城区配电自动化通信网研究与实际应用

2014-03-17姚学科

河北建筑工程学院学报 2014年1期

姚学科李嵘

（张家口供电公司信息通信公司，河北张家口075000）

0 引言

为满足配电自动化需求，应建立和优化配电通信网传输通道的基本架构，建立以光缆通信为主、其他通信手段为辅的配电通信网全覆盖成为必须.配电通信网技术是基于信息技术的智能配用电自动化系统及信息采集系统的关键技术之一，通信网的好坏从很大程度上决定了智能配用电自动化系统及信息采集系统的运行优劣.随着通信网技术的发展，目前可供使用、选择的配用电通信网技术有多种多样.按照传统的分类方法，可简单地分为有线通信技术和无线通信技术，而在城区配网中，应优先采用光纤EPON技术和IP网络技术组建配网通信网，以满足配电自动化的各种需求.

1 配电通信网技术与原则

1.1 配电通信网技术体系

通信系统是配电自动化系统的重要组成部分，是连接配用电自动化主站（配调）、配电终端设备的桥梁，是他们之间数据交换的通道.在配用电通信网中，配电自动化主站系统至变电站的通信应主要依赖已建成的电力专用SDH／MSTP骨干光纤网络；而变电站与配电终端之间接入部分的解决方案采用多种通信方式.针对配用电自动化系统的站端设备数量非常多的现状，从目前成熟的通信方式来看，没有一种通信方式能够单独满足智能化配用电网对通信的要求.因此，应根据不同的情况采用不同的通信方式.

1.2 配电通信网技术原则

1.2.1 配用电通信网主要承载业务是智能配电自动化系统、用电信息采集系统（含电力负荷控制数据、远程自动抄表数据及营销互动系统等）.对视频监控、语音、分布电源接入、部分营业厅宽带接入、电动汽车充电站等方面的业务也有一定的需求.配电自动化系统业务主要有配电自动化系统及配变监测、电能质量监测、配电终端监控运行、分布式电源检测控制等，属于电力通信业务一、二区业务，对可靠性、实时性的要求较高.配电网运行维护和专业管理以及用电可视化与互动服务业务属于三、四区业务，对可靠性、实时性的要求较低.数据网一、二区业务与三、四区业务实施严格的物理隔离安全防护机制，应将两类业务分别承载在相互硬件隔离的两张网上.

1.2.2 配电自动化主站是配电自动化系统建设的核心，是配电网信息业务流向的汇聚点和终结点，因此配用电自动化主站通信系统建设应满足高安全、可靠、实时性的要求.主站通信系统建设应充分考虑冗余配置原则，满足“双设备、双路由”的通信方式，不能因一台通信设备故障而导致全网或大面积瘫痪.主站核心IP网络优先考虑路由器方式，路由器交叉容量应不低于320G.主站专网通道的光缆接入路由应不少于2个方向，每条光缆光芯应不低于36芯.

1.2.3 终端通信接入网充分利用电力系统的通信资源优势，逐步组建其专用通信网，并与地区主网通信网不少于2个节点连接.接入节点开闭站、配电站、环网柜及箱变等设备，宜优先考虑光纤通信方式.同步建设光缆，光芯应不低于24芯，光纤特性应符合并优于ITU－T G.652标准；光缆应具有阻燃或不延燃、防水、防潮、抗压、低烟无卤等特性；架空光缆应以ADSS光缆为主；电缆隧道内敷设光缆，优先采用非金属阻燃光缆；直埋光缆应选用带铠甲的光缆，具有抗拉、压、腐蚀等环境破坏能力.对于配置遥测、遥信或故障指示器的区域，可以采用其它有效的通信方式.

