王于波，張樹華,，趙東艷
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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(yīng)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(yīng)用為遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo),，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(biāo),。
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(yuǎn)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(yīng)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(yán)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(yù)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(yīng)用模式主要包括兩種：基于專線的應(yīng)用模式和基于無線VPN的應(yīng)用模式,。基于專線的應(yīng)用模式具有安全性高,、經(jīng)濟性好等特點,，是目前應(yīng)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(yīng)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(yuǎn)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(rèn)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(yuǎn)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(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置,、數(shù)據(jù)采集與分析、遠(yuǎn)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(yīng)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(fù)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(yuǎn)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?fù)浣Y(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(biāo)準(zhǔn)
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(biāo)準(zhǔn)
230小型基站通過周期性發(fā)送信標(biāo)和超幀實現(xiàn)與相鄰節(jié)點同步，則稱該網(wǎng)絡(luò)為信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò),，否則為非信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò),。在信標(biāo)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(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中,，采用非時隙CSMA-CA機制接入信道。
在信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)中,，采用時隙CSMA-CA機制,，當(dāng)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(fù)這個過程直到信道空閑。
在非信標(biāo)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(biāo)幀,，各節(jié)點使用非時隙的CSMA-CA機制接入信道。當(dāng)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(fù)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(yīng)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(yuǎn)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(dāng)前特殊的反恐形勢下,，GPRS隨時會關(guān)斷，導(dǎo)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(fù)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(yīng)速度；
(7)符合國網(wǎng)力主的營配貫通的原則,，避免重復(fù)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,。
?。?）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(biāo)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(biāo)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(yīng)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。
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