王于波，張樹華，趙東艷

　　（北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

　　摘  要： 分析了現(xiàn)有配電通信方式的原理，列舉了230 MHz無線局域網(wǎng)的原理，給出了替代GPRS的方案。針對現(xiàn)有配電自動化通信方式的特點，提出了合理的系統(tǒng)架構(gòu)，并給出了相應的系統(tǒng)運行原理。實測結(jié)果表明替代GPRS的傳輸技術(shù)是配電自動化通信有力的補充手段。

　　關(guān)鍵詞： EPON;智能電網(wǎng);配網(wǎng)自動化;無線通信

0 引言

　　配電通信系統(tǒng)建設(shè)以滿足配電信息交互可靠性、安全性、實時性為目的，以智能配電需求和今后擴展應用為遠期發(fā)展目標，采用經(jīng)濟合理、先進成熟的通信技術(shù)，建設(shè)高速、雙向、實時、集成的，便于管理、具有良好擴展性的配電通信系統(tǒng)為總體目標。

　　電力系統(tǒng)配電通信網(wǎng)目前采用有線和無線兩種建設(shè)模式。配電網(wǎng)通信采用分層分級建設(shè)原則，建設(shè)配電主站、變電站、10千伏配電站點等配電網(wǎng)信息傳送網(wǎng)絡(luò)，首選EPON通信方式[1]，不具備光纜敷設(shè)條件的站點采用無線公網(wǎng)通信方式作為補充。

　　無線公網(wǎng)普遍使用GPRS公網(wǎng)（租用）和CDMA公網(wǎng)（租用）。國網(wǎng)多個地方電力公司已經(jīng)開展了基于公網(wǎng)的配用電遠程信息采集業(yè)務(wù)，但近期的發(fā)展速度在逐步放緩，原因是基于公網(wǎng)進行規(guī)模應用暴露出一些問題：如傳輸時延大、數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象較為嚴重；電力數(shù)據(jù)承載在同一張公眾通信網(wǎng)內(nèi)，存在信息安全隱患。

　　伴隨著國網(wǎng)配網(wǎng)自動化建設(shè)力度的加大，在EPON有線通信網(wǎng)絡(luò)末端節(jié)點形成無線局域網(wǎng)，利用電力頻段230 MHz的廣覆蓋特性，原來通過GPRS方式通信的終端節(jié)點可以通過電力無線局域網(wǎng)接入電網(wǎng)EPON有線網(wǎng)絡(luò)中，從而形成一張完整的電力通信專網(wǎng)，增強了電網(wǎng)的安全性。通過研究采用EPON有線與230 MHz無線局域網(wǎng)的通信平臺，無線技術(shù)作為有線的延伸，有效拓寬了電力專網(wǎng)的覆蓋范圍，可以大大增強系統(tǒng)的可靠性與安全性，為未來堅強智能電網(wǎng)打好通信基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)的配電自動化通信方式

　　對“三遙”實施區(qū)域的配電自動化站點建設(shè)專用光纖通信網(wǎng)，今后通信網(wǎng)將全面覆蓋10千伏配電網(wǎng)站點，為全面實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化調(diào)度打好基礎(chǔ)。對“二遙”實施區(qū)域的配電自動化站點采用GPRS無線公網(wǎng)，并通過VPN專線、正反向隔離等措施實現(xiàn)安全防護。圖1所示為配網(wǎng)通信方式示意圖。

　　1.1  EPON通信方式

　　建設(shè)統(tǒng)一的配用電通信平臺。在電力通信骨干網(wǎng)層，配電自動化主站至變電站的通信方式采用已建成的SDH骨干光纖傳輸網(wǎng)方案。在配用電通信網(wǎng)層，變電站至開關(guān)站/環(huán)網(wǎng)柜等配電站點選擇EPON光纖專網(wǎng)技術(shù)為主、載波為輔的接入方案。

　　采用EPON通信技術(shù)時，ONU設(shè)備配置在開關(guān)站/環(huán)網(wǎng)柜/分支箱/柱上開關(guān)，實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備信息上傳至變電站。OLT設(shè)備配置在變電站內(nèi)，實現(xiàn)變電站信息匯集上傳至主站。OLT、ONU邏輯圖見圖2。

