智能配用電通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

汪玉成　楊陽　王紅全　占永紅

[摘要]隨著智能配用電網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能配用電網(wǎng)通信網(wǎng)的新技術(shù)也不斷呈現(xiàn)，由于智能配用電網(wǎng)覆蓋面廣、節(jié)點多、建設(shè)難度大等原因，一直以來缺乏適用的通信技術(shù)和建設(shè)模式。論文首先分析了智能配用電通信網(wǎng)建設(shè)面臨的問題，明確智能配用電通信網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)研究的重要性；隨后，介紹了智能配用電通信網(wǎng)的定義、網(wǎng)絡(luò)模型和體系結(jié)構(gòu)；最后，在分析的基礎(chǔ)上，對智能配用電網(wǎng)的特殊應(yīng)用場景與組網(wǎng)技術(shù)進行了深入研究，包括光纖和EPON/GPON技術(shù)、電力線載波通信（PLC）技術(shù)、GPRS/CDMA/3G公網(wǎng)無線技術(shù)等。論文的研究成果，能夠為大規(guī)模智能配用電通信網(wǎng)建設(shè)，提供有力的理論指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]智能配用電通信網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)模型；體系結(jié)構(gòu)；組網(wǎng)技術(shù)

[中圖分類號]TP393 [文獻標(biāo)識碼]A

1 引言

智能電網(wǎng)是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的方向，它包括發(fā)、輸、變、配、用和調(diào)度等各環(huán)節(jié)，應(yīng)用新型控制技術(shù)、信息技術(shù)和管理技術(shù)，實現(xiàn)信息的智能交流。目前，我國智能電網(wǎng)建設(shè)工作已經(jīng)全面展開，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能電網(wǎng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)也逐步發(fā)展和完善，對電力通信網(wǎng)傳輸帶寬和可靠性等方面提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。配用電通信網(wǎng)是電力通信網(wǎng)絡(luò)平臺的重要組成部分，是電力骨干通信網(wǎng)的向下延伸。

智能配用電通信網(wǎng)應(yīng)具備較高的帶寬和傳輸速率，以保障海量數(shù)據(jù)通信的雙向、及時、安全、可靠傳輸，而無論采用何種通信技術(shù)，均有其優(yōu)點和缺點。因此，智能配用電通信網(wǎng)并不適合用單一的通信技術(shù)組網(wǎng)。此外，配用電網(wǎng)絡(luò)是電網(wǎng)系統(tǒng)中規(guī)模最小、數(shù)量最多的末梢網(wǎng)絡(luò)，但它是一個多節(jié)點、多分支、多交叉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這樣的一個點數(shù)繁多、分布無規(guī)律的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征，使得現(xiàn)有的配用電通信網(wǎng)大多為各地各部門根據(jù)實際需要分散建設(shè)，缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。技術(shù)體制和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)各地相差甚大，電力通信基礎(chǔ)資源不能得到有效利用。因此，智能配用電網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)研究的理論意義和應(yīng)用價值日益凸顯，成為一個重要的研究熱點。

2 智能配用電通信網(wǎng)定義及其網(wǎng)絡(luò)模型

智能配用電通信網(wǎng)是電力骨干通信網(wǎng)的向下延伸，是骨干網(wǎng)的接入層網(wǎng)絡(luò)，向下覆蓋到智能配電網(wǎng)各級站點、用戶智能電表及室內(nèi)通信終端、電動汽車充電站和分布式能源站點等相關(guān)設(shè)備，設(shè)備數(shù)目繁多，種類多樣，且基本都處于中低壓運營環(huán)境下。由于設(shè)備有各自的用途，承擔(dān)的功能和業(yè)務(wù)種類繁多，對通信質(zhì)量和通信方式的要求也不盡相同。因此，智能配用電通信網(wǎng)是一個適用于不止一種通信技術(shù)和通信手段的通信網(wǎng)絡(luò)，并且每一種技術(shù)都根據(jù)其技術(shù)特點有其相應(yīng)承擔(dān)的業(yè)務(wù)和適用場景。智能配用電通信網(wǎng)是一個多種技術(shù)并存的復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)。

