贵州电力设计研究院 胡静

开阳供电局“十三五”配电网通信规划分析

贵州电力设计研究院 胡静

开阳供电局已建成覆盖城区范围的配网自动化系统及EPON光纤通信网络，文章根据配网自动化对通信的需求，提出了EPON光纤通信网扩容方案和TD-LTE无线通信网方案。通过技术经济比较，推荐建设TD-LTE无线专网，可以实现开阳城区自动化终端通信的覆盖。

配网自动化 光纤通信 EPON 无线通信 TD-LTE

引言

开阳县隶属于贵州省贵阳市，位于黔中地区，县城距贵阳市中心城区66 km，全县辖6镇10乡，总面积2026 m2，总人口43.6万。根据《110 kV及以下配电网规划技术指导原则》的城市级别划分，开阳县城为三级城市，将开阳县的供电区域划分为：中心城区D类，其他区域F类。本次规划区域为D类地区，即针对开阳县中心城区。

在配网自动化系统中，通信是一项非常关键的技术，主要以信息技术为基础。通信网连接着配网自动化的主站系统和远方终端，是配网自动化系统的重要组成部分，通信通道的可靠性是影响配网自动化发展的重要因素。

1 现状分析

开阳供电局已建成覆盖城区范围的配网自动化系统及EPON光纤通信网络。

在配电网光缆方面，开阳供电局已建成“老调度大楼—新调度大楼—城郊所—城关变—老调度大楼”的64芯主干光缆及I环、II环、III环24芯汇聚光缆，详见表1。开阳县城配电网10 kV线路的光缆覆盖率已实现100%，光缆总长度约为129.1 km，类型以ADSS光缆为主（约占80%～90%），其余为地埋管道光缆，纤芯类型全部为G.652，纤芯数量基本是12/24芯。

利用上述光缆，EPON系统通过在沿线自动化终端处配置无源光分路器（POS）和光网络单元（ONU），以及在老调度大楼和城郊所布置的2套光线路终端（OLT），采用链型或手拉手结构组网[1]，建立了配电终端与主站系统之间的传输链路，为配网自动化业务提供了通信通道。

但是，从运行情况来看，EPON系统的光通道不太稳定，ONU总离线率达到13.79%，详见表2。主要是由于终端电源故障和部分地埋光缆敷设工艺较差、受到动物啮蚀造成，使得配网自动化系统并没有成功实用。现阶段，配电线路发生故障时仍依靠人力到现场排查故障再恢复供电，配网自动化程度仍然相对较低[1][2]。

2 需求分析

2.1 基本要求

开阳供电局配网自动化业务主要有电压管理、负荷管理、故障诊断、断电管理、远程抄表等。配网自动化对通信系统的要求，取决于要实现自动化的整体规模、自动化系统的功能要求、预期达到的自动化水平等，主要体现在通信的可靠性、实时性、双向性、灵活性、支持多种业务、网络覆盖面广、成本较低。

2.2 业务可靠性和安全性要求

配电网的广域地理分布性，使通信传输的可靠性成为建设可靠的配网自动化系统的难点之一，通信网应具备高可靠性和安全性等能力。配网自动化业务对数据流量、实时性、可靠性、带宽、安全性的需求详见表3。

表1 开阳供电局配电网主干/汇聚光缆现状统计表

表2 开阳供电局配网自动化系统EPON通信终端ONU离线情况统计表

表3 配网自动化业务对通信的要求

表4 通信方式性能比较表[6]

2.3 通信带宽要求

2.3.1 终端的通信带宽

遥信量。按照每个开关量量化为8 bit（1 byte），目前遥信数量小于15个，则数据量约为15 × 1 = 15 byte。考虑到5秒信息送到主站，其带宽需要15 × 8 / 5 = 24 bit/s。

遥测量。按照每个信息量量化为16 bit（2 byte），目前按照遥测数量10个，则数据量约为10 × 2 = 20 byte。若采用TCP/IP数据包传送，须将以上数据封装在一个标准的IP数据包中，共需要包头约20 byte，5s信息送到主站，其带宽需要 ( 20 + 20 ) × 8 / 5 = 64 bit/s。

遥控量。按照每个控制命令量化为8 bit（1 byte），目前按照遥控数量10个，则数据量约为10 × 1 = 10 byte。由于遥控量要求时间为小于1s，则带宽需要10 × 8 / 1 = 80 bit/s。

综上，单个“三遥”终端的通信带宽约为168 bit/ s。

2.3.2 主站的通信带宽开阳供电局配网自动化系统采用“主站—终端”模式，即所有的配电网终端业务统一上传到供电局的配电网主站。到2020年，开阳城区内自动化终端共136个，全部为“三遥”节点，按照最大同时并发查询100%自动化终端信息来计算，主站端的带宽需求为( 168 × 136 ) × 100% = 22.848 kbit/ s，一般情况下主站轮询30%自动化终端的带宽需求约为6.855 kbit/s。

