)用，而且對許多工作環(huán)境復(fù)雜的情況效果不顯著。

3 EPON 技術(shù)及優(yōu)勢

圖2 無線傳感器抄表網(wǎng)絡(luò)模型圖

為了克服上述通信技術(shù)的缺點，光纖專網(wǎng)是一種有效的解決技術(shù)。以一次側(cè)電力網(wǎng)分布拓?fù)錇榛?礎(chǔ)，電力光纖通信網(wǎng)按照變電站逐級延伸。這種有源光網(wǎng)絡(luò)主要依賴設(shè)備包括PCM 設(shè)備，光收發(fā)器，光交換機等。在用電信息采集中，數(shù)據(jù)的采集直接分布到用戶側(cè)，分布范圍廣泛，節(jié)點密集程度差異大，數(shù)據(jù)流因時間和地點變化幅度大，因此如果沿用傳統(tǒng)的有源光網(wǎng)絡(luò)，不僅會造成建設(shè)難度大，建設(shè)成本高，而且會帶來數(shù)據(jù)空間浪費，維護困難。EPON 技術(shù)基于無源光網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備包括光線路終端（OLT），用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和分光設(shè)備（ODN）三類。典型的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EPON 典型網(wǎng)絡(luò)圖

在采集系統(tǒng)中引入EPON 技術(shù)，可以適應(yīng)采集終端分布的特點，解決GPRS、載波、WSN 等技術(shù)難以避免的問題，從設(shè)備到組網(wǎng)還具有多個方面的優(yōu)勢[6]，主要體現(xiàn)在：

1）設(shè)備簡單，組網(wǎng)方便。EPON 技術(shù)只有三類規(guī)范的設(shè)備，組網(wǎng)上行信道既可以與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程信道相融合，還可以借助于配網(wǎng)自動化也已建設(shè)好的EPON 專網(wǎng)。分光器設(shè)備可以做到1∶8，1∶16 或者1∶32 分光，可以組成星形、樹形或總線網(wǎng)等拓?fù)?，適應(yīng)多種場合的需求，且維護中沒有機房建設(shè)和電源配備成本。

2）傳輸頻帶寬，容量大，可靠性高。EPON 基于IEEE802.3ah 標(biāo)準(zhǔn)，兼容以太網(wǎng)技術(shù)，可提供上下對稱高速傳輸速率，且可使用SNMP 協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。設(shè)備的使用壽命長，在基本的“手拉手”結(jié)構(gòu)中，ONU 設(shè)備之間互為備份，可充分滿足AMI數(shù)據(jù)采集的實時性、可控性和可靠性。

3）配置冗余，適合技術(shù)擴展。EPON 組網(wǎng)的設(shè)備容量，信道帶寬及組網(wǎng)方式，在采集系統(tǒng)中都可以提前設(shè)計對應(yīng)的級別冗余，滿足未來網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)升級，業(yè)務(wù)擴充和管理。

4 地區(qū)EPON 采集系統(tǒng)建設(shè)

4.1 遠(yuǎn)程通信專網(wǎng)

地區(qū)建設(shè)電能信息采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重點要考慮已有的光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，繼而將EPON 技術(shù)融合其中。在遠(yuǎn)程通信中，現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)SDH 或MSTP 平臺已經(jīng)覆蓋包括主站系統(tǒng)、變電站和開關(guān)站等，因此借助該基礎(chǔ)，需要向接入網(wǎng)進(jìn)一步延伸，將拓展光纖專網(wǎng)至開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、開關(guān)柜和臺區(qū)變壓器等。典型的EPON 采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于EPON 的光纖專網(wǎng)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)圖

其中，開閉所的OLT 設(shè)備將數(shù)據(jù)匯聚后使用千兆以太網(wǎng)的格式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冸娬維DH/MSTP 的EoS 板的以太網(wǎng)接口。在工程實踐中，因設(shè)備代別之間的差異造成EoS 板的GE 接口不夠擴充OLT 設(shè)備使用時，可以使用二次匯聚的方式。即在OLT 與SDH/MSTP 設(shè)備之間增加一個L3 層交換機，先將多個OLT 的數(shù)據(jù)匯聚成GE 端口，再與EoS 的GE端口對接，也便于以后業(yè)務(wù)擴容。

4.2 本地通信方案

融合EPON 的采集系統(tǒng)本地通信方式，需要結(jié)合已經(jīng)建設(shè)的前幾代技術(shù)運行方式，進(jìn)行分析和檢驗，既要考慮采集性能，又要在已具規(guī)模的系統(tǒng)基礎(chǔ)上考慮改造工程的合理性，節(jié)約總體成本和維護的能效[7]。一般來說，本地通信的改造方案有如下幾種。

