配電自動化通信技術(shù)選擇及建設(shè)方案

配電自動化通信系統(tǒng)是配電自動化重要組成部分，是電力通信網(wǎng)適應(yīng)智能電網(wǎng)建設(shè)提出終端通信接入網(wǎng)的主要內(nèi)容。本文在國家電網(wǎng)公司配電自動化規(guī)劃的總體框架下，闡述其與電力通信系統(tǒng)關(guān)系，在分析配電自動化業(yè)務(wù)需求基礎(chǔ)上，針對不同通信技術(shù)特征對比，提出技術(shù)選擇方案，并在此基礎(chǔ)上提出配電自動化通信系統(tǒng)建設(shè)總體設(shè)計方案。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，其配電環(huán)節(jié)建設(shè)的核心“配電自動化”已成為我國智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容之一，在現(xiàn)有網(wǎng)架優(yōu)化基礎(chǔ)上，推進配電自動化建設(shè)，已經(jīng)成為解決電網(wǎng)“兩頭薄弱”問題的重要手段。配電自動化以一次網(wǎng)架和設(shè)備為基礎(chǔ)，綜合利用計算機、信息及通信等技術(shù)，并通過與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成，實現(xiàn)對配電網(wǎng)的監(jiān)測、控制和快速故障隔離。配電自動化是配電網(wǎng)管理的重要手段，可以提高配電網(wǎng)調(diào)度、生產(chǎn)和運行的管理水平，有效提高配電網(wǎng)供電的可靠性。配電自動化系統(tǒng)主要由配電自動化主站系統(tǒng)、子站、終端和通信系統(tǒng)及一次設(shè)備組成，通信系統(tǒng)承擔著向主站系統(tǒng)傳輸通過配電自動化終端采集的一次設(shè)備實時運行信息，向終端設(shè)備下達主站系統(tǒng)的控制指令的任務(wù)。1998～2004年，我國曾全面開展配電自動化建設(shè)，通信系統(tǒng)的技術(shù)選擇及裝備局限成為當時配電自動化建設(shè)受阻的重要原因之一。2009年起，國家電網(wǎng)公司加強配電網(wǎng)建設(shè)投入，從提升配電網(wǎng)信息化、自動化、互動化技術(shù)支撐能力出發(fā)，全面推進配電自動化建設(shè)。在本輪配電自動化建設(shè)的過程中，總結(jié)了上輪配電自動化建設(shè)中存在的問題，著力提升配電自動化系統(tǒng)建設(shè)、運維的實用化水平，根據(jù)不同的供電區(qū)域特性（A+至E類供電區(qū)域），差異化開展建設(shè)工作。在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，通信技術(shù)的對比選擇和建設(shè)方案的完善，成為提升配電自動化建設(shè)效益的重要支撐。電力系統(tǒng)通信體系結(jié)構(gòu)電力系統(tǒng)通信始于為電網(wǎng)調(diào)度指揮提供專用的通信服務(wù)需求，主要以遠動、調(diào)度電話等業(yè)務(wù)為主。電力通信系統(tǒng)按其用途主要分為傳輸網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、支撐網(wǎng)。傳輸網(wǎng)通過各種通信技術(shù)體制實現(xiàn)公司各辦公場所、生產(chǎn)調(diào)度基地、變電站、發(fā)電廠等通信業(yè)務(wù)需求站點的通信覆蓋，實現(xiàn)各類場所間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高效傳輸；業(yè)務(wù)網(wǎng)在傳輸網(wǎng)基礎(chǔ)上承載各類業(yè)務(wù)（調(diào)度行政交換、電視電話會議等）的邏輯網(wǎng)絡(luò)；支撐網(wǎng)主要包括各類傳輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)管、電源系統(tǒng)、時鐘同步系統(tǒng)等。信息通信融合使得電力通信系統(tǒng)服務(wù)的對象由以服務(wù)生產(chǎn)調(diào)度運行為主調(diào)整為全面服務(wù)電網(wǎng)運營管理、生產(chǎn)運行、優(yōu)質(zhì)服務(wù)等各項業(yè)務(wù)。國家電網(wǎng)公司2009年全面啟動堅強智能電網(wǎng)建設(shè)，由于電力通信系統(tǒng)主要覆蓋輸變電設(shè)備，各類配電設(shè)備覆蓋率很低，無法滿足智能電網(wǎng)配電、用電環(huán)節(jié)信息化的需要，因此在“十二五”通信網(wǎng)規(guī)劃中，補充了終端通信接入網(wǎng)的概念，作為骨干傳輸網(wǎng)的延伸，實現(xiàn)對配電、用電設(shè)施的全面覆蓋，為智能電網(wǎng)配電、用電環(huán)節(jié)信息化提供全面支撐。