3 技术分析

目前，配电网通信技术主要采用有线和无线两种方式[3]，有线方式的主流技术包括光纤工业以太网、以太网无源光网络（EPON）、配电线载波等，无线方式分为无线公网和无线专网两大类，主流技术包括GPRS/ CDMA、TD-LTE、WiMAX、McWiLL等。有线、无线两种方式各有优劣，适用场景侧重不同。光纤通信具有传输速率高、抗干扰性强、可靠性高的优点，而无线通信具有安装方便、成本低、抗自然灾害能力强等优点，是对光纤通信的很好补充[4][5]。

图1 开阳供电局配网自动化通信系统层次结构示意图

图2 开阳供电局“十三五”城区配网自动化EPON光纤通信网络结构图

有线通信方面，EPON技术因其不受电源限制、组网灵活、易于扩容、抗故障能力强成为有线方式中的佼佼者[7]。

无线通信方面，GPRS因其价格合适、技术成熟也被广泛采用，但由于其不能承载“三遥”节点信息，应用受到一定限制，专网的TD-LTE技术具有很好的应用前景[8]。

4 规划方案

4.1 通信系统结构

开阳供电局配网自动化系统采用的是“主站—终端”模式[9]，所采用的通信系统层次结构如图1所示。

通信节点和各网络层次的定义如下：

(1)通信主站：负责将终端的信息送到配网自动化主站系统，设置在供电局。

(2)通信终端：与配电终端设置在一起，直接接收配电终端采集的数据。

(3)配网通信网络：指通信终端与通信主站之间的通信网络。

4.2 EPON光纤通信网方案

开阳供电局新调度大楼建成后，现有配网自动化主站系统进行搬迁，OLT设备（含网管）随之搬迁至新调度大楼。城郊所配置有一套OLT设备，以上两套OLT设备之间通过GE光口互连。“十三五”期间增加的终端通过新建接入光缆，可利用现有EPON系统及主干/汇聚光缆资源与主站实现通信。

在10 kV线路新建工程中同步建设光缆，电缆线路采用管道光缆，架空线路采用ADSS光缆。光缆芯数方面，目前24芯光缆比12芯光缆的材料价格约高0.15万元，增加投资比例较小，考虑到配电网光缆未来其它方面的应用，新建接入光缆芯数优先采用24芯。

深圳市将继续贯彻落实党的十八届三中全会关于加快生态文明制度建设的精神，抓好最严格水资源管理制度试点建设各项工作，进一步健全制度，深入创新，严格“三条红线”管理，强化水资源总量控制，提高用水效率，优化水资源配置，加强水资源保护，提升水环境质量，加快健全水资源可持续利用的长效机制，为全市经济社会发展提供更加可靠的水资源保障和支撑，为推进深圳生态文明建设、打造“生态深圳”、建设“美丽深圳”的梦想作出新贡献。

“十三五”期间开阳县城区共新增光线路21条，由环湖变出口的光线路共10条，由干河变、城关变出口的光线路共11条，根据城区配电网主干及汇聚光缆建设，将由环湖变出口的光线路上的ONU上联至新调度大楼OLT设备，将由干河变、城关变出口的光线路上的ONU上联至城郊所OLT设备，新增ONU采用链型或“手拉手”组网结构。因此，“十三五”期间对新调度大楼和城郊所的两套OLT设备进行扩容，新调度大楼OLT设备共增加3块4路线卡、城郊所OLT设备共增加3块4路线卡。

ONU与自动化终端设置在一起，共用自动化终端电源，ONU通过RJ45网口或RS485/RS232串口与配电终端设备相连。

2016～2020年开阳供电局配网自动化EPON光纤专网通信装置配置和光缆建设情况如表5所示。

根据投资估算单价，得出“十三五”期间EPON光纤专网方案的投资如表6所示，该方案的总投资约为396.9万元。

4.3 TD-LTE无线通信网方案

开阳供电局具备组建无线专网的光缆和传输网资源，“十三五”期间建设TD-LTE无线专网，在新调度大楼配置一套无线核心网设备和一台汇聚交换机。

表5 开阳供电局“十三五”配网自动化EPON通信装置配置和光缆建设统计表

表6 开阳供电局“十三五”配网自动化EPON光纤专网方案投资（单位：万元）

图3 开阳供电局“十三五”城区配网自动化TD-LTE无线通信网络结构图

图4 开阳县城TD-LTE无线基站地理位置分布及覆盖范围示意图

为实现开阳县城区的无线信号覆盖，在新调度大楼和老调度大楼各建设一个基站，包括基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）和天线，其中BBU安装在通信机房，由通信专用-48V直流电源供电，RRU和天线安装在大楼楼顶，BBU与RRU之间通过光纤连接，RRU与天线之间通过馈线连接。一个TD-LTE基站的覆盖范围半径约为1.5～2 km，一个基站划分3个扇区，可同时接入约300～400个CPE终端。经过信号测试，新调度大楼基站可覆盖县城新城区范围，老调度大楼基站可覆盖县城旧城区范围，基本实现了开阳县城无线信号的全覆盖。