　　各變電站OLT的GE口成環(huán),采用MSPP方式進行保護，保護倒換時間為35 ms。根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的實際情況，EPON通信網(wǎng)主要采用單輻射、手拉手及環(huán)形網(wǎng)絡(luò)接線方式。ONU終端設(shè)備全部選用雙PON口設(shè)備，為全網(wǎng)最終形成手拉手及多聯(lián)絡(luò)自愈保護環(huán)結(jié)構(gòu)預留空間。ONU設(shè)備采用工業(yè)級設(shè)備，滿足較惡劣的現(xiàn)場運行環(huán)境。

　　在能夠“手拉手”的站點，優(yōu)先考慮“手拉手”；在不能“手拉手”的站點，優(yōu)先考慮環(huán)形連接；在既不能“手拉手”又不能環(huán)回的站點，則采用鏈形連接。EPON OLT布設(shè)如圖3所示。

　　1.2 公網(wǎng)GPRS通信方式

　　無線公網(wǎng)通信在配電網(wǎng)中應用模式主要包括兩種：基于專線的應用模式和基于無線VPN的應用模式?；趯＞€的應用模式具有安全性高、經(jīng)濟性好等特點，是目前應用最多的一種模式，但是在該模式下通信的IP地址資源和無線資源等仍由運營商管理，可控性較差；基于VPN方式的應用模式需要建立專門的無線公網(wǎng)中心，在無線公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上組成專用的無線VPN。公網(wǎng)GPRS OLT布設(shè)如圖4所示。

　　配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的遠方監(jiān)控單元（DTU、FTU等）通過GPRS通信終端連接到移動運營商內(nèi)部GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過移動運營商與配電網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)接入路由器之間的有線專線連接到主站系統(tǒng)；GPRS通信終端使用了專用的接入點名稱（APN，Access Point Name）連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，在通過身份認證后獲得基于專線的無線GPRS網(wǎng)絡(luò)的私有IP地址，與主站系統(tǒng)構(gòu)成了一個廣域的虛擬專用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，從而提供了遠方監(jiān)控單元與主站系統(tǒng)的雙向通信鏈路，可實現(xiàn)實時的遠程參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與分析、遠程控制等操作。每個VPN鏈路可滿足 20 000 個終端使用。

2  230 MHz無線局域網(wǎng)原理

　　在《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》中，國家無線電管理委員會規(guī)定223~235 MHz頻段作為遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)使用的頻段。目前主要被能源、軍隊、氣象、地震、水利、地礦、輕工等行業(yè)使用。該頻段的特點是屬于行業(yè)應用，并分配給了8個部委，其中有40個頻點是分配給了電力部門用于電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)。230 MHz頻段（223～235 MHz）頻道間隔為25 kHz，每個頻道占用帶寬小于25 kHz，同時要求最大發(fā)送功率小于25 W，帶外雜散小于-17 dBm。各個行業(yè)頻點離散分布防止互相干擾。

　　2.1  頻段特性

　　電力230 MHz屬于低頻段范圍，是寶貴的頻率資源，具有天然覆蓋遠的優(yōu)勢，能夠大大降低組網(wǎng)成本，滿足電力用戶分散的需求特點。廣闊的農(nóng)村可以覆蓋30 km，密集城區(qū)可以覆蓋3 km，因此適合于建設(shè)廣覆蓋低成本系統(tǒng)，特別適用于配用電信息采集領(lǐng)域。頻譜距離對比如圖5所示。

　　2.2 系統(tǒng)組成

　　230無線局域網(wǎng)由230小型基站、230終端組成。其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示，星型網(wǎng)絡(luò)，每一個基站可以運行20~30個終端用戶接入。

　　2.3 物理層標準

　　電力業(yè)務(wù)多樣化，從營銷的用電信息采集、配網(wǎng)自動化、輸電線路檢測，帶寬的需求越來越高，為了提高230 MHz的頻譜利用率，選用4G LTE[2]的物理層算法作為載體，充分利用了其中的核心技術(shù)——載波聚合、軟件無線電，可以提高系統(tǒng)的帶寬。

　　2.4 MAC層標準

　　230小型基站通過周期性發(fā)送信標和超幀實現(xiàn)與相鄰節(jié)點同步，則稱該網(wǎng)絡(luò)為信標使能網(wǎng)絡(luò)，否則為非信標使能網(wǎng)絡(luò)。在信標使能網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點采用時隙載波偵聽沖突避免(CSMA-CA)信道接入機制，在非信標使能網(wǎng)絡(luò)中，采用非時隙CSMA-CA機制接入信道。