終端通信接入網(wǎng)具有多業(yè)務(wù)承載、信息傳送、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1終端通信接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)配電自動化業(yè)務(wù)特性分析配電自動化業(yè)務(wù)為生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù)，可概括為“三遙”（遙信、遙測、遙控）。遙信業(yè)務(wù)主要采集并傳送各種保護和開關(guān)量信息；遙測業(yè)務(wù)采集并傳送運行參數(shù)，包括各種電氣量和負荷潮流等；遙控業(yè)務(wù)為主站對終端下達遠程控制指令。配電自動化業(yè)務(wù)傳輸帶寬不高但對通信系統(tǒng)可靠、實時性要求較高，對數(shù)據(jù)傳輸時延與完整性有嚴格要求；對通信故障率及修復時間有嚴格要求，對運維管理要求較高；對信息安全要求較高。在可靠性方面，由于配電及其配屬通信設(shè)備大多運行在戶外，因此需保障能在惡劣天氣下正常工作，并能抵抗噪聲、高電壓、大電流、雷電等強電磁干擾，保持穩(wěn)定運行。此外由于配電網(wǎng)變化頻繁，故障較多，通信系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)不受線路故障和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的影響，單點故障不應(yīng)引起系統(tǒng)功能喪失和數(shù)據(jù)丟失。在可擴展性方面，通信系統(tǒng)需要實現(xiàn)新增業(yè)務(wù)時原有業(yè)務(wù)可靠運行；擴充或改造網(wǎng)絡(luò)時不影響業(yè)務(wù)運行；同時適應(yīng)配網(wǎng)改造或網(wǎng)架變動。配電自動化系統(tǒng)是調(diào)度實時監(jiān)控中低壓配電網(wǎng)的重要系統(tǒng)，應(yīng)防止通過串接方式、公共網(wǎng)絡(luò)等對子站、終端進行攻擊，造成用戶供電中斷；防止通過公共網(wǎng)絡(luò)和配電終端入侵主站，造成更大范圍的安全風險；保障重要數(shù)據(jù)的機密性、完整性；并針對系統(tǒng)進行安全審計，開展相關(guān)信息安全的運維與管理工作。通信技術(shù)特點對比及選擇目前，適合配電自動化通信系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)體制包括光纖通信、電力線通信、無線專網(wǎng)通信、無線公網(wǎng)通信等?，F(xiàn)有通信技術(shù)在傳輸帶寬方面均能滿足配電自動化基本業(yè)務(wù)需求。光纖專網(wǎng)通信方式包括無源光網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。EPON（以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）、GPON（吉比特無源光網(wǎng)絡(luò)）是目前無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流方式。EPON技術(shù)成熟，已實現(xiàn)設(shè)備芯片級和系統(tǒng)級互通，民用網(wǎng)絡(luò)已大規(guī)模部署。GPON雖具有更好的TDM支持和電信級管理能力，但芯片和設(shè)備成本較高，本文主要針對EPON作為技術(shù)比較。無線專網(wǎng)技術(shù)根據(jù)其采用不同的通信技術(shù)，主要包括TD-LTE、McWill等。實時性方面：EPON、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)采用光纖專線，實時性最高；中壓載波由于信道可靠性以及受電力負荷影響較大，實時性較差；無線專網(wǎng)及無線公網(wǎng)選用的技術(shù)都較為成熟，無線專網(wǎng)實時性可以保障，無線公網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量與多種因素有關(guān)，實時性難以保障?？煽啃苑矫妫篍PON、工業(yè)以太網(wǎng)交換機都采用光纖專線，參照電力行業(yè)標準，采用工業(yè)級標準進行設(shè)計，滿足電力行業(yè)電磁兼容性要求，組網(wǎng)可靠性高；中壓載波由于信道可靠性以及受電力負荷影響較大，可靠性較差；無線專網(wǎng)標準不完善，在電力系統(tǒng)中還處于試點應(yīng)用階段，可靠性有待驗證；無線公網(wǎng)技術(shù)成熟，但由于為租用網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量不受控。