綜合智能配用電通信的需求預(yù)測、信息流量實時性與安全性的分析與計算，智能配用電通信網(wǎng)以配網(wǎng)末端邊界和用戶智能電表為分界點，分為配電通信網(wǎng)、用戶接入網(wǎng)和用戶室內(nèi)網(wǎng)三個層次。網(wǎng)絡(luò)模型圖如圖1所示。配電通信網(wǎng)絡(luò)范圍主要覆蓋配電網(wǎng)開關(guān)站、配電室、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、公用配電變壓器、分布式能源站點、配電線路等的通信網(wǎng)絡(luò)，并向下延伸用于接入或匯聚用戶接入網(wǎng)和用戶室內(nèi)網(wǎng)的業(yè)務(wù)，主要承擔(dān)配電自動化以及用電信息采集的遠程通信等業(yè)務(wù)。用電接入網(wǎng)絡(luò)范圍主要覆蓋智能用電公變出口至用戶智能電表、電動汽車充電站、分布式能源站點等的通信網(wǎng)絡(luò)，并向下延伸用于接入用戶室內(nèi)網(wǎng)，主要承擔(dān)用電信息采集、雙向互動用電、智能家居、增值業(yè)務(wù)等。用戶室內(nèi)網(wǎng)范圍為用戶室內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)，連接各種未來智能家居適用的智能終端設(shè)備，諸如家庭網(wǎng)關(guān)、智能交互機頂盒、IP電話、智能家電、智能家庭安全防護、智能家庭水氣表抄手等等，用于實現(xiàn)雙向互動用電服務(wù)、智能家電控制及增值業(yè)務(wù)服務(wù)等一系列智能家居通信的通信網(wǎng)絡(luò)。

3 智能配用電通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，配用電通信網(wǎng)承載的主要業(yè)務(wù)是配電自動化業(yè)務(wù)、用電信息采集系統(tǒng)業(yè)務(wù)和智能用電業(yè)務(wù)，從業(yè)務(wù)角度，配電自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)分為骨干通信網(wǎng)絡(luò)和接入層通信網(wǎng)絡(luò)，其中骨干通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)配電主站到配電子站間的通信，對應(yīng)了圖2中的電力通信光纖骨干網(wǎng)；接入層通信網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)配電子站到配電終端之間的通信，對應(yīng)于圖2中的配電通信網(wǎng)；用電信息采集系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)分為遠程通信網(wǎng)絡(luò)和本地通信網(wǎng)絡(luò)。其中遠程通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用電主站和集中器之間的通信，對應(yīng)于圖2中的電力骨干光纖通信網(wǎng)和配電通信網(wǎng)。本地通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集中器和采集器及表計之間的通信，對應(yīng)于圖2中的用戶接入網(wǎng)。智能用電業(yè)務(wù)則依靠智能電表和各個家庭智能用電終端之間的通信來實現(xiàn)。對應(yīng)于圖2中的用戶室內(nèi)網(wǎng)。

4 特殊應(yīng)用場景與組網(wǎng)技術(shù)分析

為了深入分析智能配用電通信網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的特點，本文在特定的應(yīng)用場景下分析相對應(yīng)的技術(shù)。

4.1 EPON適用場景組網(wǎng)分析

基于前面提到的EPON技術(shù)特點和智能電網(wǎng)的建設(shè)需求和目標(biāo)，未來的智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的架設(shè)，光纖通信將是主要通信方式。采用光纖通信方式，對于配電通信網(wǎng)建設(shè)可鋪設(shè)OPPC光纜，對用戶接入網(wǎng)的建設(shè)，根據(jù)其雙向互動、智能家居、增值業(yè)務(wù)等特點，可采用PFTTH光纖專網(wǎng)通信技術(shù)，保障其信道帶寬、實時性、安全性以及可靠性。智能小區(qū)用戶室內(nèi)網(wǎng)通信建設(shè)方式可采用以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）技術(shù)，在用戶室內(nèi)配置ONU終端，用戶智能交互終端、智能機頂盒、IP電話、電腦、智能家電等設(shè)備通過以太網(wǎng)借口和ONU終端互聯(lián)。實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、有線電視、視頻等業(yè)務(wù)的信號接入，滿足智能家居和智能小區(qū)建設(shè)的要求。