主干传输网利用贵阳地区B网MSTP光传输网，在新调度大楼配置一套光传输设备，老调度大楼的原有光传输设备维持现状不搬迁，新调度大楼和老调度大楼的两套光传输设备通过光纤互连。新调度大楼的基站BBU设备与汇聚交换机采用光纤直连，老调度大楼的基站BBU设备与MSTP设备之间采用FE口互连，无线基站通过地区MSTP光传输网将终端采集信息传输到自动化主站。

2016～2020年开阳供电局配网自动化TD-LTE无线专网通信装置配置情况如表7所示。

根据投资估算单价，得出“十三五”期间TD-LTE无线专网方案的投资如表8所示，该方案的总投资约为250.8万元。

4.4 技术经济分析

首先从技术上来看，EPON光纤专网和TD-LTE无线专网都属于目前配网通信领域的先进技术，均可实现高级别的QoS保障和安全性，且可长期发展，但是在建设、维护、性能各方面还是有一定差别。

4.4.1 实施难度上，EPON光纤专网大于TD-LTE无线专网

由于EPON光纤专网依托于光纤进行信息传输，必须在自动化终端沿线建设光缆，对于城市来说，由于建筑物密集，无论是架空线路光缆还是开挖沟道敷设管道光缆，其审批、建设过程都十分困难[10]，敷设工程量大。而对于TD-LTE无线专网来说，其通信介质是电磁波，不需要建设光缆，而且无线基站都是建设在供电局自有物业处，大大降低了组网的实施难度。

4.4.2 建设周期上，EPON光纤专网长于TD-LTE无线专网

组建EPON光纤专网由于需要建设光缆，其审批、实施、调试时间都较长，而TD-LTE无线专网只需较短时间建设基站和终端设备，主干传输网则利用已有的地区电网光传输网络，条件成熟，建网时间快，可以实现“立竿见影”的效果。

表7 开阳供电局“十三五”配网自动化TD-LTE通信装置配置统计表

表8 开阳供电局“十三五”配网自动化TD-LTE无线专网方案投资（单位：万元）

表9 开阳供电局“十三五”配网自动化EPON光纤专网方案投资（单位：万元）

4.4.3 传输带宽上，EPON光纤专网优于TD-LTE无线专网

EPON光纤专网可以提供比TD-LTE无线专网更高的带宽，但是就目前配网自动化系统传输的信息量而言，TD-LTE无线专网完全可以满足其带宽需求。

4.4.4 可维护性上，EPON光纤专网差于TD-LTE无线专网

EPON光纤专网建设有大量的架空光缆和地埋光缆，需投入较多的人力物力用于光缆的维护检修，对于开阳供电局现阶段已建设的EPON网络，其ONU掉线率较高，如继续沿用该系统，还需要在“十三五”期间继续投入费用和人员用于光缆维护检修。相比之下，TDLTE无线专网的维护检修十分方便，需要的维护人员也较少。

所以，TD-LTE无线专网虽然在传输带宽上略差于EPON光纤专网，但是也可满足配网自动化系统实际使用需求，而且在实施难度、建设周期、可维护性方面优于EPON光纤专网。

再从经济上来看，通过对开阳供电局“十三五”期间EPON光纤专网和TD-LTE无线专网两种方案的投资进行比较，可以看出，EPON光纤专网的建设成本远大于TD-LTE无线专网，主要原因是由于新建光缆造价较高。而TD-LTE无线专网仅在2016年建网的投资较高，之后几年仅有少量终端设备的投资。

4.5 推荐方案

综上所述，根据对EPON光纤专网和TD-LTE无线专网两种方案的技术、经济比较，开阳供电局“十三五”城区配网自动化系统通信网络规划推荐建设TD-LTE无线专网。

“十三五”期间不再建设配网光缆，现有EPON光纤通信系统不再扩容，为避免资源浪费，EPON系统建议作为配网自动化备用通信方式或供集抄系统使用。

5 结论

“十三五”期间，开阳供电局建设TD-LTE无线专网，城区范围内自动化终端的无线通信覆盖率可达到100%。TD-LTE无线专网因不受敷设光缆的限制，可节省高昂的光缆建设和维护费用，加之可以利用现有的地区电网光传输网作为主干传输网，十分适合于推广至县域范围。经过“十三五”期间TD-LTE专网在开阳县城区的成功试用后，可考虑在开阳县所辖乡、镇推广建设TD-LTE无线专网，在县局及110 kV/35 kV变电站建设TD-LTE基站，信号基本可覆盖其相应的供电范围，以实现全县范围内的配网自动化通信。

根据我国多年来配电网通信建设的经验，尚没有一种单独的通信方案能满足配网自动化的需求，因此须结合开阳县的特点，积极探索适合该地区的通信方式。

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