安全性方面：EPON和工業(yè)以太網(wǎng)交換機的安全性可以滿足配電自動化業(yè)務(wù)要求；TD-LTE技術(shù)安全性優(yōu)于McWill，實現(xiàn)了對主站和終端的保護，由于缺少兩種技術(shù)在電力行業(yè)的技術(shù)規(guī)范，需開展進一步研究。3G、GPRS系統(tǒng)作為廣泛覆蓋的公共網(wǎng)絡(luò)資源，但安全防護能力較弱，在業(yè)務(wù)層增加有效安全措施情況下，才能滿足配電自動化業(yè)務(wù)安全需求。經(jīng)濟性方面：EPON和工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)光纜建設(shè)成本高、無線專網(wǎng)基站建設(shè)成本高，因此EPON、工業(yè)以太網(wǎng)、無線專網(wǎng)整體建設(shè)成本較高；載波技術(shù)因為采用中壓配電線路作為載體，建設(shè)成本低于EPON、工業(yè)以太網(wǎng)、無線專網(wǎng)系統(tǒng)；無線公網(wǎng)為租用網(wǎng)絡(luò)，無需建設(shè)成本。EPON、工業(yè)以太網(wǎng)、無線專網(wǎng)系統(tǒng)運維成本均較高，且隨光纜線路、通信終端數(shù)量、基站數(shù)量增多運維成本也會相應(yīng)增加；載波系統(tǒng)運維頻度較高，有時需要斷電作業(yè)，運維成本偏高；無線公網(wǎng)為租用網(wǎng)絡(luò)，運維工作主要由電信運營商完成，無需網(wǎng)絡(luò)運維成本，僅需對無線通信終端進行維護，運維成本最低。通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍方面：EPON、工業(yè)以太網(wǎng)交換機系統(tǒng)采用光纖作為傳輸通道，適宜于有光纖資源或可鋪設(shè)光纖的區(qū)域；中壓載波受電網(wǎng)負載、電網(wǎng)運行方式影響較大，適宜于電力線路干擾較小區(qū)域；無線專網(wǎng)組網(wǎng)靈活，適宜進行區(qū)域性覆蓋，但存在頻點申請、基站選址等問題；無線公網(wǎng)覆蓋范圍較廣，無需建設(shè)專用通道，適宜進行區(qū)域性覆蓋。從技術(shù)成熟度及產(chǎn)業(yè)完善情況分析：EPON、工業(yè)以太網(wǎng)交換機及中壓載波在電力行業(yè)標準完備、技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)鏈完整；無線專網(wǎng)處于試點階段，技術(shù)相對較為成熟，但無電力行業(yè)標準和公司標準，且產(chǎn)業(yè)鏈還有待完善；無線公網(wǎng)采用通信行業(yè)成熟標準，產(chǎn)業(yè)鏈完整。基于以上分析，EPON在標準實時性、可靠性、安全性、帶寬、技術(shù)成熟度及產(chǎn)業(yè)鏈等方面具有優(yōu)勢，但由于光纖鋪設(shè)成本高等因素，組網(wǎng)成本偏高，適用于對安全、可靠性有嚴格要求的業(yè)務(wù)，對于已預埋光纜、與主網(wǎng)架同步建設(shè)光纜的情況，應(yīng)優(yōu)先采用EPON技術(shù)進行業(yè)務(wù)承載。工業(yè)以太網(wǎng)方式在實時性、可靠性、安全性、帶寬、技術(shù)成熟度及產(chǎn)業(yè)鏈等方面同樣具有優(yōu)勢，但設(shè)備成本高于EPON，適用于節(jié)點較多、通信距離較長的業(yè)務(wù)場景。中壓載波通信方式施工簡單，受配電線路運行情況影響，適合實時性、并發(fā)性要求不敏感的使用場合，由于其通道建設(shè)隨一次線路開展，因此可作為光纖網(wǎng)絡(luò)的末端補充。無線專網(wǎng)方式目前還處于試點應(yīng)用階段，頻段選擇、技術(shù)體制選擇、建設(shè)及運維模式仍然存在很多問題，需要對承載業(yè)務(wù)及部署方式進行規(guī)范。無線公網(wǎng)方式易于建設(shè)，宜用于安全性、可靠性、實時性相對要求較低的場合（配電自動化”二遙”業(yè)務(wù)），由于其運維成本低，基于現(xiàn)有通信現(xiàn)狀，是配電自動化全面推進的一項長期過度通信方式的選擇。通信系統(tǒng)建設(shè)總體設(shè)計在業(yè)務(wù)特性分析和技術(shù)對比基礎(chǔ)上，配電自動化通信系統(tǒng)總體設(shè)計提出建設(shè)總體要求和技術(shù)原則，并對組網(wǎng)方案、網(wǎng)絡(luò)管理和信息安防進行闡述?？