1.2.4 采用EPON技术时，宜采用双PON口的光远端设备（ONU），EPON网络采用光路全保护或“手拉手”方式.光分配网络（ODN）根据配电网架构与分布情况、网络安全性、可靠性、经济性和可维护性等多种因素综合考虑，ODN结构应以总线和环形结构为主，也可采用总线＋树形或环形＋树形拓扑.为考虑升级扩容，应保留光功率裕量，并预留一些光分路器的位置，保留一定数量的光分路器的光纤抽头备用.

1.2.5 配电网一次网络规划时，应同步考虑通信网络规划，并预留相应通道.在配电枢纽站点（开闭站、配电站）应预留2面通信设备机柜安装位置，在环网柜、柱上开关、箱变应预留通信设备安装位置.

1.2.6 统一建设通信一体化通信管控平台.实施对终端通信接入网络的安全监测，网络运行状态监控，及时排除故障.同时建立健全终端通信接入网信息安全管理制度和保障措施，维护网络与信息安全.

1.2.7 采用无线公网通信方式应符合国网公司相关安全防护和可靠性规定要求，采用可靠的安全隔离和认证措施，应组建虚拟专网（VPN），支持用户优先级管理，电力侧与运营商侧应采用专线方式建立高可靠性的网络连接，并在电力侧配置多运营商统一、自主的网络鉴权、授权与计帐系统（AAA系统），实现终端接入鉴权.应遵循国网公司与运营商集团的框架协议，规范包括网络使用方式、网络功能、网络安全、资费政策、以及国网系统资源利用（如杆塔、管道及用户侧资源）等内容的要求.

1.2.8 根据国家电网公司“配电自动化技术导则”、“配电自动化建设与改造技术原则”中相关意见和建议，并根据对上述通信技术分析和原则，张家口地区配电通信网传输技术的总体原则如下：

1）配电通信网是地区骨干光通信网的延伸，配电主站到汇集型通信子站的链接采用光纤SDH／MSTP技术.

2）配电接入层通信网络优先采取以光纤EPON技术为主、GPRS无线公网为补充的配电通信网，光缆铺设随配网建设与改造同步进行.

3）10kV线路沿线的开闭站、分段环网单元、配电站、柱上断路器等实现“三遥”功能的配电设施采用光纤EPON技术和IP方式.

4）对于柱上变压器、终端箱式变压器不需要实现遥控功能的站点，采用光纤通信技术有困难的，可考虑采用无线公网通信方式作为补充；对于10kV线路的非分段环网单元、用户分界处等实现“一遥”的终端，安装带通信功能的故障指示器（故障寻址器、故障隔离装置），采用无线公网通信方式.应用时应该符合电力二次系统安全防护规定的要求.

2 EPON原理、特点与组网技术

2.1 EPON原理

基于以太网的无源光网络（EPON）就是基于千兆以太网技术的无源光纤通信接入网，EPON网络主要由光线路终端（OLT）设备和多个光远端设备（ONU）以及连接这些设备的光分配网（ODN）构成.EPON技术采用点到多点的用户网络拓扑结构，利用光纤实现数据、语音和视频等全业务接入.该网络在物理层采用了无源光网络（PON）技术，光线路终端（OLT）与光网络单元（ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，ODN是由多个分光器、主干光缆、室外光配线箱（ODF）和配线光缆组成的无源光分配网络.

2.2 EPON特点

1）传输频带极宽，通信容量很大，速率极高（EPON上下行对称速率可达1.25Gbps，GPON下行速率可达2.5Gbps），并且具有很强的多业务接入能力.

2）无源光设备组网灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总线型、混合型、冗余型等网络拓扑结构.非常适合配电网的树形或总线型网络结构.

3）路分器为无源器件，设备的使用寿命长，安装后几乎不需要维护，网络中的任何一台或多台ONU（用户终端单元）故障或掉电都不会影响其它设备的正常工作.

4）安装方便，OLT一般为机架型，可以上机架安装；ONU可以设计成工业级模块，便于安装到室外的设备箱里.

5）OLT、ONU提供以太网接入交换功能，支持VLAN划分，并且可以支持SNMP协议进行网络管理.