智能電網(wǎng)骨干通信網(wǎng)建設(shè)將在很大程度上采用光纖通信，因此采用光纜來鋪設(shè)智能配用電通信網(wǎng)具有先天優(yōu)勢，EPON技術(shù)的高帶寬、安全性和可靠性方面的優(yōu)勢，將使其在經(jīng)濟條件滿足的情況下成為智能配用電通信網(wǎng)接入的首選技術(shù)。在經(jīng)濟發(fā)達的沿海地區(qū)和大中型城市中，可統(tǒng)一采用光纖和EPON技術(shù)來建設(shè)智能配用電網(wǎng)絡(luò)，特別是在新建小區(qū)中，不需要重新布線，一次性敷設(shè)就可完成，采用EPON技術(shù)更加符合智能配用電網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)和用戶對智能配用電通信網(wǎng)絡(luò)的越來越高標(biāo)準(zhǔn)的需求，適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，為實現(xiàn)智能城市和智能家居做更好的準(zhǔn)備。

4.2 電力線通信適用場景組網(wǎng)分析

由于智能配用電網(wǎng)絡(luò)是中低壓電網(wǎng)，需要連接大量的用電設(shè)備，這給智能配用電通信網(wǎng)的建設(shè)帶來了極大的困難。電力線載波通信（PLC）是一種現(xiàn)在比較成熟的技術(shù)，是電力系統(tǒng)的特有的通信方式，它利用電力線纜作為傳輸媒質(zhì)，通過載波傳輸語音和數(shù)據(jù)信號的通信方式，使其不需要另外架設(shè)通信線路，這種特點，使其在智能配用電通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中仍然有很高的應(yīng)用價值。

在配電通信網(wǎng)建設(shè)中可采用中壓PLC通信，承載用電配變和調(diào)度信息的通信，在用戶接入網(wǎng)建設(shè)中可采用寬帶載波，為配用電網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)和集中自動抄表系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。在用戶室?nèi)網(wǎng)建設(shè)中，電力貓和智能電表互聯(lián)，IP電話、電腦、智能交互機頂盒等對帶寬和數(shù)據(jù)速率要求較高的設(shè)備通過寬帶載波和電力貓、智能交互終端互聯(lián)；智能洗衣機、智能空調(diào)、智能熱水機等需要傳輸控制信息的智能家電設(shè)備可通過窄帶載波與智能交互終端互聯(lián)：實現(xiàn)用戶室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的組建和信息傳輸。

電力線載波通信建設(shè)智能配用電通信網(wǎng)無需重新布線，建設(shè)經(jīng)濟快捷方便，因而使用范圍極廣，在現(xiàn)在配用電通信網(wǎng)應(yīng)用中依然是主流方案，但是由于其自身存在的技術(shù)缺陷，在未來智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的建設(shè)中，它將起到一個輔助和補充的作用。

4.3 GPRS/CDMA/3G等無線技術(shù)適用場景組網(wǎng)分析

GPRS/CDMA/3G等公網(wǎng)無線技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)組建上面的優(yōu)勢非常明顯，它通信方面的各種技術(shù)成熟度非常高，商業(yè)運作模式也非常成熟，這使其在建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)是無需重新布線，預(yù)算、仿真、設(shè)備和商家支持方面都非常成熟，具有一套非常完整和齊全的產(chǎn)業(yè)鏈和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案。鑒于公網(wǎng)無線技術(shù)的優(yōu)勢，在智能配電用通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中必然有其用武之地，在智能配用通信網(wǎng)、用戶接入網(wǎng)中均能適用，把配用電通信網(wǎng)配變、接入各個環(huán)節(jié)和設(shè)備用無線通信的方式連接起來，進行通信。在用戶室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，可采用微功率無線技術(shù)，也可采用PLC技術(shù)。