傮w要求配電自動化通信系統(tǒng)應(yīng)納入配網(wǎng)建設(shè)同步規(guī)劃，在滿足現(xiàn)有配電自動化需求的前提下，充分考慮綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用和通信技術(shù)發(fā)展前景，統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施、適度超前；應(yīng)針對業(yè)務(wù)需求、供電環(huán)境、地域、建設(shè)周期、投資成本的差異性開展統(tǒng)一設(shè)計，合理選擇通信技術(shù)和組網(wǎng)方式，滿足數(shù)據(jù)傳輸、業(yè)務(wù)覆蓋及電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定要求，保證通信網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性、可擴展性和可管理性，提高設(shè)計方案在規(guī)模化推廣時的可移植性、可復制性；在建設(shè)和改造環(huán)節(jié)必須充分利用電力系統(tǒng)的桿塔、排管、電纜溝道等現(xiàn)有通道資源，穩(wěn)步擴大配網(wǎng)通信系統(tǒng)光纖覆蓋率，光纜網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃要求符合配網(wǎng)通信系統(tǒng)規(guī)劃發(fā)展要求，并與配電網(wǎng)建設(shè)同步進行；應(yīng)采用通信管理系統(tǒng)（TMS）對各類設(shè)備、多種通信方式進行統(tǒng)一管理，縮短通信系統(tǒng)故障排查和恢復時間，顯著提升配網(wǎng)通信系統(tǒng)統(tǒng)一運行維護管理水平。技術(shù)原則配電自動化通信系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，結(jié)合技術(shù)發(fā)展情況，合理選擇技術(shù)成熟、經(jīng)濟、安全、實用的通信方式。新建線路及站點，應(yīng)預留光纖架設(shè)管道，優(yōu)先采用光纖通信技術(shù)。光纖通信技術(shù)選擇方面，在A+類、A類、B類供電區(qū)域，對“三遙”業(yè)務(wù)優(yōu)先選擇EPON或者工業(yè)以太網(wǎng)交換機等光纖通信技術(shù)進行組網(wǎng)，無線通信或載波通信作為技術(shù)補充。在C類供電區(qū)域，宜選擇光纖通信或光纖通信與其他通信方式混合的組網(wǎng)方式。中壓載波技術(shù)選擇方面，在A+類、A類、B類供電區(qū)域不具備鋪設(shè)光纜的情況下，可選擇中壓載波通信技術(shù)。在其他供電區(qū)域可采用中壓載波通信方式或者“EPON+中壓載波通信”方式進行補充。無線專網(wǎng)技術(shù)選擇方面，在A+類、A類、B類無法鋪設(shè)光纖的供電區(qū)域，可選用無線專網(wǎng)方式進行補充；在C類、D類區(qū)域，可采用無線專網(wǎng)方式傳輸配電業(yè)務(wù)。無線公網(wǎng)選擇方面，在A+類、A類、B類供電區(qū)域光纖鋪設(shè)區(qū)域，可選用無線公網(wǎng)方式進行補充；在C類、D類區(qū)域可采用無線公網(wǎng)通信方式。為滿足通信系統(tǒng)運維管理方面的需要，建設(shè)綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，實現(xiàn)覆蓋配網(wǎng)通信系統(tǒng)資源管理、實時監(jiān)視和運行管理等各項運維管理功能。建設(shè)采用省集中的部署模式，支持光纖、載波、無線以及混合組網(wǎng)技術(shù)體制等多種組網(wǎng)方式，實現(xiàn)覆蓋配網(wǎng)通信系統(tǒng)告警、性能、配置以及業(yè)務(wù)等各個方面的資源管理、實時監(jiān)視和運行管理功能，綜合網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)具備較全面的數(shù)據(jù)共享功能，實現(xiàn)與相關(guān)系統(tǒng)的信息共享。配電自動化通信系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵循相關(guān)安全防護規(guī)范要求，并結(jié)合光纖、無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)等多種方式，在滿足業(yè)務(wù)功能時間要求的前提下，完善鑒權(quán)機制并增強信道加密強度。