6）传输过程损耗小，无需中继设备，传输距离远，最大可达20公里.

2.3 EPON组网技术

2.3.1 EPON组网方式

EPON系统支持多种组网方式，适合于配电网星型、树型、环型等多种方式混杂的拓扑结构特点.如图1.

图1 EPON的多种拓扑结构

在各种结构中，分光器级联宜考虑三级（减小光纤链路总的插入损耗），总线型结构采用不均匀分光器，适用于链型的网络结构；环形结构物理上为闭环，逻辑上为开环，同样采用不均匀分光器，是链型拓扑的特例，适用于环形网络结构.

ODN结构的选择需要考虑多种因素，主要有站点的分布、OLT和ONU之间距离、光功率预算值、波长的分配、升级的需要、可靠性和可用性、操作管理和维护、ONU供电、安全、光缆容量等.

2.3.2 EPON可靠性保证技术

“手拉手”结构与电力配网输电线路结构类似，能在不改变原有光纤网络结构的情况下实现全光保护倒换.互为保护的PON接口应保持VLAN、QoS等配置同步.图2中，OLT0、OLT1均处于工作状态，能对OLT设备的失效进行保护；ONU上选择工作OLT，当工作OLT失效时，ONU倒换到备用OLT上.

图2 “手拉手”结构全保护图

3 张家口地区城市配电通信网组网方案

张家口配电网建设统一的通信平台，其总体结构分为三层：核心层、骨干层和接入层.核心层包括地区配调主站、宣化区、下花园区的配电通信核心节点站，配置核心多业务路由器，每两个节点采用独立不同的路由互联，基于三片区距离较远，通道采用扩建骨干网SDH提供622M带宽的光接口，路由器采用双主控、双电源、分布式设计，能提供至少320Gbps的交换容量.骨干层由配电电源站点通信节点组成，按照城市区域分为主城区9个节点，宣化区6各节点，下花园区4各节点.配置骨干多业务路由器，能够组成强大的MPLS网络，提供高性能、安全和多层次的MPLS VPN解决方案.各骨干层接点配置两套OLT，每套采用1＋1上联口与其站点的路由器连接，组成配电网的数据传输网络.接入层由各10 kV开闭站、环网柜和柱上设备、配电室（站、变压器）等组成.每个配电自动化站点（“三遥”）按冗余要求，配置2台ONU设备，可由DTU／FTU提供的交、直流供电.ONU设备通过PON口接入变电站的OLT设备，分光器采用多种分光比例混合组网模式，插入衰耗小于0.5dB／只.

以东山坡变电站512长青线、513迎宾线10kV线路配网自动化工程为例说明配网通信网的组网方案.图四中512长青线1＃、3＃、4＃、5＃、6＃、7＃、8＃环网柜和513迎宾线1＃、2＃、3＃为1进1联络4馈线方式环网柜.每个环网柜配置两个DTU，实现“三遥”功能，其DTU与主站双向通信的同时相互之间实现一对一，或一对多通信.其一次运行图如图3所示.

图3 东山坡512长青线、513迎宾线一次运行图

为保障其可靠性，通信通道采用两种不同的通信方式实现，配电自动化业务在核心层主用通道利用配电光纤、路由器组成的配调自动化数据网承载，该网络带宽为GE，GE光口光纤互联.备用通道首先考虑利用主网的调度数据网张家口接入网，作为该网的一种业务，需要调控中心批准并下发VLAN、IP等.也可利用现有主网光纤、MSTP光传输网承载，在电网首次利用EPON具备的三层网络功能实现路由交换和IP管理.配调自动化主站与骨干层主通道利用GE以太网光口互联，备用通道利用MSTP光传输网FE以太网电口互联，带宽为10M；骨干层与接入层利用EPON的GE上联口互联，接入层主要采用EPON网络.在东山坡变电站配置2套OLT，1套骨干层路由器，每个环网柜配置2套ONU及相应的分光器、光纤配线架.如图4、图5、图6所示.

