李东恒

（广东电网有限责任公司韶关供电局，广东 韶关 512000）

0 引言

配电网服务用电客户，配电网通信则服务电网的其他二次专业，包括配电网计量、自动化以及智能感知等。智能电网虽然一直在变化发展，但坚强可靠的端到端信息传输通道是智能电网和大数据的基础。随着《广东电网有限责任公司配电网规划技术指导原则》修编完成并发布，智能电网的发展逐渐明晰。“安全、可靠、绿色、高效”是智能配电网的总体建设要求，细化到配电网智能化水平的具体要求即“可观、可测、可控”，适应新能源、新技术和新应用的发展需求。配电网通信规划须结合配电网的基本情况展开。

配电网通信服务用户数量多，分布广，拥有丰富的线行通道资源，且建设光纤成本较运营商低。

当前区域内配电网通信的主要方式为无线公网、载波、卫星和LoRa，其中LoRa 和卫星通信为主要的补充方式，适用于山区、地下室以及室内等部分无线公网信号薄弱区域。

配电网通信的主要问题在于计量业务下行分段传输带宽低。通道带宽70%用于基本的计费功能，限制了智能电网和大数据的发展。随着业务需求的增长，无线公网通道租赁费用日益庞大，每年资费已经达到500 万元。此外，山区、地下室以及室内等部分区域，无线公网信号存在盲区。

虽然信号盲区问题部分可以通过与运营商谈判或采用LoRa、卫星等高成本方式解决，但网络性能参数和资费问题并没有得到根本解决。配电网通信规划不能满足未来智能电网的发展需求。

规划服务于需求，同时引导需求。因此，高带宽、低延时是未来配电网通信的规划建设方向，同时电网企业应该结合自身配电网一次网架分层分段的结构特点，利用丰富的线行通道资源规划建设配电网通信。

通过分析国内以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）在电网中的运用，总结EPON、LoRa、光纤以及4G 等配电网通信方式在区域中的规化建设经验，综合分析比较成本和智能电网发展的多方面因素，分析选取适合的运行方式。目前，国内对配电网引入EPON 技术已经多有研究，也有相应的《电力光纤到户施工及验收规范》，但缺乏对县域电网及老旧分散小区的建设规划。究其原因，在于以往规划都是基于运营商的光纤到户标准，并没有结合配电网的一次网架分层分段特点（配电房（分接箱）—公变台区—用户），不能有效利用线行通道资源，导致无源光网接入资源浪费、投资成本较高。本文针对配电网通信服务的对象进行分析，结合中压馈线分层分段结构特点，提出基于EPON 的韶关10 kV 中压馈线二级1:8+1:8分光规划建设方案，以解决配电网通信网络接入受限问题。

配电网投入、产出评价指标体系需要考虑多方面因素［1］，其中配电网通信主要体现在装备水平方面，同时需综合考虑效益。结合配电网实际情况，无源光网络技术在配电网通信中应用具有综合优势。电网企业在发展配电网通信中，需满足自身高带宽、低延时业务要求。在控制成本的前提下，利用本身丰富的线行通道资源和建设成本低于运营商的优势，应着力建设光纤及无源光网，并适时建设电网的5G 专网或将资源租赁、共享［2］，从而为国家5G 发展添砖加瓦。下面将从现状、需求分析、方案以及综合因素评估等方面进行阐述。

1 现 状

配电网通信服务的对象主要有配电网计量130万智能电表用户、配电网自动化3 000 个10 kV 中压馈线的自动化开关和智能感知30 000 个低压台区。其中，配电网计量和自动化业务现状通信需求较为清晰。计量主要需求为基本的计费功能需求，自动化主要为三遥需求（遥信、遥测、遥控）。智能感知业务由于是智能电网发展的新需求，尚未明确，故重点阐述计量和自动化业务现状。

1.1 当前配电网通信的主要方式

研究区域内配电网通信主要方式为无线公网、载波、卫星和LoRa，如图1 所示。其中，计量低压集抄为主站-集中器-智能电表，传输方式为无线公网和载波，即主站到集中器为无线公网，集中器至智能电表为载波方式；自动化主要为无线公网；LoRa 和卫星通信为主要补充方式，适用于山区、地下室以及室内等部分无线公网信号薄弱区域。

1.2 配电网通信业务需求分析

配电网通信作为辅业，需要根据配电网其他二次专业需求制定规划，但目前二次专业呈现各自为政、各自组网的状态。计量专业采用主站+集中器+智能电表的三级网络拓扑结果，自动化采用主站+三遥点的二级网络拓扑。其中，计量的网络拓扑结构中，主站到集中器采用无线公网通信方式，集中器至智能电表主要采用窄带载波通信方式，可完成了历史任务暨百分百的自动化抄表率。由于在集中器至智能电表段（下文称之为“下行”）的带宽限制（在只有kb 级带宽），下行段70%带宽用于基本的计费信息报送（见表1）。