組網(wǎng)方案配電自動化通信系統(tǒng)在現(xiàn)有骨干傳輸網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上開展建設(shè)，利用四級骨干通信網(wǎng)設(shè)備的標準接口，實現(xiàn)變電站（或相關(guān)場所）與中心站的信息傳輸，無線專網(wǎng)、公網(wǎng)采用終端與中心站（匯集站）的傳輸方式，配電自動化通信系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2配電自動化通信系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖光纜建設(shè)以配網(wǎng)出線變電站為中心，充分利用管線資源，根據(jù)終端站點的地理分布形態(tài)，結(jié)合電氣接線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)站間的光纖多路由布放結(jié)構(gòu)。光纜管道建設(shè)納入一次電纜管道的建設(shè)，新建、改擴建線路，同步考慮光纜建設(shè)或預留通信專用管孔。架空線路優(yōu)先采用自承式電力特種光纜；地下電纜沿溝（管、隧）道鋪設(shè)阻燃型管道光纜；直埋電纜可在電纜旁以符合電氣安全和地埋工藝要求的方式同時鋪設(shè)光纜。光纜的芯數(shù)應(yīng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的最終規(guī)模和整體發(fā)展規(guī)劃適當超前，選擇24芯及以上光纜，光纖類型優(yōu)先選用G.652單模。在選擇EPON系統(tǒng)建設(shè)組網(wǎng)時，OLT宜集中安裝在變電站、開關(guān)站、配電室、充電站中；ONU安裝在10kV配電站或配電設(shè)施附近；光分路器安裝在光纜交接箱、光纖配線架、光纖接頭盒中，或隨ONU集中部署。光分路器選用星形、鏈形等接入形式靈活組網(wǎng)，采用星形組網(wǎng)方式時分光級數(shù)不超過3級，采用鏈形組網(wǎng)方式時分光級數(shù)不超過8級。ONU設(shè)備應(yīng)具有雙PON接口及雙MAC地址支持業(yè)務(wù)的雙PON口保護。在采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)時，宜采用環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)。環(huán)上節(jié)點的工業(yè)以太網(wǎng)交換機布放在開關(guān)站、開閉所等位置，并通過以太網(wǎng)接口和配電終端連接；上聯(lián)節(jié)點的工業(yè)以太網(wǎng)交換機一般配置在變電站內(nèi)，接入骨干層通信網(wǎng)絡(luò)。同一環(huán)內(nèi)節(jié)點數(shù)目不宜超過20個，網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)選擇標準接口；在組網(wǎng)設(shè)計時，可采用相切環(huán)、相交環(huán)多種組網(wǎng)方式。在光纖無法覆蓋區(qū)域，采用光通信與載波技術(shù)的融合方案，作為光纖通信方式的有效補充。載波從站所采集業(yè)務(wù)匯聚至載波主站，再接入光纖接入設(shè)備連接至主站，如圖3所示。

圖3載波組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖無線專網(wǎng)組網(wǎng)可采用通過匯聚設(shè)備接入或無線專網(wǎng)服務(wù)器接入，匯聚設(shè)備通常設(shè)置在變電站或具備條件的生產(chǎn)場所，專網(wǎng)接入服務(wù)器通常設(shè)置在中心站，如圖4所示。無線公網(wǎng)接入采用地市縣分散部署，采用APN/VPDN專線方式接入，如圖5所示。圖4無線專網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖圖5無線公網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖網(wǎng)絡(luò)管理由于配電自動化通信系統(tǒng)采用多種通信技術(shù)體制，應(yīng)采用綜合網(wǎng)管加強對配電自動化通信系統(tǒng)的運維管理，其建設(shè)應(yīng)以省級層面統(tǒng)一部署，在設(shè)備網(wǎng)管的基礎(chǔ)上，采用標準北向接口或協(xié)議，接入相關(guān)設(shè)備運行信息。系統(tǒng)建設(shè)采用省集中模式，在部署數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用服務(wù)器軟硬件，在市級層面部署采集系統(tǒng)，地市公司并通過遠程