图4 配电通信网核心层组网图

图5 配电通信网骨干层组网图

图6 配电通信网接入层组网图

4 配电通信网实施要点

光缆敷设原则上按照10kV线路走向，根据各站点地理分布位置采用管道、电缆沟等资源组织光缆敷设.采用36芯单模光缆为主，在接入点多的情况下，为保证ONU的光通道代价在可靠运行范围内，并使ODU分级不超过5级，36芯光缆的25—36芯（共12芯）在每个环网柜点熔接，使用12芯室内接头盒，构成直通光路供配网调度路由器链路联网和PON接口分配使用；1—24芯在每个环网柜点成端，熔接在24芯ODF上，供EPON系统联网使用.接头盒和ODF需要密封防尘型号的.

根据配电网架结构，采用非均匀分光比的多级分光方式组建EPON网络，分光器级联数目不宜太多.为便于维护，选用非均分的分光器时，不宜选取太多类型.

环网柜内一次和二次部分应采取有效的隔离措施，或采用独立的通信机柜.通信设备至少需要15 U的空间位置，再加上光缆熔接成端、安装固定时，也需要一定的预留空间.这样通信人员在进行运维时，对其人身安全和健康造成影响降到最低；同时也便于通信专业和配电专业的维护界面的划分，并能够独立地进行通信检修测试等工作，减小通信通道缺陷、故障的处理时间，提高运行可靠性.

ONU安装的位置避免设备被太阳直射曝晒，要保证足够的空气流动，以利于设备的散热；通过ONU上专用接线端子工作台良好接地，选择合适的带六角紧迫防水头的双纤防水尾缆，做好防水措施.

5 结论

配电业务目前主要包括配电自动化及配变监测，预计扩展以下业务：电能质量监测，支持电能质量监测点稳态及暂态记录数据的传送；视频监控，支持配电站（所）环境情况、设备外部状态等视频信息的上传，安全技防等要求；语音服务，提供配电生产、指挥、运行、检修等信息沟通话音渠道；分布式电源控制，提供分布式电源调度、控制数据传输通道.因此在今后的配电通信建设中，依据配电网生产业务对通信的基本要求，主要在以下几个方面进行改进：

5.1 安全性

由于配电自动化系统处理的数据属于电力行业的核心数据，因此配电自动化系统对安全性有很高的要求.此外，配电自动化系统涉及到开关设备的控制，处于安全I区，按照相关安全防护标准，为了保证控制的安全可靠性，应采用专网方式通信，阻止可能的各种网络攻击.

5.2 可靠性

配电通信设备主要安装在变电站、开闭所、环网柜等地方、有些地方没有专门机房条件、高温湿热，运行环境恶劣，容易导致材料老化，故要求设备能够经受恶劣气候考验，要耐高温、耐湿、防尘；其次，通信设备还应能抵抗电磁、雷电等干扰，保持稳定运行；再次，在电力设备发生故障时，应能抵抗事故所产生的瞬间强电磁干扰，完成故障诊断、隔离和非故障区段恢复供电的通信任务.通信网应具备高可靠性和高冗余能力.最大程度保障可靠性、减少维护量.影响通信系统可靠性的因素包括设备可靠性和网络可靠性，设备的高可靠主要体现在各种级别设备的软、硬件高可靠设计如关键模块和板卡的备用冗余能力等，而网络高可靠性主要体现在网络自愈.

5.3 实时性

配网自动化的首要功能是能够实时监控配电网运行情况，并进行在线分析，实时性对通信传输速率提出了较高要求.正常运行情况下，配网主站会周期性召唤各DTU、FTU等的数据；电网发生故障时，主站和DTU、FTU之间需要交换比平常更多的数据，以便及时掌握故障地点和原因.因此，通信系统不仅要满足系统刷新率的要求，还要满足故障时快速及时传送大量故障数据要求.