自动化专业采用主站+三遥点的二级网络拓扑，主要使用无线公网，能最快满足自动化普通三遥开关的通信需求。但是，随着自动化要求的不断提高和智能电网的发展，通信作为配电网自动化的基础支撑，对配电网供电可靠性的支撑主要体现在以下几个方面。

第一，有效提高故障定位隔离后故障信息和开关分合闸信息的获取及时性，辅以表计终端信息，可准确判断停电开关，提前发送故障信息安抚停电用户。在电流级差型、电压时间型以及电压电流型技术路线下，假定运维有效且通信可靠的前提下，它比传统用户报障停电可提前15 min，全局用户故障平均停电时间预计减少0.25 h。

表1 计量现状数据报送情况

第二，依托配电网通信实现远程遥控，降低合环操作人身风险，以远程遥控（分合，功能软压板投退）降低运维人员工作量。

第三，依托配电网通信快速遥控转电，降低主配电网事件风险等级。30 min 可实现35 kV 及以上失压母线及变电站10 kV 线路的快速转电，降低事件风险等级。

第四，设备运行状态实时监测、预警，指导业扩报装及规划，解决盲调问题。

研究区域自动化技术路线的通信需求，如表2所示。

表2 自动化需求

普通控制区即普通三遥设备，智能分布式控制区即智能分布式功能三遥设备。无线公网4G 的理论时延50 ms，已经无法满足智能分布式控制区三遥设备的通信要求，同时山区、地下室以及室内等部分区域无线公网信号存在盲区。虽然信号盲区问题部分可以通过与运营商谈判（增加基站布点、加装信号中继或放大器等方式）以及采用LoRa、卫星等高成本方式解决，但网络性能参数和资费问题并没有得到根本解决，因此当前的配电网通信规划不能满足未来智能电网的发展需求。

综上所述，当前配电网计量、自动化的通信方式及网络拓扑结构，已经不能满足未来智能电网的发展需求，如计量的下行通道带宽冗余不足，自动化开关使用无线公网存在不满足时延要求和信号盲区的问题。

配电网通信规划不应脱离配电网馈线的骨干，应依附于配电网馈线发展延伸，同时考虑成本。在配电网网格化规划的背景下，文献［3］提出每个网格依据可靠性目标制定备选规划项目，构建考虑停电损失的项目全寿命周期成本模型，将可靠性量化目标转化为经济成本。

2 EPON 对比其他通信方式的优劣

无线公网+载波为主、LoRa 及卫星为辅的规划运行方式，主要出发点是满足基本业务需求。这种运行方式中，带宽及时延等网络参数落后，是各自为政、各自组网的结果。其中，集中器至智能电表的低压载波集抄方式（非实时、秒级时延、kb 级带宽）已经不能满足未来智能电网和大数据的发展需求，因此统一规划至关重要。从配电网通信服务的客户来看，有数量大和基本沿电力线行分布两个基本特点。

电网企业的最大优势在于通道资源。光纤建设主要沿电力线行铺设，大部分不需要另行开挖敷设通道，光纤建设成本远低于运营商。智能电表直接面对客户，是与用户交互的“端”。信息流的接入点，也可以是输出点（竞争性业务或交互终端等）。但是，当前沿用的无线公网+载波形式，70%带宽用于基本电量计费数据传送，无论是安全性和可靠性，还有数据接入能力，都极大受限。

在电力规划层面，智能电网大规模新建或改造10 kV 线路，同期配套建设光纤，形成了智能电网神经系统的骨干通道。只需要强化接入能力，完善改造光纤接入网即可。坚强、可靠、高带宽、低延时的端到端信息传输通道，是智能电网和大数据的基础。

下面对主要通信方式进行对比分析，见表3。

表3 技术路径网络参数对比

由于5G 尚未正式商业化，预测存在盲区问题，暂无官方定价。公网4G 方面同样存在偏远地带和地下区域等弱信号、无信号盲区。光纤作为通信的主要方式，其沿电力线铺设成本低，但存在地埋管道光缆建设成本高、实施面临道路开挖限制的难题。

NB-IoT 和LoRa 覆盖广，电池寿命长，终端成本低。其中，NB-IoT存在商业化但尚不成熟的问题。LoRa 虽然自建网络无需通道租赁费用，但建设成本总体偏高。LoRa 造价参考研究区域的实际项目经验，50 万建设25 个点接近卫星通信造价，可见其在特定应用场景可以作为补充通信模式。