1）方案一：EPON+光纖智能表

這種方案從用戶側(cè)的ONU/OLT 直接通過光纖到用戶電表，實現(xiàn)光纖到戶的“光纖全過程通信”，將用電信息傳輸?shù)街髡?。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。這種方案實時性好，可靠性高，但是建設(shè)成本高，改造工程復(fù)雜。

圖5 EPON+光纖智能表采集結(jié)構(gòu)圖

2）方案二：EPON+集中器/采集終端+光纖智能表

這種方案將用戶側(cè)的ONU 直接通過尾纖延伸到集中器/采集終端的遠(yuǎn)程通信模塊，同時在本地通信中也使用可替代載波通信（PLC）或其他通信的模塊，引出塑料光纖連接到光纖電能表。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 EPON+集中器/采集終端+光纖智能表 采集結(jié)構(gòu)圖

這種方案可以基于現(xiàn)有的集中器/采集終端，在改造時，可以將戶表和關(guān)口表上的載波或者RS485通信的模塊換成外形與插口相同且兼容的光纖模塊，將集中器/采集終端的GPRS 等通信模塊替換成兼容的尾纖通信模塊，實現(xiàn)“尾纖+朔料光纖”的延伸到戶，采集通信的實時性和可靠性較高。

3）方案三：EPON+ 集中器/采集終端+ 混合智能表

這種方案在ONU 與集中器/采集終端之間使用光纖通信，在集中器/采集終端與智能電表之間的本地通信保持原有的通信方式不變。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。因此工程改造量小，成本低，但是限制了光纖通信在本地通信中的優(yōu)勢發(fā)揮。

4）方案四：GPRS+集中器/采集終端+光纖智能表

考慮到部分地區(qū)實現(xiàn)光纖到臺區(qū)或者專變有困難，保持遠(yuǎn)程通信方式為GPRS 不變，改造集中器/采集終端與電表之間為光纖通信，從而避免PLC、RS485 等本地通信方式的缺點，但是采集系統(tǒng)在實時性和可靠性方面使采集系統(tǒng)受制于GPRS 通信方式。

圖7 EPON+集中器/采集終端+混合智能表采集結(jié)構(gòu)圖

4.3 長沙地區(qū)試點

長沙地區(qū)采集系統(tǒng)始建于20 世紀(jì)90年代，覆蓋面遍及城區(qū)范圍和所轄四縣局供電范圍，信息采集終端安裝覆蓋率及負(fù)荷控制能力分別達(dá)到地區(qū)電網(wǎng)用電負(fù)荷的100%和20%。發(fā)展至今，現(xiàn)有臺區(qū)10000 余個，專變2000 多戶。由于技術(shù)歷史沿革等原因，采集系統(tǒng)中遠(yuǎn)程通信GPRS、230M、光纖通信并存，本地通信PLC、小功率無線、RS485 等多種方式并存。隨著采集終端維護工作的深入開展，如何合理改造，提高采集終端投運率、采集成功率等指標(biāo)一直是計量人員的重大職責(zé)。本次改造中選擇長沙保利國際、美洲豹等四個臺區(qū)進(jìn)行試點，結(jié)合實際臺區(qū)情況，因地制宜分別選擇四個方案，選擇一個月的測試數(shù)據(jù)分析，試點測試結(jié)果見表1。

表1 試點結(jié)果

5 結(jié)論

通過測試，四個方案的應(yīng)用效果區(qū)別較為明顯。從智能電網(wǎng)中的AMI 系統(tǒng)要求出發(fā)，各個地市建立優(yōu)質(zhì)和堅強可靠的電能信息采集系統(tǒng)的意義是不言而喻的。在通信技術(shù)日新月異的時代背景下，采集系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)方案也面臨著多元化的選擇。EPON技術(shù)作為其中的一種，其優(yōu)勢在電力與通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合越來越緊密，“光進(jìn)銅退”的趨勢下日益明顯。遵照各地區(qū)的技術(shù)基礎(chǔ)、民居結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟水平，采用合適的方案，將EPON 技術(shù)融合進(jìn)采集系統(tǒng)改造和建設(shè)中，可以進(jìn)一步提高采集成功率，臺區(qū)線損合格率及采集系統(tǒng)的實時性和可靠性，也可作為推廣智能小區(qū)“四網(wǎng)融合”的有力借鑒。

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