適用GPRS/CDMA/3G等公網(wǎng)無線通信技術(shù)建設(shè)只能配用電通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本很低，但是需要每年向公網(wǎng)運營商租用帶寬，使用成本較高，而且由于配用電數(shù)據(jù)信息對數(shù)據(jù)的保密性要求較公網(wǎng)數(shù)據(jù)信息高，可靠性要求難以滿足電力系統(tǒng)信息傳輸?shù)囊?，信息通過公網(wǎng)接入電力專網(wǎng)時應(yīng)采取必要的安全措施，因此實際建設(shè)配用電通信網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該以實際需要為準(zhǔn)。決定是否采用無線公網(wǎng)技術(shù)以及在何處適用無線公網(wǎng)技術(shù)來組網(wǎng)。

5 結(jié)束語

當(dāng)前有多種組網(wǎng)方式可以用來搭建智能配用電通信網(wǎng)。但是需要針對各自的場景采用合適的組網(wǎng)方式。

光纖和EPON、GPON技術(shù)建設(shè)智能配用電通信網(wǎng)，建設(shè)成本高、建設(shè)周期長，需要大量的光纜敷設(shè)和配套的設(shè)備建設(shè)，花費大，但是技術(shù)明顯具有優(yōu)勢，在不考慮建設(shè)成本的情況下，一旦建成，將能滿足智能配用電通信網(wǎng)的各種業(yè)務(wù)通信需求，滿足未來智能電網(wǎng)的發(fā)展和需要，并且具有非常好的適應(yīng)性和可擴展性。從長遠角度來看，采用光纖和EPON、GPON技術(shù)建設(shè)智能配用電通信網(wǎng)價值巨大，應(yīng)當(dāng)首先選擇。

電力線載波通信（PLC）技術(shù)建設(shè)智能配用電通信網(wǎng)，無需重新鋪設(shè)線路、建設(shè)周期短、經(jīng)濟成本具有明顯的優(yōu)勢，但其在信號衰減和帶寬等方面的技術(shù)缺陷，導(dǎo)致其并不能完全符合智能配用電通信網(wǎng)的要求，特別是雙向互動業(yè)務(wù)和語音、視頻等增值業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，對智能配用電通信網(wǎng)帶寬、速率等指標(biāo)提出了更高的要求。電力線載波通信（PLC）技術(shù)在目前的智能配用電通信網(wǎng)建設(shè)中依然應(yīng)用范圍很廣?？勺鳛楣饫w通信的主要輔助手段，并且一旦解決其技術(shù)問題之后，依然大有可為。

GPRS/CDMA/3G等公網(wǎng)無線技術(shù)建設(shè)周期短、成本低，但是后期運營成本較高，并且一旦接人大量的用戶，通信質(zhì)量并不能夠得到保證，與智能配用電通信的特點在根本上有著一定矛盾，但在一定范圍內(nèi)。其仍然有很高的應(yīng)用價值，可以根據(jù)實際情況選擇使用。

TD-LTE、WiMAX等技術(shù)作為無線專網(wǎng)來建設(shè)智能配用電通信網(wǎng)可靠性較高。通信量較大，具有很高的應(yīng)用價值，但是其網(wǎng)絡(luò)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)體系上還不夠完整，頻率的使用上也有一定的問題。但是發(fā)展電力無線專網(wǎng)是解決電力通信的一大關(guān)鍵，特別是在一些地區(qū)，光纖通信和電力線載波通信等有線信道力有不逮的情況下，電力通信必須依靠無線方式解決。電力無線專網(wǎng)通信將在智能配用電通信網(wǎng)建設(shè)中占有相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

通過以上各種技術(shù)適用場景組網(wǎng)分析，綜合技術(shù)特點、經(jīng)濟成本和建設(shè)周期等因素，再結(jié)合智能電網(wǎng)的發(fā)展前景和要求，智能配用電通信網(wǎng)建設(shè)應(yīng)當(dāng)以光纖通信技術(shù)為主，以電力線載波通信和無線通信技術(shù)作為補充的方式進行。