宽带载波可以利用线路资源优势，但由于技术老旧，更换模块成本高，存在受外界信号干扰和噪声的影响大等问题，且其网络参数较为落后。文献［4］提出能源互联网利用互联网信息平台达到能量按需双向流动的目的，同时以等值投资成本和运行成本为最小目标。可见，提高通信系统支撑能力是智能电网通信系统的发展方向。

无源光网中的EPON 技术成熟，对原有光纤网架改动量少，使得光纤利用率以几何倍数级提高，具备配电网业务全接入能力。文献［5］配电网路径规划复杂，但结合配电网线路现状，主要作为附属设备建设。初步评估成本后发现，它的建设成本与宽带载波建设成本差别不大。

低时延和高带宽是通信发展的方向。在综合考虑成本的情况下，结合配电网通信服务的客户分布特点，以沿电力线行铺设主干光缆为主，以个别情况另行建沟铺设为辅。利用无源光网技术中EPON 大接入能力的特点实现业务的全覆盖，从10 kV 主干线路的自动化三遥逐步延伸至公变台区，并最终接入智能电表或计量交互终端。这是配电网迈向智能化通信规划的最优方案。

电网有着丰富的线行通道资源，建设光纤成本较运营商低。它在解决配电网通信资源无法支撑智能电网需求的同时，也为国家应对5G 商营中遇到的难题提供了一种解决思路。5G 网络试运营阶段，中国电信获得了3 400～3 500 MHz 共100 MHz 带宽的5G 试验频率资源，中国联通获得了3 500～3 600 MHz 共100 MHz 带宽的5G 试验频率资源，中国移动获得了2 515～2 675 MHz、4 800～4 900 MHz 频段的5G 试验频率资源［6］。

表4 频段、波长分布

对比2G、3G 和4G 可以发现，5G 本质是高频短波，其高频段频率传播半径短的特性将导致光纤建设需求大增，同时基站布点需更加密集。参考WiFi 的频率波长可以得出，5G 的信号传输距离将从4G 的百米量级降为十米量级。

5G 同样基于光纤，十米量级的单位将导致光纤建设需求大增。电网企业拥有丰富的线行资源，光纤成本低廉，建设成本主要为通道资源费用。在建设电网的通信专网满足自身专网通信需求的同时，可以将光纤和无源光网资源作为与运营商合作的前提，或是租赁给运营商，或是自建5G 专网。

3 基于配电网馈线结构提出1:8+1:8二级分光模式

3.1 EPON 技术解决电网问题的原理

EPON 是基于以太网的PON 技术（无源光网络技术）［7-9］。它采用点到多点结构，应用无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务，基础结构如图2所示。

EPON 具备全部智能电表量级接入能力，下行方向采用广播方式，即OLT 发出的以太网数据报经过一个1:n的无源光分路器或几级分路器传送到每一个ONU［10-15］，这里n的典型取值在范围为4～64（受可用的光功率预算限制）。这种行为特征与共享媒质网络相同。在下行方向，OLT 广播数据包，而目的ONU 有选择地提取。二级分光模式通过-10log(1/n)进行计算（n=m时，n为分纤数，m为接入电表数或终端）。采用的1/8 二级分纤方案，主干光纤网架末端增加分光网架，即主干2 →64 →512 →4 096 个业务接入能力。

它针对不同用户配置灵活，能够解决配电网通信运行方式接入带宽低的问题。EPON 上行方向采用时分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA）方式，实现多个ONU 对上行带宽的多址接入。它的带宽分配方案可分为静态带宽分配和动态带宽分配。静态带宽分配方式的原理是OLT 周期性地为每个ONU 分配固定的时隙作为上行发送窗口，实现简单，但存在带宽利用率低、带宽分配不灵活以及对突发性业务适应能力差等问题。动态带宽分配（Dynamic Bandwidth Allocation，DBA）是实时地（ms/ns 量级）改变EPON 的各ONU 上行带宽的机制。根据业务流量突发情况，可以利用该机制动态分配带宽。用电信息采集等业务节点，主要依附于以分支箱/分接箱为父节点的星型或树状结构，与文献［16］智能变电站的过程层、间隔层以及站控层设备的通信层级类似。

因此，综合电网的线行资源优势，沿中压线路铺设主干光缆，同时将配电房、分接箱及台区作为节点，利用EPON 接入能力，沿低压线组建无源光网络，满足智能电网台区视频环境监控等业务对大带宽和低延时通道的需求。