　　在信標使能的網(wǎng)絡(luò)中，采用時隙CSMA-CA機制，當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀時，首先定位下一個時隙的邊界，然后等待隨機數(shù)目個時隙。等待完畢后，節(jié)點開始檢測信道，如果信道忙，即信道上有其他節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，則節(jié)點需要重新等待隨機數(shù)目個時隙，再檢查信道，重復這個過程直到信道空閑。

　　在非信標使能的通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點不發(fā)送信標幀，各節(jié)點使用非時隙的CSMA-CA機制接入信道。當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)或者MAC命令時，首先等待一段隨機長的時間，然后開始檢測信道狀態(tài)：如果信道空閑，則節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)：如果信道忙節(jié)點需要重新等待一段隨機時間并檢測信道，直到信道空閑。

3 EPON結(jié)構(gòu)下的無線局域網(wǎng)

　　目前，隨著國網(wǎng)配網(wǎng)自動化建設(shè)力度的加強，各供電公司對110 kV及以上所轄區(qū)域變電站已實現(xiàn)骨干通信網(wǎng)絡(luò)的全光纖通信，使用了SDH技術(shù)；對10 kV的配電網(wǎng)站點實施了全部接入網(wǎng)覆蓋，使用的EPON技術(shù)。以10 kV的配電網(wǎng)站點作為電力無線局域網(wǎng)的接入點，可以把周圍2~3公里內(nèi)的故障指示器、集中器、采集器、負控終端接入到電力網(wǎng)絡(luò)中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

　　3.1 硬件組成

　　在新型混合式ONU中，除了傳統(tǒng)的ONU主芯片、Flash芯片外，還增加了LTE230基帶芯片、RF芯片，從而使傳統(tǒng)的ONU具備了無線接入的能力。硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

　　3.2 組網(wǎng)形式

　　EPON+230 MHz的微基站，實現(xiàn)了光纖與無線專網(wǎng)通信的有機融合，充分發(fā)揮了兩種通信技術(shù)各自的長處，將電力專網(wǎng)延伸到配網(wǎng)自動化的所有終端之上。

　　將EPON光纖通信用于配網(wǎng)的主干層，將線路ONU設(shè)備升級為二遙終端信息接入點，采用230 MHz無線專網(wǎng)形成1 km的信號覆蓋，把周邊的斷路器、故障指示器以及用電信息采集設(shè)備的信息都接入進來，通過EPON光纖匯聚到主站。組網(wǎng)形式如圖9所示。

　　3.3 基帶芯片

　　230終端基帶芯片[3]是集中器等終端設(shè)備的核心部分，用于實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚和上傳以及控制信息的下發(fā)。該芯片集成了主頻達400 MHz的DSP處理器和高速本地存儲器，可以快速高效的進行物理層數(shù)字信號處理以及MAC層協(xié)議解析；同時該芯片具有獨立中頻處理單元，支持中頻數(shù)據(jù)信號的上下行混頻、抽取、濾波等，可以自行完成中頻信號的處理；芯片內(nèi)部運用了高可靠性的片上集成eDRAM技術(shù)，大幅降低產(chǎn)品成本，提升板級調(diào)試和開發(fā)效率，保證了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性，進一步節(jié)省了芯片用戶的PCB布板空間和制版成本。

　　3.4 載波聚合

　　高性能終端，自適應聚合不同數(shù)量的頻點，滿足各種數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)要求,提高系統(tǒng)和終端設(shè)備的峰值傳輸速率。

　　3.5 軟件無線電

　　通過采用軟件無線電技術(shù)，能夠簡單通過軟件配置擴展工作帶寬，最高帶寬可達125 kHz，提供200 kb/s的業(yè)務(wù)傳輸速率。

4 系統(tǒng)的優(yōu)勢

　　(1)組建了一張完整的電力通信網(wǎng)，主干網(wǎng)采用SDH技術(shù)，傳輸網(wǎng)采用EPON技術(shù)，接入網(wǎng)采用230 MHz無線專網(wǎng)技術(shù)；

　　(2)230 MHz無線專網(wǎng)的使用，數(shù)據(jù)不再通過GPRS公網(wǎng)傳輸，大大增強了系統(tǒng)的安全性，能夠有效地避免外部的攻擊；