3.2 配电网EPON 的1:8+1:8 二级分光模式

配电网计量和自动化业务的二级拓扑结构主要是针对其业务所在节点而形成的，如图3 的馈线分层分段结构所示。计量业务和自动化业务分别处于环网点和变压器，因此需根据配电网馈线结构来规划光纤结构，这是配电网通信规划的重点。

EPON 分光模式的最大分光比能达到128，但此分光模式的层级节点单一、有效传输距离过短，不适应配电网的一次网架分层分段结构。结合电网10 kV 线路长度要求，10 kV 线路A+、A 类供电区域供电半径不宜超过3 km，B、C 类不宜超过5 km，D 类不宜超过15 km。

考虑到配电网低运维强度需求和实际运行条件限制，接入衰耗在22 dB 时为最佳运行条件。此外，根据10 kV 线路节点结构特点（配电房（分接箱）—公变台区—用户），提出二级1:8+1:8 分光模式，分别将OLT 和OBD 布置于配电房和台区，并可根据分支线灵活配置。10 kV 典型“2-1”单环网，如图3 所示。

由分光衰耗计算公式得：

因此，n=8 时，分光节点衰耗为-10.7 dB。

二级分光模式下，基于EPON 的PON 口最低灵敏度为-28 dB，ODF 插入损耗为-0.5 dB，二级分纤的耦合衰耗为2 dB。当发射功率为+3 dB时，3 km 线路长度和15 km 线长度的线路总衰耗分别为：

结果表明，在适配配网馈线二级节点结构的同时，也可以满足在极限长度下的传输衰耗要求。

在研究区域的配电网通信规划中，EPON 的应用场景主要为分散居民区和大型新建小区。

3.2.1 分散居民区

该类区域主要集中在老旧城区、县城区等，具有居民相对分散的特点，因此规划侧重点在台区。

采用1:8+1:8 二级分光模式的主要目标是优先覆盖低压台区。在如图4 所示的台区结构的配电变压器节点设置二级分光点，以ONU 模块实现光纤到表，从而实现多协议接入及高带宽信息传送通道搭建，如高清实时视频、无人机巡视、实时电量以及实时控制等。

如图5 所示，以研究区域内某县城区为例进行说明，其中配电房和分接箱下方标注的数字为用户数。

线路汇接点选取在配电房。光缆分配点选在用户较为集中的低压台区和各分接箱，负责该低压台区和各分接箱用户接入点的汇接。此外，在智能电表较为集中的低压台区附近设置一个用户接入点。最终，线路布局图如图6 所示。

3.2.2 大型新建小区

大型新建小区具有利用EPON 进行光纤到表的先天优势，方案种类繁多。经过论证，本次规划参照《住宅区四网融合设计技术原则》的原则，选择实施1:8+1:8 二级分光模式，如图7 所示。

一级分纤节点选取小区汇接点如会所、幼儿园等公用配电站，二级分纤节点选取各公变低压房，负责该公变低压房所带楼栋用户接入点的汇接。对于每层3 户的楼栋，每5 层15 户设置一个用户接入点，并利用皮纤延伸。对于低容积区域住户（叠院、别墅区），在电表房设置汇聚点，利用皮纤延伸。

由公变低压房向每个用户接入点建设一条配线光缆，导致管廊资源和ODF 安装位置占用多。结合现场安装位置考虑，在每栋楼的负一层强电井设置光缆分纤箱，由公变电压房至光缆分纤箱敷设一条配线光缆。楼层用户接入点放置光分路器，通过尾纤接至负一层光缆分纤箱。建筑布局如图8所示。

4 结语

虽然智能电网在不断发展变化，但坚强、可靠、高带宽以及低延时的端到端信息传输通道是智能电网和大数据的基础［17-20］。综合比较可知，无源光网络技术中的EPON 费效比最优，但目前基于EPON 的光纤规划都是基于运营商的光纤到户标准，不能有效利用电力线行通道资源，导致无源光网接入资源浪费、投资成本较高。规划设计的分散居民区应用场景方案和参考《住宅区四网融合设计技术原则》的大型新建小区应用场景方案，均需要根据配电网实际情况在实施过程中不断完善。因此，结合中压馈线通信业务节点分层分段结构特点，经过衰耗特性计算，提出EPON 技术在配电网通信中更优的1:8+1:8 二级分光模式。老旧分散居民类型和新建大型小区场景充分利用电网的线行通道资源，可沿低压线延伸至智能电表侧，解决了研究区域配电网通信规划存在的运行方式单一、带宽及时延等网络参数落后、无法应对智能电网发展需求等问题，有助于加快四网融合，推进5G 发展。