　　(3)公網(wǎng)在偏遠地區(qū)的信號覆蓋不夠，EPON與230 MHz組成的有線無線混合局域網(wǎng)可以有效提升電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、遙控成功率，提升電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量；

　　(4)230 MHz屬于電力頻段，不需要繳納流量費，節(jié)省了電網(wǎng)的成本；

　　(5)在新疆當前特殊的反恐形勢下，GPRS隨時會關(guān)斷，導致大量的電表芯片、配網(wǎng)終端等設(shè)備失聯(lián)，處于失控狀態(tài)，一張完整的電力通信專網(wǎng)可以很好地解決出現(xiàn)的問題；

　　(6)在營銷業(yè)務(wù)上，營銷終端如電表、集中器、采集器、負控終端的數(shù)據(jù)信息都可以接入這個網(wǎng)絡(luò)，充分利用了EPON光纖的高帶寬能力，能夠達到實時采集，從而有效提升智能電網(wǎng)的反應速度；

　　(7)符合國網(wǎng)力主的營配貫通的原則，避免重復建設(shè)，節(jié)省國網(wǎng)的成本。

5 系統(tǒng)運行原理

　　在電力體系下，營銷與配電自動化的協(xié)議是完全不一樣的，系統(tǒng)需要在軟件層面上進行開發(fā)，以適配各種不同的協(xié)議與終端。在通信接口方面，存在著UART、FE兩種接口形式。營銷系統(tǒng)通常使用UART，配電自動化通常使用網(wǎng)口。

　　5.1 營銷系統(tǒng)——電表

　　在營銷系統(tǒng)中，電表的數(shù)據(jù)可以通過混合式ONU直接傳送到系統(tǒng)主站，無需經(jīng)過集中器、采集器。

　　在UART接口形式下，電表與230數(shù)據(jù)終端的速率通常選用9600 b/s，電表傳送的數(shù)據(jù)通過無線終端送入混合式ONU，ONU會進行協(xié)議轉(zhuǎn)換[4]，以Q/GDW1376.1-2013的形式送入到國網(wǎng)主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)與混合式ONU之間建立起TCP/IP連接，用來傳送信息。如圖10所示。

　　5.2 營銷系統(tǒng)——集中器、采集器

　　在營銷系統(tǒng)中，通常情況下電表的數(shù)據(jù)首先會匯聚到集中器，接著集中器上的數(shù)據(jù)通過UART或者網(wǎng)口連接到230數(shù)據(jù)終端，然后通過230無線專網(wǎng)匯聚到混合式ONU，最后通過EPON方式傳送到系統(tǒng)主站。如圖11所示。

　　（1）FE接口

　　在FE接口形式下，集中器得到的數(shù)據(jù)通過無線終端送入混合式ONU，ONU以透傳的方式送入到國網(wǎng)主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)與集中器之間建立起TCP/IP連接，用來傳送信息。

　?。?）UART接口

　　在UART接口形式下，集中器得到的數(shù)據(jù)通過無線終端送入混合式ONU，ONU對數(shù)據(jù)進行TCP/IP封包，然后通過EPON線路送入到國網(wǎng)主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)與混合式ONU之間建立起TCP/IP連接，用來傳送信息。

　　5.3 配電自動化系統(tǒng)——FTU、DTU

　　在配電自動化中，通常使用FE接口。FTU、DTU相關(guān)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳送到230數(shù)據(jù)終端，然后通過230無線專網(wǎng)匯聚到FTU的ONU，以透傳數(shù)據(jù)的方式通過EPON線路傳送到配電主站。如圖12所示。

6 系統(tǒng)實測結(jié)果

　　混合ONU的性能，包含了無線覆蓋距離、傳輸速率、信道容量、射頻指標等方面。實測結(jié)果如表1所示。

7 結(jié)論

　　本項目的首要目標是利用配電通信中的EPON線路的末端節(jié)點，形成無線局域網(wǎng)，搭建完整的電力通信專網(wǎng)；其次，電力無線專網(wǎng)的組建，可以增強電力通信的安全性；再次，無線局域網(wǎng)可以應用到配網(wǎng)自動化、用電信息采集，達到營配貫通、一體化的效果，降低國網(wǎng)的建設(shè)成本。

參考文獻

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